非對(duì)稱循環(huán)游梁平衡抽油機(jī)初探

袁德洲+李祖國(guó)

摘要：非對(duì)稱循環(huán)游梁平衡抽油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱非對(duì)稱機(jī)）是在常規(guī)型曲柄平衡抽油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱常規(guī)機(jī)）的基礎(chǔ)上，變搖桿的對(duì)稱循環(huán)為非對(duì)稱循環(huán)；變曲柄平衡為游梁平衡。通過(guò)幾何特征、扭矩因數(shù)曲線、扭矩曲線的分析，闡述了這種抽油機(jī)的節(jié)能機(jī)理。理論計(jì)算表明：這種抽油機(jī)具有良好的運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力特性，節(jié)能效果好，值得賞試。

關(guān)鍵詞：非對(duì)稱循環(huán)；游梁平衡

一、前言

常規(guī)機(jī)以其安全可靠、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)贏得了廣大用戶的信賴，但其能耗較高與當(dāng)今能源緊張問(wèn)題產(chǎn)生了較深的矛盾。

前些年，人們?yōu)榱私档统橛蜋C(jī)的能耗，打破傳統(tǒng)的四桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出許多新型的無(wú)游梁式抽油機(jī)，如：鏈條式抽油機(jī)、寬帶式抽油機(jī)等。無(wú)疑這些無(wú)游梁抽油機(jī)為抽油機(jī)的家族添加了新成員，但由于無(wú)游梁抽油機(jī)固有的特點(diǎn)，不得不采用可靠性較差的撓性構(gòu)件，在使用過(guò)程中某些關(guān)鍵的零部件壽命短、故障率高，給使用與管理帶來(lái)不便，即“節(jié)能”和“可靠”產(chǎn)生了對(duì)立的矛盾。為此，抽油機(jī)的設(shè)計(jì)者們力求尋找一種在可靠性方面能與常規(guī)機(jī)媲美，而又節(jié)能的新型抽油機(jī)，即“二者兼顧”，從而出現(xiàn)了雙驢頭抽油機(jī)、六連桿抽油機(jī)等。但這些抽油機(jī)也存在著安裝維修不便，可靠性不及常規(guī)機(jī)的缺點(diǎn)。

近年來(lái)，游梁平衡抽油機(jī)被廣泛采用，在用的常規(guī)機(jī)也大量進(jìn)行游梁平衡改造，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，游梁平衡抽油機(jī)不僅可靠性好，還具有一定的節(jié)能效果，基本實(shí)現(xiàn)“二者兼顧”。

筆者認(rèn)為：采用非對(duì)稱機(jī)可使節(jié)能效果更好，值得賞試。

二、非對(duì)稱機(jī)結(jié)構(gòu)及幾何特征

1、結(jié)構(gòu)

與常規(guī)機(jī)相比，非對(duì)稱機(jī)在結(jié)構(gòu)上有二點(diǎn)變化：一是變曲柄平衡為游梁平衡；二是當(dāng)游梁于水平位置時(shí)，橫梁軸承座的布置位置高于或低于中央軸承座一定的距離。橫梁軸承座置于中央軸承座上方，我們稱之為上偏非對(duì)稱循環(huán)抽油機(jī)（簡(jiǎn)稱上偏機(jī)）；橫梁軸承座置于中央軸承座下方，我們稱之為下偏非對(duì)稱循環(huán)抽油機(jī)（簡(jiǎn)稱下偏機(jī)）。

2、幾何特征

對(duì)于常規(guī)機(jī)，其幾何特征為：搖桿擺動(dòng)的角度沿水平線對(duì)稱分布，即：Ψ1=Ψ2，初始角Θ0=0，極位夾角λ=0，且上、下沖程曲柄轉(zhuǎn)角相等。

當(dāng)搖桿為非對(duì)稱循環(huán)時(shí)，搖桿擺動(dòng)的角度沿水平線非對(duì)稱分布，即：Ψ1≠Ψ2，極位夾角≠0，初始角Θ0≠0。

上偏非對(duì)稱循環(huán)時(shí)，ψ1>ψ2，極位夾角λ<0，初始角Θ0>0，且上沖程曲柄轉(zhuǎn)角小于下沖程曲柄轉(zhuǎn)角。

下偏非對(duì)稱循環(huán)時(shí)，ψ1<ψ2，極位夾角λ>0，初始角Θ0<0，且上沖程曲柄轉(zhuǎn)角大于下沖程曲柄轉(zhuǎn)角。

三、運(yùn)動(dòng)特性及節(jié)能機(jī)理

1、扭矩因數(shù)曲線TF

扭矩因數(shù)與幾何參數(shù)直接相關(guān)，上述幾何特征的改變，使TF曲線的初始相位發(fā)生變化。如圖4所示，當(dāng)曲柄位于下死點(diǎn)位置時(shí)，對(duì)于常規(guī)機(jī)，扭矩因數(shù)近似為0，上偏機(jī)扭矩因數(shù)為負(fù)值，下偏機(jī)扭矩因數(shù)為正值，即上偏機(jī)TF曲線右移一定的相位，下偏機(jī)左移一定的相位，TF曲線相位的改變，使波峰和波谷的位置也發(fā)生相應(yīng)的改變，即上偏機(jī)波峰和波谷滯后，下偏機(jī)波峰和波谷超前。

2.扭矩曲線

圖1所示為常規(guī)機(jī)三條扭矩曲線，其中Tw為懸點(diǎn)載荷扭矩曲線，Tm為平衡扭矩曲線，Tn

為凈扭矩曲線，由圖1得出：

a）Tm曲線為一標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線；

b）Tw曲線為近似正弦曲線；

c）Tw曲線與Tm曲線的峰值存在相位差Δθ；

d）Tw與Tm二者疊合后所得的Tn曲線仍有較高的波峰，即減速器凈扭矩峰值較大，且均方根扭矩仍然較大、負(fù)扭矩的范圍和峰值也較大。

根據(jù)上偏機(jī)、下偏機(jī)扭矩曲線圖同樣可以得出：

a）Tw、Tm曲線均為近似正弦曲線；

b）Tw曲線與Tm曲線的峰值相位差幾乎為0；

c）Tw與Tm二者疊合后所得的Tn曲線波峰減小，即減速器凈扭矩峰值減小，且均方根扭矩小、負(fù)扭矩小。

3、平衡扭矩曲線

通過(guò)改變游梁平衡重鉛垂位置，也可改變平衡扭矩曲線的初始相位。上偏機(jī)由于TF曲線的右移，使得Tw曲線也右移，下偏機(jī)由于TF曲線的左移，使得Tw曲線左移，這就要求平衡扭矩曲線Tm也要與Tw作相應(yīng)的移動(dòng)，所以，上偏機(jī)和下偏機(jī)應(yīng)有不同的初始相位，以滿足峰值重合，疊加效果好。

4、節(jié)能機(jī)理

通過(guò)運(yùn)動(dòng)特性分析，得出上偏機(jī)、下偏機(jī)的節(jié)能機(jī)理：通過(guò)橫梁軸承座置相對(duì)于中央軸承座的位置的偏置，改變扭矩因數(shù)的初始相位，即改變懸點(diǎn)載荷扭矩曲線的峰值位置；另一方面設(shè)置合適的平衡重的初始相位，使平衡扭矩曲線與懸點(diǎn)載荷扭矩曲線達(dá)到較好的疊合，從而減小凈扭矩峰值，減小均方根扭矩，達(dá)到節(jié)能的目的。經(jīng)理論計(jì)算，上偏機(jī)、下偏機(jī)節(jié)能效果可達(dá)10%～30%

四、結(jié)束語(yǔ)

1、上偏機(jī)、下偏機(jī)具有一定的節(jié)能效果，節(jié)電率與工況參數(shù)相關(guān)，不同的工況，峰值扭矩出現(xiàn)的位置不同，因此，如果橫梁軸承座為上、下連續(xù)可調(diào)，平衡重為上、下連續(xù)可調(diào)，即初始相位連續(xù)可調(diào)，可獲得更好的節(jié)能效果；

2、橫梁軸承座及平衡重的偏置量直接影響節(jié)電率，不同的工況應(yīng)有不同的偏置量，它們之間使節(jié)能效果最佳的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能得出；

3、上偏機(jī)與下偏機(jī)節(jié)能效果相當(dāng)，但上偏機(jī)橫梁連接螺栓不受拉力，動(dòng)力特性好，可靠性好。endprint