抽油機游梁平衡自動調節系統的設計①

杜永軍 于嘉驥

(東北石油大學機械科學與工程學院)

抽油機游梁平衡自動調節系統的設計①

杜永軍 于嘉驥

(東北石油大學機械科學與工程學院)

針對抽油機由于不平衡而造成的耗能問題，設計了一個抽油機游梁平衡自動調節系統。系統采用功率法檢測抽油機的平衡度，當抽油機處于失衡狀態時，系統通過步進電機驅動游梁上的平衡配重小車改變它與游梁支點的相對位置，進而調整曲柄軸上的扭矩，使抽油機重新在新平衡狀態下運行。

抽油機 游梁平衡自動調節系統 動力學分析 平衡度

油田現場的抽油機大多在不平衡狀態下運行，對于這些失衡的抽油機，通常采用調整平衡機構的方式(如人工調整平衡塊力矩的方法)使抽油機重新達到平衡的狀態[1]。但是失衡狀態的調節大多是在極其不平衡的狀態下進行的，這造成了調節滯后、效率低、精度低、停機影響產量及不利節能等諸多問題。油田現場雖然存在一些抽油機自動平衡調節裝置，起到了一定的調節作用，但節能效果不理想，同時由于野外環境惡劣，這些裝置的可靠性極低。

針對上述情況，筆者設計了一個抽油機游梁平衡自動調節系統，在沖程、沖次保持不變的情況下，通過改變類似滑塊機構的配重小車位置來調整平衡扭矩，使抽油機的凈扭矩保持不變，保證抽油機在平衡狀態下運行，達到節能、提效的目的。

1 系統的組成與原理

抽油機游梁平衡自動調節系統(圖1)由機械系統和自動控制系統兩部分組成。機械系統由小車軌道和配重小車G1(含步進電機)組成。配重小車由小車外殼、步進電機、行星齒輪組、花鍵、蝸輪、蝸桿及行走齒輪等組成。自動控制系統由信號采集系統、驅動系統和顯示控制系統組成。

圖1 抽油機游梁平衡自動調節系統原理

2 系統的設計

2.1 機械系統

當電機轉動時，電機的轉動轉矩通過行星齒輪組進行放大，并通過花鍵傳遞到蝸桿上，再通過嚙合的蝸輪蝸桿副傳遞給蝸輪，使扭矩得到進一步的放大并改變其轉動方向。最后由蝸輪同時帶動兩個行走齒輪在固定在底座上的齒條上做往復運動，實現平衡小車的位移控制。

這種機械機構具有精度高、結構緊湊和沖擊載荷小的優點，充分利用了蝸輪蝸桿機構的自鎖能力，設計中把機構本身作為配重來節省成本和空間。

2.2 平衡調節系統的運動學分析

通過對平衡機構進行運動學分析，確定抽油機平衡時配重小車相對游梁的位置，然后由能量守恒原理計算出抽油機平衡時配重小車的最優距離。

抽油機結構不平衡重B為：

式中A′——游梁前臂長度；

l——q1重心到游梁支點的距離；

q1——游梁部件重力。

游梁平衡重移動的距離為s·(sinθ1+sinθ2)，儲存的能量為Q1·s(sinθ1+sinθ2)；游梁部件自重移動的距離為l(sinθ1+sinθ2)，儲存的能量為q1l(sinθ1+sinθ2)；曲柄平衡重移動的距離為R2cos(θ0-t)+R2·cos(θ0+λ-t)=R2×[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)[2～4]，儲存的能量為Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]；曲柄自重移動的距離為r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]，儲存的能量為q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t]。其中，s為游梁平衡重心沿游梁方向相對游梁支點的距離，θ1為上死點時游梁的水平夾角，θ2為下死點時游梁的水平夾角，Q1為游梁平衡重力，R2為曲柄平衡重半徑，t為曲柄平衡塊重心線與曲柄重心線的夾角，θ0為上死點時曲柄初始角，λ為極位夾角，Q2為曲柄平衡塊重力，r2為曲柄的重心半徑，q2為曲柄自重。

平衡裝置儲存的能量α0為：

α0=Q1·s(sinθ1+sinθ2)+q1l(sinθ1+sinθ2)+

Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]+

q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]

(1)

q1l=B·A′，代入式(1)可得：

α0=Q1·s(sinθ1+sinθ2)+B·A′(sinθ1+sinθ2)+

Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]+

q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]

如果利用抽油機靜力示功圖進行計算，則α0=S(PG+PY/2)，可得到游梁平衡重心沿游梁方向相對游梁支點的距離s為：

式中PG——抽油桿在油中受到的重力；

PY——曲油管內柱塞上的油柱重；

S——沖程。

2.3 自動控制系統

自動控制系統由信息采集系統、驅動系統和顯示控制系統組成。在抽油機運行過程中，系統通過采集電壓、電流信號，對抽油機上下沖程的平均功率與平衡度進行運算和對比，判斷抽油機是否處于平衡狀態。當平衡度在0.85～1.15之間時[5]，抽油機處于平衡狀態，此時系統無需調整；否則抽油機處于不平衡狀態，此時系統發出控制指令，驅動元件(步進電機)驅動配重小車移動到相對游梁的指定位置來調整平衡扭矩，使抽油機的凈扭矩保持不變，重新達到新的平衡狀態?？刂葡到y為二十四小時工作制，即每24h系統調整平衡一次，每次20min。這樣既保證了抽油機基本在平衡狀態下運行，同時也克服了步進電機長期運轉的耗能問題和頻繁調節導致的電機和平衡小車易損壞問題。

3 結束語

筆者設計了一個抽油機游梁平衡自動調節系統，解決了抽油機由不平衡而造成的耗能問題，節省了大量人力、物力。該系統可以獨立安裝在抽油機抽油系統中，也可以通過簡單的改造與其他節能系統(如空抽節能控制系統、變頻節能控制系統等)組裝成多功能節能控制系統，安裝在抽油機系統中，使節能效果更明顯，油田管理更方便。

[1] 杜永軍,王鵬月,涂學萬,等.多功能抽油機節能控制器的研發[J].科學技術與工程,2009,9(3):691～694.

[2] 任濤.曲柄軸凈扭矩趨近直線形態的抽油機傳動機構研究[J].現代制造工程,2010,(4):136～140.

[3] 任濤.曲柄導桿式六桿機構抽油機設計計算[J].機械傳動,2010,34(3):46～49.

[4] 張建軍,李向齊,石惠寧.游梁式抽油機設計計算[M].北京:石油工業出版社,2005:45～48.

[5] 王平,崔臣君,劉麗娟,等.抽油機平衡度實時測量技術[J].油氣田地面工程,2010,29(10):6～7.

DesignofAuto-regulatingSystemforBeam-balancedPumpingUnit

DU Yong-jun, YU Jia-ji

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity)

Considering incorrect energy consumption incurred by the pumping unit’s unbalance, an auto-regulating system for beam balance was designed. The system adopts the power method to detect the pumping unit’s degree of balance; when the pumping unit stays at imbalance state, the system changes its position relative to beam support by driving the stepper motor-driven balance weight car on the beam so as to adjust the crankshaft torque to make the pumping unit operated under the new balance state.

pumping unit, auto-regulating system for beam balance, Kinetics analysis, degree of balance

杜永軍(1962-)，教授，從事油田采油技術與節能技術的研究。

聯系人于嘉驥(1990-)，碩士研究生，從事海洋石油平臺鋼結構的設計與建造工作，wonderdance@163.com。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)01-0052-03

2016-03-08，

2016-04-13)