后置滑輪式長沖程抽油機(jī)受力分析與平衡計算

王西海

（大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶 434023）

0 前言

游梁式抽油機(jī)是我國各大油田的主要采油設(shè)備。在油田開發(fā)過程中，隨著原油含水率不斷上升以及油層壓力和油井動液面的逐漸下降，為了保持原油穩(wěn)產(chǎn)，必須加大采液量，因此要求抽油機(jī)不僅能滿足“深抽、大排量”的工藝要求，而且應(yīng)具有長沖程，大負(fù)荷，耗能低的性能特點(diǎn)[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國的抽油機(jī)仍以常規(guī)抽油機(jī)和異相曲柄平衡抽油機(jī)為主，能耗高、沖程短[3-5]，如果將這些抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，將會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。為此作者創(chuàng)新設(shè)計了一種后置滑輪式長沖程抽油機(jī)，本文對其結(jié)構(gòu)和受力特性進(jìn)行了分析。

1 工作原理

后置滑輪式長沖程抽油機(jī)如圖1所示，其基本思想是在彎游梁抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一個后置滑輪，該滑輪固定在三角擺架上，三角擺架的其余兩端分別與搖桿和游梁相連，搖桿和拉桿另一端通過軸支撐在塔架上。鋼帶一端固定在后置滑輪上，另一端繞過驢頭上滑輪和滾子與懸繩器連接。在下沖程的時候，后置滑輪的重心相對游梁支點(diǎn)的水平距離（力臂長度）逐漸變小，后置滑輪升高，存儲勢能，讓電機(jī)減少做負(fù)功的比例。在上沖程的時候，后置滑輪相對游梁支點(diǎn)的力臂長度逐漸伸長，下沖程過程中積蓄的勢能被利用，用于提升懸點(diǎn)載荷。能夠讓上沖程和下沖程過程中的運(yùn)動保持平衡，力矩變化保持一致。通過上述過程可以有效減小曲柄凈扭矩，最終達(dá)到減小裝機(jī)的功率、節(jié)約成本的目標(biāo)。同時，在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，后置滑輪相對游梁的向后移動以及滑輪自身的轉(zhuǎn)動使得鋼帶在滑輪上纏繞，從而增加抽油機(jī)的沖程。

圖1 后置滑輪式長沖程抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

2 承載部件受力分析

后置滑輪抽油機(jī)的主要承載部件有后置滑輪、三角擺架、游梁、曲柄等。為確保整機(jī)安全工作，需要對各部件進(jìn)行受力分析。因此需要建立后置滑輪式抽油機(jī)各部件的力學(xué)模型并進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)。

2.1 后置滑輪受力分析

圖2為后置滑輪受力模型，圖中H為滑輪圓心。

圖2 滑輪受力分析圖

對H點(diǎn)取矩，有平衡方程：

簡化得：

由力平衡方程有：

可得到：

上述式子中：

lJH—后置滑輪的轉(zhuǎn)動半徑；

FD—頂桿對滑輪J點(diǎn)的作用力；

FH—鋼帶對滑輪的作用力；

FHX—頂桿對滑輪H點(diǎn)的水平作用力；

FHY—頂桿對滑輪H點(diǎn)的垂直作用力；

GH—滑輪自重。

2.2 三角擺架受力分析

根據(jù)三角擺架的受力狀態(tài)，建立其受力模型如圖3所示。

由三角擺架F點(diǎn)的力矩平衡，有：

圖3 三角擺架受力分析圖

解得：

由三角擺架總體受力平衡有：

解得：

上述式子中：

FH—鋼帶對三角擺架的作用力；

FG—頂桿對三角擺架的作用力；

FFx—三角擺架F點(diǎn)所受的水平作用力；

FFy—三角擺架F點(diǎn)所受的垂直作用力；

K—三角擺架平衡重的重心；

Q架—三角擺架平衡重；

βH—FH與LFH的夾角；

βG—FG與LEG的夾角。

2.3 游梁受力分析

游梁的受力如圖4所示，由D點(diǎn)力矩平衡有：

圖4 游梁受力分析圖

解得：

由游梁受力平衡有：

上式中符號表示的意義：

FW—懸點(diǎn)載荷，（kN）；

FH—鋼帶對游梁的作用力，（kN）；

FDx—支架對游梁的水平作用力，（kN）；

FDy—支架對游梁的垂直作用力，（kN）；

Q游—游梁平衡重，（kN）；

FFx—三角擺架下支點(diǎn)對游梁的水平作用力，（kN）；

FFy—三角擺架的下支點(diǎn)對游梁的垂直作用力，（kN）；

τ游—游梁平衡重滯后角，（h）；

M—游梁平衡重的質(zhì)心的位置；

βP—鋼帶接觸點(diǎn)與游梁間夾角。

2.4 曲柄受力分析

曲柄受力如圖5所示，由A點(diǎn)力矩平衡有：

圖5 曲柄受力分析

解得：

由A點(diǎn)受力平衡有：

解得：

式中符號表示的意義：

FAX—減速器輸出軸對曲柄的水平作用力，（kN）；

FAY—減速器輸出軸對曲柄的垂直作用力，（kN）；

Q曲—曲柄平衡重，（kN）；

N—曲柄質(zhì)心位置。

3 樣機(jī)的平衡計算

常規(guī)抽油機(jī)在設(shè)計計算過程中需要考慮曲柄和游梁的平衡配重，后置滑輪式長沖程抽油機(jī)為兩者的結(jié)合，所以在設(shè)計計算時需要考慮兩者的復(fù)合平衡配重：

以扭矩均方根TN′為目標(biāo)函數(shù)：

在進(jìn)行優(yōu)化時要是TN’最小，這樣能獲得很好的節(jié)能效果。

約束條件為：

（1）三角擺架平衡重幾何尺寸的限制；

（2）三角擺架平衡重滯后角的大小限制；

（3）游梁平衡重幾何尺寸的限制；

（4）游梁平衡重滯后角的限制；

（5）曲柄平衡重幾何尺寸的限制；

（6）曲柄平衡重滯后角的限制；

（7）減速器額定輸出扭矩的限制；

圖6 平衡扭矩

圖7 平衡曲線圖

（8）上沖程和下沖程波峰相等。

利用上面已求解的結(jié)果，平衡計算結(jié)果如下：

三角擺架平衡重為35.175 6 kN，三角擺架滯后角為105.63h；曲柄平衡重為137.316 kN，曲柄平衡重滯后角為12.07h；游梁平衡重為60 kN；求得的平衡曲線如圖6、7所示。

4 結(jié)論

（1）在彎游梁抽油機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種隨動平衡抽油機(jī)，隨著懸點(diǎn)載荷的變化，平衡力臂不斷改變，減小了曲柄轉(zhuǎn)矩和懸點(diǎn)載荷峰值。

（2）對后置滑輪式長沖程抽油機(jī)的主要承載部件進(jìn)行了受力分析，為以后該抽油機(jī)個部件的強(qiáng)度校核，平衡配重計算提供了基礎(chǔ)。

（3）對樣機(jī)的平衡進(jìn)行了計算，求得三角擺架平衡重為35.175 6 kN，三角擺架滯后角為105.63h；曲柄平衡重為137.316 kN，曲柄平衡重滯后角為12.07h；游梁平衡重為60 kN。

（4）求得該抽油機(jī)平衡曲柄扭矩隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系圖，并與常規(guī)抽油機(jī)進(jìn)行了對比，結(jié)果表面，后置滑輪式長沖程抽油機(jī)起到了很好的平衡曲柄扭矩的效果。

［1］張曉東，賈國超.關(guān)于我國抽油機(jī)發(fā)展的幾點(diǎn)思考［J］.石油礦場機(jī)械，2008（01）：24-27.

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