異相型游梁式抽油機的節能分析及結構設計

齊博漪 閆天豪

摘 ?要：目前，游梁式抽油機在我國全部在用的抽油機中占了大部分比例。其中異相型抽油機所增加的極位夾角和平衡相位角會大大地降低抽油機作業能耗。在分析異相型游梁式抽油機節能原理的基礎上，對其結構設計的主要步驟進行了介紹，而其中最重要的就是四連桿機構的尺寸設計。

關鍵詞：游梁式抽油機 ?節能 ?分析 ?結構設計

中圖分類號：TE93 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）30（c）-0055-02

在我國石油開采的過程中，由于游梁式抽油機作為當下應用最為廣泛的石油設備，它的研究與開發一直在持續進行。傳統的游梁式抽油機雖然存在著能耗高、采油效率低等問題，但其簡單的抽油機結構，較高的可靠性，再加上油田初期巨大的石油效益，使得它仍然占據較大的市場份額。然而，在今天我國的大部分油田開采已經進入中后期，油田的產油量逐漸下滑，隨之帶來的經濟效益也急劇降低。此時，傳統游梁式抽油機的缺陷所增加的經濟成本也就使成本放大，為了降低采油成本，減少抽油機作業過程中的電力能耗，對抽油機進行研究和發展就顯得極其重要。

常規型游梁式抽油機的結構復雜性較低，制造過程簡單，并且在發生故障時維護較為方便，其中最關鍵的特點是游梁式抽油機在油田運行不受周圍天氣的變化，可以整天24h運行。但是，常規型抽油機存在傳動效率低、作業時功率不匹配等缺點。

1 ?常規游梁式抽油機的耗能分析

一般而言，常規型游梁式抽油機之所以能耗高，其主要原因有如下3個。

（1）抽油泵的排量與油井的滲透能力不匹配。簡單來說，就是當抽油機工作時，抽油泵的抽油量與油井的排油量并不相等，從而導致抽油泵做無用功，增大了能耗，同時也增加抽油機的負擔。

（2）交流電機負責為抽油機提供動力，在抽油桿下降期間，交流電機的轉子轉速通常高于電動機的同步速度，這意味抽油機的曲柄凈扭矩是負值，此時的交流電機就會轉化為發電機為電網供電，這種現象成為倒發電。倒發電不僅降低的電機的使用效率，還對電網造成了較大的損害。

（3）井況變化時，抽油機平衡調節不及時，導致減速器輸出軸凈扭矩波動大，同樣會降低電機效率。

要想從根本上減少游梁式抽油機的能耗，提高節能效率，其直接途徑就是對抽油機的結構進行改進。一般而言，可以對抽油機固有的四桿機構和平衡方式進行改進，以此來改變曲柄軸凈扭矩的曲線變化，確保扭矩的變化不會出現較大波動。因此，異相型游梁式抽油機就隨之而產生了。

2 ?異相型游梁式抽油機的節能分析

異相型游梁式抽油機是逐步發展起來的一種性能較好的抽油機。一般來說，常規型游梁式抽油機后梁支撐軸處在齒輪減速箱輸出軸的正上方，曲柄銷槽的中心線和平衡塊中心的重力線之間沒有偏置角度，前后梁的比例通常小于1.4∶1，因而造成減速箱輸出扭矩比抽油泵所需扭矩高出40%左右。齒輪減速箱正負扭矩的方向變化增加了抽油桿的應力，降低了抽油桿的使用壽命。為了克服抽油機的上述缺點，異相型游梁式抽油機把游梁的前梁和后梁之間的比例至少增加到1.4∶1.把曲柄的回轉曲線放到后梁支撐的后面。根據沖程的大小使曲柄銷沿著線移動與曲柄的中線偏置一個角度，通過肘節與肘節銷把連桿和曲柄連接在一起。通過調節在曲柄上的平衡塊的回轉半徑和浮動的安全鎖塊以及加或者減平衡快上的負重來實現抽油機精確地運動平衡。這樣就降低了抽油機所需的最高扭矩，使齒輪減速箱正負扭矩的方向變化得以消除。結果使抽油桿有較低的工作應力值，從而增加了抽油機的適用范圍。通過調節曲柄銷在銷槽中的位置，可以對光桿沖程的大小進行調節。

由此可得，在對傳統抽油機的結構進行改善的基礎上，異相型抽油機增加了極位夾角與平衡相位角。其中極位夾角的作用是通過改變曲柄在上沖程和下沖程期間旋轉的角度來減小懸點在上沖程時的加速度和動態載荷，而平衡相位角的功能是進一步削弱減速器的最大扭矩峰值，從而降低能耗。

3 ?異相型游梁式抽油機的結構設計流程

異相型游梁式抽油機的結構設計按以下步驟進行。

（1）抽油機四連桿機構的尺寸設計。作為抽油機的基本框架，四連桿機構的尺寸確定對抽油機的作業性能以及整體質量都極其重要。從某種意義上說，游梁式抽油機的結構設計，就是四連桿機構的設計。首先，通過抽油機游梁的最大擺角和最大光桿沖程則可計算出游梁的前臂尺寸;其次，通過游梁的前臂與后臂之間的比值確定后臂尺寸;最后，通過抽油機連桿尺寸的幾何關系計算出抽油機的連桿、極距、曲柄等尺寸。

（2）計算減速器曲柄軸的最大所需扭矩以及對減速器的選定。減速器的作用在于將動力從電動機以不同的速度傳遞至曲柄，齒輪減速器與V帶傳動的配合使用是其多見的傳遞方式。減速器所需要的最大扭矩可以根據經驗公式進行計算，例如勒瑪柴諾夫經驗公式。

（3）計算電動機的功率及電動機型號與規格的選定。抽油機的動力始于電動機，采用拉夫金經驗公式通過泵柱塞沖程的日產液量和液體的有效舉升高度來得到電動機的功率，從而選出型號規格合適的電動機。

（4）V帶尺寸設計和規格型號選擇。由于V帶傳動運行平穩，且具有過載保護的優點，能緩和從油井傳來的沖擊負荷，因此在抽油機的結構設計中V帶傳動是必需的。V帶的尺寸設計過程已經成熟，根據具體的公式便可計算得出。其具體參數包括帶輪直徑、帶長以及V帶根數等。

（5）選擇帶輪的結構形式。帶輪的結構形式現在已經固定，可依據帶輪的基準直徑在機械設計的相關著作中選擇。當帶輪的基準直徑不同時，選擇的帶輪結構形式也隨之不同。

（6）其他重要部件的設計。包括但不限于驢頭與游梁的設計、支架與底座的設計、曲柄銷的設計及強度校核、曲柄和平衡塊的設計、制動裝置的設計、懸繩器和鋼絲繩的設計等。

4 ?結語

異相型游梁式抽油機所具有的極位夾角是將減速器沿著機架上的原始位置移動而形成的，再加上平衡塊與曲柄軸之間的平衡相位角，使減速裝置在運行期間減小了扭矩最大峰值，以便更容易的改變減速裝置的扭矩峰值變化，從而減小電動機作業功率，達到降低能耗的目的。

盡管如今新能源的研發越來越多，但是石油作為國家重要儲備燃料的地位在相當長的一段時間內都不會發生變化，特別是在軍事上具有戰略意義時對傳統抽油機的進一步研發進而滿足我國石油的自給自足就顯得尤為關鍵。

參考文獻

[1] 任濤，張東平.抽油機節能技術研究綜述[J].信息記錄材料，2018，19（12）：28-29.

[2] 侯樹云.淺談抽油機如何節能增效[J].化工管理，2014（5）：200.

[3] 蘇德勝，劉先剛，呂衛祥，等.游梁式抽油機節能機理綜述[J].石油機械，2001（5）：49-53.

[4] 孫正貴，徐軍，匡耀武，等.游梁式抽油機倒發電現象的消除與節能[J].承德石油高等專科學校學報，2003（1）：28-30.