張丹丹（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

游梁式抽油機(jī)儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)

張丹丹（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

常規(guī)游梁式抽油機(jī)在油田中應(yīng)用時(shí)，上下沖程的載荷極不均勻，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，電能得不到充分利用。針對(duì)此問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種新型儲(chǔ)能裝置，利用具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪，來(lái)進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放，可以作為輔助設(shè)備，加裝在具有不同平衡方式的游梁式抽油機(jī)上，使曲柄輸出軸峰值轉(zhuǎn)矩下降，谷值轉(zhuǎn)矩提升，有效消除負(fù)值轉(zhuǎn)矩及電動(dòng)機(jī)“超同步轉(zhuǎn)速”現(xiàn)象。理論計(jì)算表明，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)可下降至0.02左右，大幅度改善了電動(dòng)機(jī)的工作狀況，抽油機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，節(jié)電率可達(dá)14%以上。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)能效果好，制造成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景。

游梁式抽油機(jī)；飛輪；儲(chǔ)能；電動(dòng)機(jī)；平穩(wěn)；

引言

目前油田常用的抽油機(jī)為游梁式抽油機(jī)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、耐久性好，但不足之處也日益突出。主要表現(xiàn)為：上下沖程的載荷極不均勻，減速箱輸出軸轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)負(fù)值情況，電能得不到充分的利用；懸點(diǎn)的速度和加速度的變化加劇了這種不均勻性，嚴(yán)重影響了四連桿機(jī)構(gòu)、減速器和電動(dòng)機(jī)的壽命。且隨著節(jié)能降耗要求的不斷提高，解決常規(guī)游梁式抽油機(jī)能量平衡問(wèn)題就成為當(dāng)務(wù)之急。

近幾年，節(jié)能型抽油機(jī)種類(lèi)不斷增加，如前置式抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、雙驢頭異型抽油機(jī)等均得到一定推廣應(yīng)用，并取得了較好的節(jié)能效果，但是更換新型抽油機(jī)成本高。因此，為了節(jié)約成本，在抽油機(jī)大體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，通過(guò)加裝儲(chǔ)能裝置，改善電動(dòng)機(jī)以及抽油機(jī)的整體工作性能，達(dá)到節(jié)能效果。華北油田研究設(shè)計(jì)了一種節(jié)能蓄能器，作為輔助設(shè)備，將其安裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸上，平衡電動(dòng)機(jī)的輸出，但是裝置質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸較大，不便于安裝[1]；為此，設(shè)計(jì)出一種新型的游梁式抽油機(jī)儲(chǔ)能裝置。

1 儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

儲(chǔ)能裝置主要由復(fù)合帶輪、小帶輪、飛輪、機(jī)械式摩擦離合器組成。復(fù)合帶輪由一大一小兩個(gè)帶輪鑄造成一體，安裝在電動(dòng)機(jī)的輸出軸上。復(fù)合小帶輪與減速箱上的大帶輪組成減速傳動(dòng)副，復(fù)合大帶輪與另一小帶輪組成增速傳動(dòng)副，飛輪和機(jī)械式摩擦離合器都與這個(gè)小帶輪安裝在飛輪軸上（圖1）。

圖1 游梁式抽油機(jī)儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

儲(chǔ)能裝置安裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸端，核心構(gòu)件是具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)離合器操作手柄，將飛輪脫離儲(chǔ)能裝置，降低啟動(dòng)載荷，減小啟動(dòng)電流。待電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，再拉動(dòng)操作手柄，離合器又將飛輪接入儲(chǔ)能裝置，進(jìn)行能量平衡。由于飛輪與電動(dòng)機(jī)軸是通過(guò)帶輪傳動(dòng)，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與飛輪的轉(zhuǎn)速是同步變化的。抽油機(jī)載荷不均勻，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)速度的波動(dòng)，進(jìn)一步使飛輪的速度不平穩(wěn)，由此產(chǎn)生動(dòng)能差值，通過(guò)這一能量的差值來(lái)平衡電動(dòng)機(jī)的輸出。當(dāng)抽油機(jī)下沖程時(shí)，飛輪將抽油桿柱釋放的能量和電動(dòng)機(jī)給出的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，轉(zhuǎn)化成飛輪的動(dòng)能，使其轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)抽油機(jī)上沖程時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，釋放出動(dòng)能，幫助電動(dòng)機(jī)做功。有效消除了電動(dòng)機(jī)的“超同步轉(zhuǎn)速”現(xiàn)象，使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，從而改善抽油機(jī)工作性能，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先對(duì)減速箱曲柄軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合抽油機(jī)及電動(dòng)機(jī)型號(hào)，對(duì)儲(chǔ)能裝置的各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，以達(dá)到強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能目的。

1.3.1 減速箱曲柄軸轉(zhuǎn)矩分析計(jì)算

抽油機(jī)工作時(shí)，由于懸點(diǎn)載荷、驢頭自重及前、后游梁自重在曲柄軸，即減速箱輸出軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)輸給曲柄的轉(zhuǎn)矩相平衡。因此，通過(guò)懸點(diǎn)載荷及平衡關(guān)系來(lái)計(jì)算曲柄軸轉(zhuǎn)矩，不僅可以檢查減速箱是否在超轉(zhuǎn)矩條件下工作，而且可以用來(lái)檢查和計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率利用情況。

減速箱曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩可由下式求得：

式中：M——減速箱曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩，N m；

P——抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷，N；

A——懸點(diǎn)與中軸間的距離，m；

C——中軸與尾軸間的距離，m；

R——曲柄重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；

α——曲柄與連桿間的夾角，rad；

β——游梁與連桿間的夾角，rad；

Qe——曲柄平衡塊質(zhì)量與曲柄自重的等效載荷，N；

θ——曲柄轉(zhuǎn)角，rad。

式中：Mcmax——曲柄最大平衡轉(zhuǎn)矩，即曲柄處于水平位置時(shí)（θ=90°和θ=270°），曲柄自重及曲柄平衡重對(duì)曲柄軸所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，N·m。

由此簡(jiǎn)化得出

以某型號(hào)的抽油機(jī)為參考，繪制出曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周作用在減速箱曲柄軸的轉(zhuǎn)矩曲線（圖2），得到減速箱曲柄軸的最大輸出轉(zhuǎn)矩Mmax=24 247.6 N·m。

圖2 減速箱曲柄輸出軸轉(zhuǎn)矩曲線

1.3.2 飛輪尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度對(duì)飛輪軸的直徑進(jìn)行初步估算，得出飛輪軸直徑表達(dá)式，即

式中：d——飛輪軸的直徑，mm；

P——飛輪軸傳遞的功率，kW；[

τT]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；

n——飛輪軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)飛輪軸選用的材料確定A0=126 MPa，結(jié)合實(shí)際工作情況確定P=19 kW，n=2500 r/min，代入公式（4）得d≥25 mm。

飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式求得：

式中：J——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

b——飛輪寬度，m；

h——飛輪輪緣厚度，m；

r——飛輪平均半徑，m；

ρ——飛輪材質(zhì)密度，kg/m3。

同時(shí)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定功率與啟動(dòng)時(shí)間，得出飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的另一計(jì)算式，即

式中：P1——飛輪驅(qū)動(dòng)功率，kW；

Δt——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，s；

ω1——飛輪的啟動(dòng)后的角速度，rad/s。

已知某抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)額定功率為37 kW，飛輪驅(qū)動(dòng)功率P1=19 kW，Δt=5 s，ω1=261.7 rad/s，計(jì)算得出J=2.772 kg·m2，設(shè)計(jì)為兩個(gè)或多個(gè)飛輪，形成飛輪組合式。若做成兩個(gè)飛輪，每個(gè)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是1.386 kg·m2，繼而確定出飛輪平均半徑r=200 mm，ρ=7800 kg/m3，h=b=60 mm。

1.3.3 復(fù)合帶輪結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是在保證帶傳動(dòng)不打滑的條件下，具有一定的疲勞強(qiáng)度和壽命。帶輪的計(jì)算功率是根據(jù)傳遞功率以及工作情況系數(shù)確定的[3]，即

式中：Pca——帶輪的計(jì)算功率，kW；

P——帶輪傳遞功率，kW；KA——工作情況系數(shù)。

通過(guò)查表得KA=1.18，并已知P=19 kW，得出Pca=22.42 kW。根據(jù)計(jì)算功率及小帶輪轉(zhuǎn)速選定帶型為SPA，即A型窄V帶。再根據(jù)V帶的截型，選定小帶輪的直徑為140 mm，從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑450 mm，依次確定兩個(gè)帶輪中心距515 mm，帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度2000 mm以及帶的根數(shù)等基礎(chǔ)參數(shù)。

帶輪的材料主要選擇鑄鐵，常用材料的牌號(hào)為HT150或HT200，轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼。在儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)中，大帶輪的轉(zhuǎn)速約740 r/min，小帶輪的轉(zhuǎn)速是2500 r/min，所以大帶輪的材料為HT200，而小帶輪的材料用鑄鋼。

1.3.4 離合器的選擇

離合器是一種可以通過(guò)各種操縱方式，實(shí)現(xiàn)從主動(dòng)部分在同軸線上傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力時(shí)具有接合或分離功能的裝置。離合器有各種不同的用途，根據(jù)原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間或機(jī)械中各部件之間的工作要求，離合器可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止以及改變傳動(dòng)件的工作狀態(tài)。

在儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)中，選擇摩擦片式離合器，離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩可由下式求得：

式中：Tc——離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·m；

T——離合器的理論轉(zhuǎn)矩，對(duì)摩擦式離合器可取運(yùn)轉(zhuǎn)中最大工作轉(zhuǎn)矩或接合過(guò)程中工作轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩之和，N·m；

K——工作情況系數(shù)，其值與原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的類(lèi)型、離合器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)（通常對(duì)干式摩擦離合器，可取較大的值，對(duì)濕式摩擦離合器，可取較小的值）；

Km——離合器接合頻率系數(shù)；

Kv——滑動(dòng)速度系數(shù)。

經(jīng)查表得K=1.2，Km=1，Kv=0.45，計(jì)算得T=72.6 N·m，最終求出Tc=193.6 N·m。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足實(shí)際工作要求，儲(chǔ)能裝置的各個(gè)主要零部件，如飛輪軸、軸承和鍵等，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核，使其達(dá)到一定的使用壽命，方能加工制造，安裝使用。

2 儲(chǔ)能裝置性能分析

安裝完儲(chǔ)能裝置后的曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示。由圖3可知，峰值轉(zhuǎn)矩下降，谷值轉(zhuǎn)矩提升，未出現(xiàn)負(fù)值轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象，有效消除了電動(dòng)機(jī)的“超同步轉(zhuǎn)速”現(xiàn)象。

圖3 安裝儲(chǔ)能器前后輸出軸轉(zhuǎn)矩曲線對(duì)比

同時(shí)，抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù)可由下式求得：

式中：δ——抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù)；

ΔWmax——飛輪儲(chǔ)存的能量，N·m；

ωm——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；

JF——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩曲線的分析得到飛輪儲(chǔ)存能量的最大值ΔWmax=13 291 N·m，已知ωm=261.8 rad/s，JF= 2.772 kg·m2，并將抽油機(jī)系統(tǒng)其他形式的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算其中，得出JF=9.7 kg·m2，代入公式（9）得δ= 0.02。在游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)中，不均勻系數(shù)可達(dá)到0.15左右，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)極不平穩(wěn)。安裝機(jī)械式儲(chǔ)能裝置后，不均勻系數(shù)大幅度下降，改善了電動(dòng)機(jī)的工作狀況，提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和工作效率，在相同井況和相同沖速下，節(jié)電率可達(dá)14%以上[4]。

3 結(jié)論

1）游梁式抽油機(jī)儲(chǔ)能裝置作為輔助設(shè)備，可以加裝在不同平衡方式的游梁式抽油機(jī)上進(jìn)行能量的二次平衡，降低周期性速度波動(dòng)，改善電動(dòng)機(jī)工作狀況，系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，節(jié)電效果顯著。

2）游梁式抽油機(jī)儲(chǔ)能裝置為全機(jī)械裝置，耐用可靠，操作維修簡(jiǎn)單。

3）游梁式抽油機(jī)儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，技術(shù)兼容性好，可獨(dú)立使用，也可與其他節(jié)能設(shè)備結(jié)合使用，制造成本低，易于推廣。

[1]蕭南平．節(jié)能蓄能器及游梁式抽油機(jī)節(jié)能動(dòng)力裝置[J]，石油機(jī)械，1997，25（2）:28-29.

[2]鄭文緯，吳克堅(jiān)．機(jī)械原理[M]．7版.北京:高等教育出版社,2006:99-105.

[3]濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．7版.北京:高等教育出版社,2005:151-156.

[4]袁夢(mèng)杰．改善抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)性能的措施分析[J]，現(xiàn)代制造, 2009（24）:31-32.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.007

2016-06-29

（編輯 王艷）

張丹丹，工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)），從事采油工程相關(guān)工作，E-mail：cy7_zhangdandan@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大同區(qū)大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163517。