趙海暉 綦耀光 杜宏偉 陳波 毛建平 孫軍中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院

主機(jī)構(gòu)為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)性能分析與評(píng)價(jià)

趙海暉 綦耀光 杜宏偉 陳波 毛建平 孫軍
中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院

為了對(duì)主機(jī)構(gòu)為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的新型抽油機(jī)進(jìn)行性能分析與評(píng)價(jià)，本文給出了其運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析的解析方法。結(jié)合典型樣機(jī)的尺寸，分析了該抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特性、主要構(gòu)件的受力特征和減速箱上的力矩特征。分析表明：該抽油機(jī)極位夾角較大，上沖程的懸點(diǎn)速度可近似為勻速，對(duì)于特定的示功圖，有節(jié)能效果。但上、下沖程的運(yùn)動(dòng)平順性較差，一般需采用游梁平衡方式，曲柄作用在游梁上的載荷較大且方向交變。該結(jié)構(gòu)適合在低沖次、小型抽油機(jī)選用。

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；抽油機(jī)；性能分析

抽油機(jī)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成懸點(diǎn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，是目前油田應(yīng)用最多的三抽采油裝備中的地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備。高需求量和不同的運(yùn)動(dòng)要求，促使新型抽油機(jī)不斷涌現(xiàn)［1-4］。業(yè)界人士從改變抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、改善抽油桿柱工作性能的角度不斷研發(fā)新型節(jié)能抽油機(jī)［5-7］，例如有的學(xué)者設(shè)想將牛頭刨床的主機(jī)構(gòu)（導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)）旋轉(zhuǎn)90°，并高架得到一種新型的抽油機(jī)［8-9］。新型抽油機(jī)的出現(xiàn)，既豐富了采油設(shè)備的類型，推動(dòng)了設(shè)計(jì)水平的提升和發(fā)展，也為機(jī)型選用帶來了新的問題。故對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析和認(rèn)識(shí)并為油田選型提供依據(jù)是當(dāng)前亟需解決的問題。本文給出了一種油田新近使用的以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)力學(xué)性能分析方法，分析了其運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能，討論了該種抽油機(jī)選擇需注意的問題，為該抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和選型提供了支持。

1 以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)分析Structure of beam pumping units with guide bar mechanism

該抽油機(jī)外形如圖1所示，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

圖1　新型導(dǎo)桿型抽油機(jī)Fig.1 Beam pumping units with guide bar mechanism

圖2　新型導(dǎo)桿型抽油機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖Fig.2 Diagram of mechanical movement

該抽油機(jī)采用電機(jī)-皮帶-減速箱傳動(dòng)，減速箱輸出軸帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，通過擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成導(dǎo)桿的擺動(dòng)，帶動(dòng)與導(dǎo)桿固結(jié)成90°布局的游梁擺動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)驢頭實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)以完成抽油動(dòng)作。由圖2可知，由于曲柄的布局設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)角度的差異，使得在曲柄上布置平衡重較為困難，因此，現(xiàn)場普遍采用游梁平衡方式實(shí)現(xiàn)該抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的平衡［10］。由機(jī)構(gòu)的組成原理［11］可知，導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)比曲柄搖桿機(jī)構(gòu)更容易獲得較大的極位夾角。該抽油機(jī)的極位夾角等于游梁的擺角，一般為30～40°，遠(yuǎn)大于目前以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的常規(guī)游梁式抽油機(jī)（通常為8～12°）。如果抽油機(jī)的曲柄為勻速運(yùn)動(dòng)，則其上沖程的平均速度將顯著小于下沖程的平均速度，具有顯著的急回特性。這有助于降低抽油機(jī)減速箱的力矩，降低驅(qū)動(dòng)功率，具有一定節(jié)能意義，但對(duì)懸點(diǎn)的示功圖和平衡有較高的要求。該抽油機(jī)必須采用游梁平衡方式，按照抽油機(jī)設(shè)計(jì)的一般認(rèn)識(shí)［5］，其平衡效果將優(yōu)于目前廣泛采用的曲柄平衡方式。可見，該抽油機(jī)有可能有較好的節(jié)能效果，但其是否節(jié)能和滿足油田的工作狀況，需通過力學(xué)分析求出其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征才能做出較為準(zhǔn)確的判斷。

2 以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析Movements of beam pumping units with guide bar mechanism

從圖2所示的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖可知，取O1為坐標(biāo)原點(diǎn)，則游梁的擺角φ3可以用下式計(jì)算

式中，l1為曲柄半徑，m；l4為機(jī)架高度，m；φ1為曲柄與x軸正向的夾角，rad；φ3為游梁的擺角，rad。

游梁的最大上擺角φ3max為

該抽油機(jī)的游梁擺角為2φ3max，從導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)可知其極位夾角也為2φ3max。則，懸點(diǎn)的位移為

s=l（3φ3+φ3max） （3）

式中，l3為游梁前臂長度，m；s為懸點(diǎn)的位移，m。

由機(jī)構(gòu)簡圖中幾何關(guān)系可知

l1cosφ1cos φ3=（l4-l1sinφ1） sinφ3（4）

上式兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可求出游梁的角速度ω3的表達(dá)式為

由公式（5）可得，懸點(diǎn)速度的表達(dá)式為ν3=l3ω3（6）

對(duì)公式（5）求導(dǎo)，可求出游梁角加速度α3的表達(dá)式為

從式（7）可以得到，該抽油機(jī)的懸點(diǎn)加速度a3為

3 以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析Kinetic features of beam pumping units with guide bar mechanism

取游梁為受力構(gòu)件，如圖3所示，該抽油機(jī)游梁受到曲柄通過滑塊作用在導(dǎo)桿上的力F23，機(jī)架作用在游梁上的力F43，同時(shí)游梁受到懸點(diǎn)載荷、平衡重的作用?？紤]游梁的加速度變化，可以將慣性力矩考慮在內(nèi)，取游梁對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心O2點(diǎn)的力矩平衡，有

圖3　游梁受力分析Fig.3 Diagram for stresses on the beam

式中，F(xiàn)23為曲柄通過滑塊作用在游梁（擺桿）上的力，N； M13=I3a3，為游梁組件的慣性力矩，N·m；Q為懸點(diǎn)載荷，m；Qp為平衡重，N；l3'為游梁后臂長，m；l31為曲柄對(duì)游梁的力作用點(diǎn)到游梁轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，m；可以用下式計(jì)算

考慮游梁的力平衡，有

取曲柄為受力體（如圖4所示），對(duì)O1點(diǎn)取力矩平衡，則維持曲柄勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，需要作用在曲柄上的驅(qū)動(dòng)力矩為

考慮曲柄的平衡，機(jī)架作用在曲柄上的力為

式中，Qp1、lp1、τ1為曲柄平衡的重力、質(zhì)心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離、異相角，單位分別N、m、rad；F41為機(jī)架作用在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力，N；F43為機(jī)架作用在游梁轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力，N。

圖4　曲柄受力分析Fig.4 Diagram for stresses on the crank

依據(jù)上述公式，可以對(duì)典型的以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

4 實(shí)例分析Case studies

4.1典型抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性分析

Kinetic features of typical pumping units

設(shè)某型號(hào)抽油機(jī)的機(jī)架高度l3為3.5 m，游梁擺角為57o，沖程4.2 m，其曲柄半徑為l1為1.67 m，抽油機(jī)上沖程對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角為237o，下沖程為123o，當(dāng)沖次為4時(shí)，懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖5所示。

圖5　沖次為4、沖程為4.2 m典型抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5 Movements of typical pumping units with 4 strokes and travel of 4.2 m

由圖5可以看出，該抽油機(jī)上沖程的速度特性變優(yōu)，近似勻速運(yùn)動(dòng)（圖5b），這有利于三抽系統(tǒng)上沖程的工作性能。但該抽油機(jī)上下沖程運(yùn)動(dòng)一致性變壞，下沖程懸點(diǎn)加速度顯著大于常規(guī)游梁式抽油機(jī)（一般游梁式抽油機(jī)的懸點(diǎn)最大加速度在1.8～2.5 m/s2左右，該抽油機(jī)最大為8 m/s2），這將影響抽油機(jī)本身的動(dòng)力平穩(wěn)性和抽油桿柱振動(dòng)特性，影響三抽系統(tǒng)的正常平穩(wěn)工作，需要研究降低最大懸點(diǎn)加速度的方法。

如果提升該抽油機(jī)機(jī)架的高度，將機(jī)架高度從3.5 m增加到4.2 m，仍維持游梁擺角為1弧度，則對(duì)應(yīng)的曲柄半徑將從1.67 m增至2.05 m，其懸點(diǎn)加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖6所示。對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)：盡管大幅度增加了抽油機(jī)的整機(jī)高度，但懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性并無顯著變化。減小游梁的擺角，也將影響懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：如果將曲柄的半徑從2.05 m降至1.5 m，則游梁擺角為42o，所需游梁前臂的長度則從4.2 m增加到5.75 m，懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖7所示。對(duì)比圖5和圖6 可以看出，抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)平滑性變優(yōu)，但上沖程懸點(diǎn)的加速度顯著增加。

圖6　改變支架高度后抽油機(jī)的懸點(diǎn)加速度變化規(guī)律Fig.6 Changes in accelerations of suspension points of pumping unit with heights of supporting rack changed

圖7　減少曲柄半徑及增加游梁前臂長度后的懸點(diǎn)加速度變化規(guī)律Fig.7 Changes in accelerations of suspension points of pumping unit with radius of the crank reduced and with the prolonged forearm of the beam

從上面分析可以看出，由于該抽油機(jī)的極位夾角過大，其懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)平順性較差，這不利于改善三抽系統(tǒng)的整體動(dòng)力學(xué)性能。因此，從運(yùn)動(dòng)分析可以看出：該類抽油機(jī)更適合在低沖次、小沖程工況下工作。

4.2典型抽油機(jī)的動(dòng)力特性分析

Kinetic features of typical pumping units

對(duì)于上述抽油機(jī)，對(duì)于圖8所示的懸點(diǎn)靜力示功圖，當(dāng)沖次為6次/ min時(shí)，配重為81 kN時(shí)實(shí)現(xiàn)平衡，曲柄作用在游梁上力的變化規(guī)律如圖9所示，減速箱力矩的變化如圖10所示?？梢钥闯觯呵c游梁之間的作用力較大，且方向是交變的，減速箱上的力矩特性較游梁式抽油機(jī)［2］的力矩特性沒有根本的變化，峰值力矩和負(fù)扭矩均變大，表明該抽油機(jī)沒有優(yōu)于游梁式抽油機(jī)的節(jié)能效果。盡管抽油機(jī)支架承受的水平載荷了有下降，但不明顯。

圖8　抽油機(jī)受力分析的靜力示功圖Fig.8 Indicator diagram for static stresses on suspension point of the pumping unit

圖9　曲柄通過滑塊作用在游梁上的力Fig.9 Stresses of the crank on the beam through the slider

圖10　抽油機(jī)減速箱上的力矩變化規(guī)律Fig.10 Changes in torques of gear box in the pumping unit

圖11　沖次為1次/分時(shí)抽油機(jī)減速箱上的力矩變化規(guī)律Fig.11 Changes in torques of gear box in the pumping unit with 1 stroke/m

如果將該抽油機(jī)的沖次從6次降為1次，則該抽油機(jī)在平衡重為81 kN時(shí)將達(dá)到基本平衡，減速箱上的力矩曲線如圖11所示，力矩曲線變化相對(duì)平緩，最大值小于78 kN·m，與游梁式抽油機(jī)相當(dāng)。而負(fù)扭矩為35 kN·m，較常規(guī)游梁式抽油機(jī)偏大。

5 結(jié)論Conclusions

（1）本文給出了該種新型抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析方法，為該新型抽油機(jī)設(shè)計(jì)與分析提供了依據(jù)。

（2）通過對(duì)典型抽油機(jī)分析可發(fā)現(xiàn)，該抽油機(jī)（以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)）更適合小沖程、低沖次的工作狀態(tài)。對(duì)于大型抽油機(jī)，過大的極位夾角對(duì)于改善其運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能并無顯著優(yōu)勢。抽油機(jī)減速箱的力矩變化較大，負(fù)扭矩和峰值扭矩較大，節(jié)能效果不明顯。

（3）該抽油機(jī)曲柄銷與導(dǎo)桿之間屬移動(dòng)副，受力方向交變，這對(duì)潤滑和結(jié)構(gòu)制造精度有一定的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。

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（修改稿收到日期 2015-12-26）

（編輯景 暖）

Analysis and assessment on performance of beam pumping units with guide bar mechanism

ZHAO Haihui， QI Yaoguang， DU Hongwei， CHEN Bo， MAO Jianping， SUN Jun
College of Mechanical Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China

For analysis and assessment on performance of a state-of-art pumping units with guide bar mechanism， analytic methods were provided in this paper for analyzing their movements and kinetic features. Depending on the dimension of the prototype， movements and kinetic features of suspension points in the pumping units， together with stresses on major components and torques of the gear box were determined. The results show that the pumping units have relatively high crank angles between extreme positions. Velocities of suspension point during upward stroke can be seen as constant approximately. These movements may contribute to energy conservation in certain indicator diagrams. However， movements in upward and downward strokes displayed poor smoothness. Consequently， beams may be deployed to balance the system. Crank may produce significant stresses with alternating directions on the beam. The pumping units with this structure can effectively satisfy demands of miniature pumping units with low strokes in oilfields.

guide bar mechanism； pumping unit； performance analysis

ZHAO Haihui， QI Yaoguang， DU Hongwei， CHEN Bo， MAO Jianping， SUN Jun. Analysis and assessment on performance of beam pumping units with guide bar mechanism［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 272-276.

TE933

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0272 -05

10.13639/j.odpt.2016.02.027

國家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAH26F04），國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51174224）聯(lián)合資助。

趙海暉（1971-），副教授，碩士生導(dǎo)師，從事采油機(jī)械方面研究和教學(xué)工作。通訊地址：（266580）山東省青島市長江西路66號(hào)中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院。電話：0532-86988709。E-mail：zhaohaihui@upc.edu.cn

綦耀光（1957-），教授，博導(dǎo)，主要從事采油機(jī)械方面研究和教學(xué)工作。通訊地址：（266580）山東省青島市長江西路66號(hào)中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院。電話：0532-86988819。E-mail：qiyg57@126.com

引用格式：趙海暉，綦耀光，杜宏偉，陳波，毛建平，孫軍.主機(jī)構(gòu)為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的游梁式抽油機(jī)性能分析與評(píng)價(jià)［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：272-276.