王 旭，梁健偉，安斯遠(yuǎn)，趙飛鵬，王 洋

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著油田開采的不斷深入，低滲透油田的發(fā)現(xiàn)數(shù)量越來越多，目前我國已探明的低滲透油田占到新發(fā)現(xiàn)油藏的一半以上［1-2］。低滲透油田具有油層儲層滲透率低、豐度低、產(chǎn)量低的特點，相比普通油田而言，其開采難度與開發(fā)成本較高［3］。若在低滲透油田的開采中仍使用常規(guī)的游梁抽油機，會使抽油機的泵效降低［4］。

國內(nèi)的研究人員對現(xiàn)有抽油機進(jìn)行了改進(jìn)，針對低滲透油井研制了新型抽油機［6-13］。常宇榮［6］等提出了一種蝸輪蝸桿傳動抽油機，采用了蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，能夠為抽油機提供單級的大傳動比，使抽油機能實現(xiàn)低沖次的采油工作，并且減小了抽油機的尺寸。邵軍［7］等提出了一種齒輪導(dǎo)桿式抽油機，將齒輪齒條機構(gòu)應(yīng)用于導(dǎo)桿抽油機，利用不完全齒輪與齒條進(jìn)行嚙合換向，與常規(guī)游梁抽油機相比，降低了電機功率。李杰等［8］提出了一種輪轂電機驅(qū)動的齒輪齒條抽油機，簡化了結(jié)構(gòu)并且無需減速器，降低了成本。王磊［9］等提出了一種新型傳動抽油機，利用齒輪齒條傳動替代了常規(guī)游梁抽油機的曲柄連桿機構(gòu)，提高了整機效率。田珍珍［10］等提出了一種橢圓齒輪抽油機，在常規(guī)齒輪齒條抽油機的基礎(chǔ)上，將橢圓齒輪加入三級減速器中，改善了抽油機在換向時受到的振動沖擊。李紅才［11］提出了一種超低沖次的抽油機方案，采用了三級四軸減速器，使抽油機的最低沖次達(dá)到了1.5 次/min。汪斌［12］等整理了調(diào)小沖次的方法，主要包括采用變頻調(diào)速、采用大傳動比三級減速器+電機、增加中間減速裝置、采用超低轉(zhuǎn)速大啟動扭矩電動機等，為他人提供借鑒。楊洋洋等［13］開發(fā)柔性超長沖程抽油機，并對其運動特性及懸點載荷開展了分析，確定了長沖程抽油機懸點載荷的計算方法。

綜上所述，本文針對超低滲透油田生產(chǎn)需求［14］，提出一種天車輪式齒條抽油機方案，采用大傳動比減速器幫助抽油機降低沖次的方法，設(shè)計并使用少齒差齒輪減速器為抽油機提供大傳動比，目標(biāo)是使該抽油機最低沖次能達(dá)到1 次/min。還對抽油機進(jìn)行了運動學(xué)及運動特性影響因素分析。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 少齒差齒輪減速器結(jié)構(gòu)及原理

少齒差齒輪減速器屬于漸開線行星齒輪減速器中的一種，其單級傳動比i 為10～100，而常規(guī)的圓柱齒輪減速器單級傳動比i≤8，少齒差齒輪減速器可提供的傳動比更大。為了實現(xiàn)更低的沖次，本方案設(shè)計并采用了少齒差齒輪減速器。依據(jù)抽油機的生產(chǎn)需求，對少齒差齒輪減速器的傳動比按i ＝188 進(jìn)行了設(shè)計，以獲取1 次/min的超低沖次。圖1 為漸開線少齒差行星齒輪減速器的剖面視圖。采用了雙內(nèi)嚙合（NN）型傳動，由兩對漸開線少齒差齒輪副組成，共同完成減速，不需要其他輸出機構(gòu)。由于設(shè)計的所需傳動比i ＞28，為提高傳動效率，采用了內(nèi)齒輪進(jìn)行輸出［15］，其傳動形式如圖2 所示。其主要工作原理是內(nèi)齒輪2 固定，電機的動力經(jīng)帶傳動至少齒差齒輪減速器偏心軸，帶動雙聯(lián)齒輪1、3 自轉(zhuǎn)及圍繞中心公轉(zhuǎn)，雙聯(lián)齒輪1、3 連為一體，外齒輪3再帶動內(nèi)齒輪4，使內(nèi)齒輪4 作低速輸出。

圖1 少齒差齒輪減速器的剖面視圖

圖2 NN型減速器的傳動形式

常規(guī)游梁抽油機使用的三級齒輪減速器傳動比在80～140，最低可實現(xiàn)抽油機沖次為1.5 次/min，本文的少齒差齒輪減速器傳動比為188，可使抽油機實現(xiàn)最低沖次為1 次/min，讓抽油機降低了沖次，提升了泵效。并且常規(guī)游梁抽油機三級齒輪減速器要進(jìn)行三級減速，減速器結(jié)構(gòu)尺寸比較大，在實現(xiàn)沖次為1.5 次/min 時，中心距能達(dá)到900 mm，而本文的少齒差齒輪減速器采用NN型內(nèi)嚙合傳動，充分利用了傳動空間，減小了尺寸，在提供傳動比為188 時，其中心距為2.4 mm，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

1.2 抽油機結(jié)構(gòu)及原理

圖3 為天車輪式齒條抽油機的總體結(jié)構(gòu)示意圖，包括傳動部分、換向部分、平衡部分、機架等。傳動部分將電動機的動力經(jīng)聯(lián)軸器傳遞到少齒差齒輪減速器的輸出軸上，為抽油機提供較大的傳動比，以實現(xiàn)低沖次采油。換向部分由轉(zhuǎn)盤、固定銷軸、長桿、齒輪齒條、天車輪等構(gòu)成。少齒差齒輪減速器輸出軸帶動轉(zhuǎn)盤逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上的固定銷軸在長桿的滑槽內(nèi)滑動并推動長桿在機架頂部的軌道上進(jìn)行左右的往復(fù)直線運動。同時，長桿上的齒條與齒輪嚙合傳動，使得與齒輪通過軸相連接的天車輪進(jìn)行往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，從而完成采油作業(yè)。

圖3 天車輪式齒條抽油機結(jié)構(gòu)示意圖

2 運動學(xué)分析

本文對抽油機懸點的運動特性曲線進(jìn)行分析，分別包括懸點位移、速度、加速度曲線，為動力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。

天車輪式齒條抽油機的換向機構(gòu)簡圖如圖4 所示。圖4 中，以懸點處于下死點（即抽油桿處于最低位置）時，固定銷軸所對應(yīng)位置A 作為機構(gòu)運動的起始點。此時，滑槽位于轉(zhuǎn)盤上的A點。懸點處于上死點時候（即抽油桿處于最高位置）時，固定銷軸所對應(yīng)位置為B點。任一時刻，固定銷軸所在位置與初始位置間的夾角為θ，以逆時針為正。

圖4 換向機構(gòu)運動簡圖

（1）懸點位移

根據(jù)余弦定理可得，當(dāng)轉(zhuǎn)盤由初始位置轉(zhuǎn)動任意角度θ時，懸點的位移S為：

式中：θ為轉(zhuǎn)盤由初始位置轉(zhuǎn)動任意角度，（°）；R為固定銷軸的回轉(zhuǎn)半徑，R1為齒輪半徑，R2為天車輪半徑，m。

（2）懸點速度

將位移對時間求導(dǎo)可求得任一時刻懸點的速度為：

（3）懸點加速度

將速度V關(guān)于時間t 求導(dǎo)數(shù)，即可求得任一時刻懸點的加速度為：

3 實例計算

本節(jié)將驗證在沖次為1 次/min 時，常規(guī)游梁抽油機與天車輪式齒條抽油機的運動性能，并進(jìn)行對比分析。

3.1 基本參數(shù)

以某油田8 型抽油機［16］機構(gòu)參數(shù)為參考，其機構(gòu)參數(shù)如表1 所示，天車輪式齒條抽油機參數(shù)為R ＝1.5 m，R1＝1 m，R2＝1 m。

表1 CYJ－8－3－37HB型常規(guī)抽油機機構(gòu)尺寸

3.2 計算結(jié)果

在Matlab中編寫程序，將8 型抽油機尺寸參數(shù)及天車輪式齒條抽油機的參數(shù)R ＝1.5 m，R1＝1 m，R2＝1 m，N ＝1 次/min分別導(dǎo)入其程序里，可得抽油機的加速度曲線如圖5 所示。由圖可得，在沖程、沖次相同的情況下，天車輪式齒條抽油機的加速度曲線相比常規(guī)游梁抽油機的加速器的曲線變化的幅度更小，說明它比常規(guī)游梁式抽油機運行的更加平穩(wěn)。并且抽油機的慣性載荷取決于懸點加速度的大小，懸點加速度越小則慣性載荷越小。在沖次為1 次/min 時，天車輪式齒條抽油機的最大加速度為0.016 4，常規(guī)游梁抽油機的最大加速度為0.024 3。天車輪式齒條抽油機最大加速度比常規(guī)游梁抽油機的最大加速度降低了約32.5%，說明運行時受到的沖擊更小一點。

圖5 1次/min下抽油機加速度曲線對比

3.3 懸點運動特性影響因素分析

3.3.1 不同沖次對抽油機運動特性的影響

在抽油機沖程一定時，改變沖次，研究其對抽油機運動特性的影響。取沖程為3 m，沖次分別為1、1.5、2次/min，利用Matlab進(jìn)行編程，繪制運動特性曲線如圖6—8 所示。

圖6 不同沖次下的位移曲線

從圖6 可以看出，3 個不同沖次的懸點位移曲線重疊在了一起，表明沖次的高低不會改變抽油機的沖程大小及位移曲線的形狀，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角的變化，懸點位移由零逐漸變大，最大沖程仍為3 m，并且上下沖程的位移曲線是對稱的。

從圖7 可以看出，隨著沖次的增大，抽油機懸點速度隨之增大，沖次越低，抽油機的速度曲線越加平緩，抽油機運行得也更加平穩(wěn)，抽油機沖次N 分別為1、1.5、2 次/min時，其懸點的最大速度分別為0.157 1、0.235 6、0.314 2 m/s，速度曲線的形狀類似于正弦曲線，以沖次為1 次/min 時為例，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為90°時候，懸點速度為0.157 1m/s；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為270°時，懸點速度為-0.157 1m/s，這表明在上下沖程到一半的時候，它們的懸點速度都達(dá)到最大值，并且上下沖程的懸點最大速度大小一樣大。

圖7 不同沖次下的速度曲線

從圖8 可以看出，隨著沖次的增大，抽油機懸點加速度越來越大，抽油機沖次越低，則啟動時所受到的沖擊越小，抽油機沖次N為1、1.5、2 次/min 時，其懸點的最大加速度分別為0.016 4、0.037 0、0.065 8，速度曲線的形狀類似于余弦曲線，以沖次為1 次/min 時為例，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為0°時，其加速度大小為0.016 4，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為180°時，其加速度為-0.016 4，表明在啟動和換向時，抽油機的加速度達(dá)到最大值，并且啟動時和換向時的加速度的大小相同。

圖8 不同沖次下的加速度曲線

3.3.2 不同固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑對抽油機運動特性的影響在抽油機沖次一定時，改變固定銷軸的回轉(zhuǎn)半徑，研究其對抽油機運動特性的影響。取沖次為1 次/min，固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑分別為0.6、0.8、1 m，利用Matlab進(jìn)行編程，繪制運動特性曲線如圖9—11所示。

圖9 不同回轉(zhuǎn)半徑下的位移曲線

從圖9 可以看出，隨著固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑的變化，抽油機位移曲線的發(fā)生改變，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑R分別為0.6、0.8、1 m時，其沖程分別為1.2、1.6、1 m，這表明固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑越大，則沖程越大，但上下沖程的運動規(guī)律仍是一致的。

從圖10 可以看出，隨著固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑的增大，懸點的最大速度也在增大，但最大速度仍位于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為90°和270°處，以回轉(zhuǎn)半徑為1 m時為例，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角分別為90°和270°時，抽油機的懸點速度大小均為0.104 7 m/s，方向相反。

圖10 不同回轉(zhuǎn)半徑下的速度曲線

從圖11 可以看出，當(dāng)沖次一定時，固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑越大，則抽油機的起動加速度越大，且上下沖程的最大加速度的大小一樣大。

圖11 不同回轉(zhuǎn)半徑下的加速度曲線

4 結(jié)束語

本文針對低滲透油田的特點，提出了一種天車輪式齒條抽油機的方案。設(shè)計并采用少齒差齒輪減速器進(jìn)行傳動，在選用原有泵徑、沖程的基礎(chǔ)上，使抽油機最低沖次由1.5 次/min降至1 次/min，滿足了超低滲油田的生產(chǎn)需要，提高了泵效并減小了抽油機尺寸。同時，在抽油機沖次為1 次/min的條件下，對比了天車輪式齒條抽油機與常規(guī)游梁抽油機的懸點加速度曲線，發(fā)現(xiàn)天車輪式齒條抽油機運行更加平穩(wěn)，運行時懸點最大加速度比常規(guī)游梁抽油機的最大加速度降低超過32.5%，在運行時受到的沖擊更小。分析還發(fā)現(xiàn)沖次對懸點的運動特性有影響，但沖次的高低不會改變抽油機位移曲線的規(guī)律，沖次越低，抽油機運行得越平穩(wěn)，受到的沖擊也越小。固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑越大，抽油機的沖程、速度、加速度也越大。