新型棘轮换向长冲程抽油机设计

韩成才,马健强,刘剑辉,魏晓娟

(1.西安石油大学机械工程学院,西安710065;2.吐哈油田公司机械厂,新疆哈密838202)

新型棘轮换向长冲程抽油机设计

韩成才1,马健强1,刘剑辉1,魏晓娟2

(1.西安石油大学机械工程学院,西安710065;2.吐哈油田公司机械厂,新疆哈密838202)

设计的新型棘轮换向长冲程抽油机采用棘轮自动换向变速箱,通过棘轮和换向系统实现变速箱输出轴的正反向旋转,进而实现抽油机的上、下冲程;采用塔架结构实现长冲程采油;平衡系统采用天平式平衡原理设计,并进行了力学分析。现场试验表明,该抽油机能大幅度降低能耗,对油田节能增效将产生重大的影响。

抽油机;棘轮换向;长冲程;天平平衡;设计

长期以来,我国油田开发主要采用游梁式抽油机,尽管游梁式抽油机可靠性高,但其运行效率低,能耗大,使得原油开发成本高,不能适应节能降耗发展的需求,而且常规型抽油机难以实现长冲程和大负荷,因此各种新型无游梁式抽油机应运而生[1-4]。本文设计了一种具有长冲程、大载荷、效率高、适应性强等优点的新型棘轮换向长冲程抽油机。

1 结构组成及工作原理

新型棘轮换向长冲程抽油机由电机、棘轮换向减速箱、滚筒、宽皮带、刹车机构、抽油机塔式机架、平衡系统等组成,总体结构如图1。

1.1 工作原理

棘轮换向变速箱调定冲程和冲次工作制度后启动电机,电机带动变速箱旋转。上冲程时,电机带动变速箱正方向旋转,电机和平衡系统释放能量带动传动滚筒正向旋转,传动滚筒带动皮带和抽油杆向上运动,抽油机完成上冲程;当抽油机运动到达设定的上死点位置时,变速箱液压系统换向,电机带动变速箱反方向旋转,平衡重上行,抽油杆带动皮带下行完成下冲程;到达下死点位置时,变速箱液压系统换向,如此反复循环完成抽油机的上、下冲程。

图1 新型棘轮换向长冲程抽油机总体结构

1.2 性能参数

悬点载荷 100 kN

光杆冲程 0～10 m

悬点冲次 0～15 min-1

减速器传动比 12

电机功率 15 kW

1.3 棘轮换向变速箱

1.3.1 结构

棘轮换向变速箱是棘轮换向长冲程抽油机的核心部件,结构如图2。主要由输入轴、导向轴、输出轴、凸轮、棘轮、换向系统等组成。在输入轴上设计了2组6个凸轮,自左向右分别编号为1～6,每个凸轮安装相位差为120°,凸轮轮廓线分为上行程区、远休止区、下行程区、近休止区4个区域,凸轮的工作区域在上、下行程区。输出轴上对应安装了6个棘轮,编号及分组与凸轮轴相同,每个棘轮有12个棘齿,1～3号棘轮与4～6号棘轮齿向相反,每个棘轮棘齿相位差为10°,1～3号棘轮驱动输出轴正转,4～6号棘轮驱动输出轴反转,2组棘轮之间的换向通过液压换向系统控制。当输出轴正转时,1～3号棘爪与棘轮通过液压缸作用啮合,4～6号棘爪与棘轮在液压缸作用下脱开;当输出轴反转时,2组棘爪与棘轮在换向装置的作用下正好相反。凸轮与棘轮通过连杆、导向拉板、拉板、棘爪传动[5]。

1.3.2 工作原理

图2 棘轮换向变速箱结构原理

电机通过皮带轮带动输入轴旋转时,固定在输入轴上的凸轮机构使安装在凸轮上的摆杆产生左右、上下摆动,摆杆带动套在限位轴上的导向拉板上下往复运动,导向拉板与左右对称的鼓形拉板上端连接,左、右拉板下端分别与左、右液压缸连接。左、右液压缸在控制行程的液压换向阀控制下实现一退一进。在导向拉板的带动下,鼓形拉板及其棘爪上下运动,棘爪与棘轮上的轮齿啮合拉动棘轮正转或反转,使输出轴顺时针或逆时针方向旋转,进而实现抽油机上、下冲程。

1.4 抽油杆断杆平衡重安全保护装置

抽油杆断杆平衡重安全保护装置结构如图3,由2部分组成:一部分是失载扩张卡块机构,固结于平衡箱上;另一部分是导轨式楔座机构,安装于机架后侧两边立腿上。正常工作时,在钢丝绳拉力作用下弹簧处于压缩状态,失载扩张卡块机构随平衡箱在导轨式楔座机构导轨内往复运动;当出现抽油杆突然断杆时,连接平衡重与悬点的钢丝绳突然失载,这时失载扩张卡块机构的扩张卡块自动张开,立即卡在导轨式楔座机构的楔座上,从而使平衡重箱安全地卡坐在机架上,不会突然砸向地面,保护设备和人员的安全[6]。

图3 平衡重保护装置结构

1.5 液压式碰泵装置

油田常用的碰泵方法是用修井机或通井机提起抽油杆柱,然后释放杆柱进行碰泵作业,作业时需要人工手扶光杆来上、卸方卡瓦,由于与司钻配合不默契,或方卡瓦滑脱,经常发生伤人事故,安全性极差。设计的专用液压式碰泵装置包括2部分:一部分为轻便型辅助油源,独立于抽油机;另一部分为空心碰泵油缸,通过Ⅱ字形油缸托架固结于悬绳器上。安装时,将光杆穿过油缸空心柱塞,光杆头用方卡瓦预先卡坐在空心柱塞头上。进行抽吸作业时,碰泵装置不工作。需要碰泵时,抽油机停止工作,悬绳器置于确定的高度,通过液压快卸接头连接辅助油源和碰泵油缸,油源给油缸提供压力油,使油缸空心柱塞向上伸出,带动光杆及抽油杆柱向上运动,达到碰泵高度后,操作油源换向阀换向,改变油缸供油方向,从而使抽油杆柱在自重力和油柱重力作用下快速下落,实现碰泵作业。

1.6 塔式机架

由于不需要外部运动形式的转换机构,所以机架设计成塔架式结构,塔架高度可根据油井工况(柱塞泵冲程要求)加节或减节进行调节。该结构节省抽油机占地面积,特别适合于长冲程或超长冲程油井抽油[7]。

1.7 修井让位机构

修井让位机构由皮带天车轮和导轨组成的可移动部件、机架导轨槽组成。当需要修井作业时,不必将抽油机整机后移,让位机构可通过导轨向后移动,使皮带天车轮与井口偏离800 mm,以满足修井作业的要求。

2 悬点运动规律

游梁式抽油机悬点运动通常为简谐运动规律。抽油机在举升油柱的过程中,变速运动会产生很大的惯性损失,为了克服惯性损失,需要配置较大的功率。若使悬点运动按照图4(以抽油机下死点位置为起点)的速度规律运动,就会大大减小惯性损失,减小抽油机功率配置,实现抽油机节能,并能降低抽油杆工作循环中的交变载荷幅度,延长抽油杆的使用寿命。

图4 棘轮换向长冲程抽油机悬点速度规律

变速箱内特殊设计的凸轮机构可使往复换向瞬间以外的其他时间均能达到匀速往复运动,从而使变速箱输出轴匀速转动,并通过链条跨过机架上的天车轮直接传到悬点,驱动光杆匀速往复直线运动,所以该机在工作过程中的惯性载荷只发生在换向瞬时,其他时间悬点无惯性载荷[8-9]。

根据棘轮换向长冲程抽油机悬点运动规律的要求,可以推导出变速箱输出轴的转速规律,进而得到每个棘轮的运动规律,并推导出连杆往复运动的规律,再对连杆运动速度积分得出凸轮的轮廓曲线。因此,通过对凸轮轮廓线的改变可以改善悬点的运动规律。

3 平衡理论

常规游梁式抽油机的平衡理论依据的原理是使电机上、下冲程做功相同,或使抽油机减速箱曲柄轴上、下冲程输出最大扭矩相同。本文设计的抽油机平衡系统采用了一种跷跷板式的全新的力平衡方式对抽油机工作进行平衡,平衡原理如图5,即抽油机根据井况(主要是悬点载荷)不同,配置不同质量的平衡重,该质量基本接近悬点载荷。在抽油机工作过程中,电机做功只需打破这种平衡关系,就能实现上、下冲程运动,完成油井举升作业,所以抽油机配置的电机功率会大大减小。

图5 棘轮换向长冲程抽油机平衡原理

棘轮换向长冲程抽油机的平衡调整是靠改变配重块的数量来改变平衡力的大小。抽油机平衡状况的好坏直接影响电机提升力的大小和使用寿命以及整机运转平稳性。棘轮换向长冲程抽油机的平衡理论表示为

式中,FG为抽油杆在井液中的重力,N;FY为油管内和柱塞上的液柱重力,N;G为平衡重重力,N。

上冲程为

下冲程为

式中,T为减速器输出扭矩,N·m;R为滚筒半径, m;Δ为柱塞与泵筒和抽油杆接箍与油管之间的摩擦阻力、抽油杆柱和液柱运动产生的惯性载荷及振动载荷之和,N。

常规游梁式抽油机由于平衡重是在圆周方向运动,因此不可能完全平衡,即悬点载荷扭矩曲线和平衡重扭矩曲线不能完全抵消,导致减速器输出轴净扭矩曲线上下峰值波动大,且存在较大的负扭矩,从而使电机输出扭矩也大。因此可以看出,棘轮换向节能抽油机在平衡效果上优于常规游梁式抽油机。

4 使用效果

现场试验表明,该抽油机电机功率比同型号常规抽油机减小1/2左右,如10型常规抽油机配置电机通常为30 kW左右,而10型棘轮换向长冲程抽油机配置电机为15 kW;整体运转安全可靠,换向平稳,噪声小,节能效果达到25%以上。

5 结论

1) 新型棘轮换向长冲程抽油机利用棘轮减速器取代游梁抽油机的四连杆机构和减速器,缩短了抽油机的传动链,提高了传动效率,实现了抽油机上、下冲程在额定范围内连续可调。

2) 机架采用塔架结构,具有冲程较长、承受载荷大、结构简单、占地面积小等优点。

3) 采用天平平衡原理,即平衡重与光杆载荷基本相等的力平衡原理,大大降低了转矩的峰值和变化幅度,转矩接近稳定状态,使电机配置功率比同型号常规抽油机减小1/2左右。

[1] 张连山.增程式无游梁抽油机的现状与发展[J].石油机械,1997,16(3):53-55.

[2] 严少雄,白树泰.长冲程滚筒式液压抽油机[J].石油矿场机械,1998,17(3):32-38.

[3] 李新华.LDCJ14-6型链条式长冲程抽油机设计[J].石油矿场机械,1997,16(6):5-11.

[4] 张晓东,贾国超.关于我国抽油机发展的几点思考[J].石油矿场机械,2008,37(1):24-27.

[5] 路爱萍,何健辉.减速器:中国,200810025203.0[P]. 2008-04-29.

[6] 刘喜平.全平衡带式长冲程抽油机的动平衡装置[J].石油机械,2001,29(9):17-18.

[7] 马 强.塔架式长冲程抽油机原理及应用[J].石油矿场机械,2008,37(1):80-83.

[8] 张建成,王树行,孙 珀.摩擦换向抽油机悬点运动分析计算[J].石油矿场机械,2006,35(5):70-72.

[9] 张公社,石惠宁,许 涛.直线电机抽油机悬点运动规律[J].石油天然气学报,2006(4):143-145.

Design of New Rotation-changing by Ratchat Long Stroke Pumping Unit

HAN Cheng-cai1,MA Jian-qiang1,LIU Jian-hui1,WEI Xiao-juan2
(1.Department of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an710065,China; 2.Machinery Factory,Tuha Oilf ield Company,Hami838202,China)

In order to achieve better purpose of long stroke pumping unit with oil extraction,under meeting the premise of oil production technology requirements,a new changing-rotation by ratchat long stroke pumping unit’s structure’s principle design was developed.The automatic ratchat reducer through ratchet and change direction system were used to achieve gearbox output shaft’s rotation of the forward and backward,so as to achieve the pumping unit’s upper and lower stroke.The pumping unit tower structure was used to achieve long-stroke oil.The balance principle is used for balance system.Its mechanical analysis,balanced design was made as well. The on site operation showed that significant energy consumption was achieved,it brings a significant effect on energy-saving for oil fields.

pumping unit;ratchat change direction;long stroke;balance principle;design

1001-3482(2010)04-0061-04

TE933.102

A

2009-11-10

西安市科技计划项目(CXY09013(5))

韩成才(1962-),男,陕西蒲城人,副教授,硕士,1983年毕业于华东石油学院石油矿场机械专业,1991年毕业于西北工业大学航海工程专业研究生部,主要从事于水利机械和石油机械的研究和教学工作,E-mail:hcc_ 630426@163.com。