节能抽油机设计

曹立文，包长爽

（黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080）

0 引 言

按照抽油机的结构特点主要分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。抽油机经历多年的应用和技术发展，抽油机结构和功能都发生了巨大的变化。近年来，随着人类社会对原油的需求量增大，对原油深度开采能力提出了更高的技术要求，促进了多种结构和功能类型抽油机的出现，加速了抽油机的新技术发展［1－2］。

目前，国内游梁式抽油机仍然处在抽油机主导地位。游梁式抽油机不能实现长冲程低冲次的抽油技术要求，已经不能满足油田发展的需求。只有加快长冲程低冲次的抽油机的开发与生产，才能适应现代石油工业的快速发展。

无游梁式抽油机主要分为直线电机抽油机、液压抽油机、带式抽油机、曲柄带式抽油机等，这类抽油机由动力系统、控制系统、机架系统、刹车系统等构成，实现了机电一体化，具有自动化程度高、高智能、大载荷、长冲程、低冲次的特点，符合节能减排国家发展战略要求，节省了油田投资成本，提高开采效率。

鉴于现有抽油机的耗电量大，抽油效率低的问题，自行设计了一款节能抽油机。

1 节能抽油机总体设计

1．1 抽油机的组成

设计的节能抽油机是一种集机电一体化的无游梁抽油机，适用于长冲程、低冲次地区的工作要求。节能抽油机主要由安装平台、桁架部分、配重部分、悬绳器、动力系统、控制系统、刹车系统等组成。节能抽油机总体结构见图1。

1．2 抽油机主要参数确定

抽油机主要在野外油田作业，为了不对生产产生影响，其工作性能一定要保证稳定可靠。抽油机井架高度约10m，下泵深度约900m，抽油机24h不停做上下往复运动，抽油机的冲程为5m，上下工作3次／min。根据工作情况选择CYG22型抽油杆，其主要参数如下：杆横截面积380．12mm2，每根重量24．49kg，密度ρr＝8．05×103kg／m3。杆式泵的直径为44mm，理论排量27～138m3／d，柱塞冲程为1．2～6m。油管内径59mm，外径73mm，内压63．7MPa，抗挤强度65．8MPa。

图1 抽油机总图Fig．1 Layout of the oil pumping unit

悬点静载荷：

上冲程时，抽油泵下部固定阀打开，游动阀关闭，柱塞下部作用有油管外液柱的压力，悬点载荷包括抽油杆的重力和液柱的重量，悬点载荷为：

式中Wjs为上冲程悬点静载荷，kN；ρr、ρy分别为抽油杆和油井液体密度，kg／m3；g为重力加速度，m／s2；Fr、F分别为抽油杆和泵柱塞的横截面积，m2；L为下泵深度，m；hc为泵的沉深度，m。

下冲程时，游动阀打开，固定阀关闭，泵中液体与油管中的液体相通，液柱的重量不再作用在柱塞上，悬点静载荷为：

悬点动载荷：

由于悬点的运动是变速运动，抽油杆和液柱都受到加速度影响，所以产生惯性载荷，忽略弹性影响，假设抽油杆和液柱各点运动规律与悬点的运动规律一致。

配重块上冲程时惯性载荷为：Wgs＝Wrg＋Wyg＝ （Wr＋εWy）a／g，ε是由于柱塞直径与油管内径不同引起的，为液流加速度改变系数，如果过流截面积为Ft，则

当t＝2．21s时，加速度最大，由a＝－5t＋12．25得，a＝1．19m／s2，则上冲程惯性载荷为Wgs＝5．687kN。

配重平衡块下冲程时液体向上运动的加速度很小可忽略不计，所以惯性载荷为：

悬点载荷曲线图见图2，最大载荷为56．769kN。

图2 悬点载荷曲线图Fig．2 Load curve of suspension point

1．3 电机功率计算

在上冲程有最大载荷56．769kN，计算电动机功率时，作用在电动机上的力为通过配重平衡块平衡的一部分最大载荷，以及通过一级动滑轮作用在电机上的力：

则电机功率为：

式中V为绳线速度，m／s。

2 抽油机主要部件设计

2．1 平台设计

在电机、滚筒、制动器等型号和尺寸确定后，针对各部分部件的排布确定平台的整体尺寸，平台的长为4 100mm，宽为3 800mm，框架选用矩形冷弯空心型钢，材料为Q235，框架内部的支撑框架为矩形冷弯空心型钢。其结构见图3。

图3 平台结构图Fig．3 Structure diagram of platform

2．2 滚筒设计

现在普通型游梁抽油机的减速机构都使用二级齿轮减速机，虽然能够起到降速的作用，但其体积较大，质量较重。本设计中，将齿轮减速机换成滚筒，滚筒中采用摆线齿轮进行降速，相对于齿轮减速机，滚筒同样能够达到降速要求，但其优点是体积小，节省平台空间，与电机配合紧凑。钢丝绳绕在滚筒上，一端连接配重块，一端连接抽油杆［3－4］。滚筒的示意图见图4。

2．3 联轴器及制动器的选择

开关磁阻电机与滚筒之间的联轴器选择为LMZ－Ⅱ－250型带制动轮梅花形弹性联轴器，梅花联轴器由两个带有爪形的联轴器和梅花状的弹性垫组成，梅花垫放置于两个爪形联轴器之间，来实现两半联轴器的联接。LMZ－Ⅱ－250系列梅花形弹性联轴器当两轴线有偏移时，弹性元件产生相对应的弹性变形，起到自动补偿作用。对于起动频繁、正反转、中高速和可靠性要求高的场合可以使用梅花形弹性联轴器，见图5。

图4 滚筒结构示意图Fig．4 Schematic diagram of the drum structure

图5 联轴器Fig．5 Shaft coupling

抽油机在工作时，做上下往复运动，在频繁的工作过程中，为了防止断电或钢丝绳断裂情况的出现，需要在联轴器上加上制动器，制动器选为电力液压块式制动器。该制动器动作频率高，制动平稳，可靠。其外形及安装尺寸见图6。制动盘直径为250mm。

图6 制动器Fig．6 Brake

2．4 导轮支架的设计

在平台尺寸以及各部件位置确定后，可确定导轮支架的结构及尺寸，导轮支架的设计应该便于安装和调整，以及之后的维修工作。导轮支架的设计，采用在支架的后端用铰链与平台相连，可以绕着铰链上下抬起和放下，在维修时既安全，又节省空间。在支架的后端开一个100mm×100mm的工艺孔，以便于铰链的安装与拆卸。导轮支架的结构见图7。

图7 导轮支架结构图Fig．7 Structure diagram of wheel bracket

2．5 桁架结构设计

无游梁式抽油机的井架结构分为立柱式和桁架式结构。立柱式井架相对于桁架式结构外形看起来比较紧凑且美观，整体性好，但是通过实地考察，立柱式井架晃动明显，由于抽油机做连续的往复运动，如果井架晃动过于明显，长时间的晃动不利于结构的稳定性，抽油机的零部件容易松动。相对于立柱式结构，桁架式结构的稳定性较好，工作台基本无晃动情况，而且桁架结构的底座与地基的接触面积较大，支撑面大，重心总是处在支撑面内，所以选择桁架结构。

抽油机井架高10m，桁架材料选用角钢，材料为Q235。每两根横向角钢距离为1 200mm，最下端角钢距离底座1 010mm，最下面的斜拉角钢长度为1 400mm，其余斜拉角钢长度为2 420 mm。4根立柱、横向及斜拉材料都采用角钢。底座采用矩形空心型钢，材料为Q235。底座尺寸为2 500mm×2 500mm。4根立柱与底座及上连接板连接处采用加强筋结构，以保证连接的稳定行。桁架的结构及底座见图8。

图8 桁架结构图Fig．8 Structure diagram of truss

2．6 配重块的设计

在该抽油机系统中，通过利用平配重块的升降来实现位能的改变，保证在系统内部的分配能够实现平衡，进而使电机在上、下冲程里的推力变化幅度减小。通过选择适当的配重块，来减少抽油杆的自重在上升下降时所消耗的能量到最小值，提高抽油机系统稳定性和效率。配重块调整适当之后，使两绳张力差最小，由查阅的资料得，配重块的重量，一般为抽油杆的重量加上液柱一半的重量之和，平衡重理论重量计算公式：

配重块在上、下冲程时作功相等，下冲程时，系统储存的能量等于右理论上所作的抽油杆下落时所作的功；上冲程时，系统放出的能量等于上冲程过程中举升抽油杆和油柱所作的功。

配重平衡块的重力为：

配重块采用主块和副块配合使用，主块和副块用连接板进行连接。配重块采用铸造，其外形尺寸见图9。

2．7 动滑轮部件设计

图9 配重块结构图Fig．9 Structure diagram of the counterweight block

悬绳器结构的作用是将抽油杆与钢丝绳连接起来，实现往复的提拉动作。悬绳器的设计采用动滑轮提升，通过钢丝绳与动滑轮的配合，提升悬绳器部分，再通过固定组件将抽油杆与悬绳器连接在一起。

动滑轮与钢丝绳进行配合，动滑轮直径为400 mm，绳槽半径为9mm，与直径为16mm的钢丝绳配合。动滑轮轮毂通过轴承与滑轮轴连接。轴端直径为60mm。

根据载荷的大小和方向动滑轮部件中的轴承选用深沟球轴承，型号为6213。轴承端盖选用槽型密封挡盖，材料为Q235A。隔套选用的型号为AT60JB／T9005．5，材料为45号钢。隔环型号为H120JB／T9005．5，材料为Q235A。滑轮的材料为ZG270－500。动滑轮的结构见图10。

图10 动滑轮结构图Fig．1 0 Structure diagram of the movable pulley

2．8 支撑座设计

支撑座是悬绳器的主要承载部件，动滑轮支架通过螺栓固定在支撑座上，支撑座材料为Q235，主要尺寸及结构见图11。

2．9 浮动支撑件及调整件的设计

抽油杆与悬绳器连接后，在抽油杆做上下往复运动时，难免会出现晃动情况。如果抽油杆和悬绳器紧固连接，出现晃动情况时，会使抽油杆收到径向力，如果长时间收到径向力作用，会使抽油杆发生断裂，影响正常工作。在设计时，抽油杆与浮动平衡块间隙配合，而浮动平衡块与浮动调整件相配合可以实现圆周方向的晃动，而抽油杆始终处在相对垂直的方向而不受径向力的作用，悬绳器的结构见图12。

图11 支撑座结构图Fig．1 1 Structure diagram of the supporting seat

图12 悬绳器结构图Fig．1 2 Structure diagram of the rope hanging device

3 结 论

在抽油机总体设计方案完成的基础上，对主要部件进行了设计和选择，如平台、滚筒结构的设计，以及导向轮支架、桁架结构、配重块的设计等，并完成了制动器和联轴器的选择，本设计中采用开关磁阻电机和滚筒减速的方式来取代原有的异步电机和体积较大的减速器。抽油机主体采用桁架结构，通过钢丝绳以及动滑轮进行力的传递，相比于目前大多数油田上使用的游梁式抽油机，在外形美观以及节能高效上有了很大的改进。

［1］申彦刚．抽油机在我国的发展趋势初探 ［J］．科技创新与应用，2013，（1）：71．

［2］王冠珠．节能型抽油机在萨北油田的应用与探讨 ［J］．石油石化节能，2013，（6）：34－36．

［3］王 磊．新型传动抽油机设计与研究 ［D］．西安：西安石油大学，2012．

［4］李雪莹．抽油机减速箱故障分析与处理 ［J］．科技创新与应用，2012，（8）：77．