一种新型游梁式抽油机平衡机构的设计

佟军民，吴致千

（1.许昌职业技术学院，许昌 461000；2.中国科学院光电技术研究所，成都 610209；3.河南思科石油环保设备有限公司，许昌 461000）

一种新型游梁式抽油机平衡机构的设计

佟军民1,2，吴致千3

（1.许昌职业技术学院，许昌 461000；2.中国科学院光电技术研究所，成都 610209；3.河南思科石油环保设备有限公司，许昌 461000）

0 引言

游梁式抽油机平衡状况的好坏，直接影响抽油机抽采作业电量消耗，影响连杆机构、减速箱和电机的效率与寿命，对抽油杆的工作状况亦影响很大。因此，对于抽油机平衡状况的判断和调节，必须给予高度重视[1～3]。目前游梁式抽油机的游梁平衡调节装置常见的有蜗轮蜗杆式和丝母丝杆式两种，均是利用四连杆结构，其配重的调节量均取决于配重箱摆臂调节角度，而摆臂调节角度又取决于电机与固定轴的安装距离，传动副多，故障点多，而且容易烧坏电机，无法长期安全可靠的实现平衡调节。

为解决以上难题，河南思科石油环保设备有限公司自主研发了一种更为合理的平衡结构和配套的控制系统来实现游梁平衡调节，并成功申请专利[4]。平衡装置的机械部分为行星齿轮机构，太阳轮设计成扇形齿轮，和游梁固定成一体，行星轮为小齿轮，被平衡电机带动，通过啮合，绕太阳轮转动，放有重物的摆动锤在小齿轮（行星轮）中心转动的作用下，逆时针或者顺时针摆动，调整抽油机的平衡度，降低主电机负荷，起到延长主电机寿命、降低能源消耗的目的。该技术已成功地在大庆油田和延长油田部分游梁式抽油机节能改造中得到应用和验证，图1为改造前、后的对比图。

1 平衡准则[5～7]

设计平衡装置时，需要满足平衡准则的要求。平衡准则是判断抽油机工作是否达到理想平衡工作状态的依据，那么在设计平衡装置时抽油机究竟怎样算平衡，目前来讲，主要运用的是以下三种准则：

图1 游梁式抽油机平衡结构改造前、后对比

平衡准则一：抽油机拖动电机在驴头悬点上冲程和下冲程做功相等。

平衡准则二：抽油机驴头悬点上下冲程中减速箱的曲柄扭矩峰值相等。

平衡准则三：抽油机驴头先点上下冲程中减速箱的曲柄扭矩均方根值最小。

上述三种准则的效果目前还没有一个统一的标准来评判好坏，不过一般认为影响减速箱寿命的主要因素是输出轴的峰值扭矩和负扭矩。

2 游梁平衡装置的设计

2.1 抽油机拖动电机上下冲程做功大小的计算

在游梁式抽油机（曲柄平衡）改造前，针对被改造的抽油机（没有游梁平衡装置，仅有曲柄平衡装置，如图1左图所示）在具体工况下，测得其实测示功图，如图2所示。

图2 实测示功图

平衡装置在悬点下冲程过程中，储存能量A0；悬点上冲程过程中，释放能量A0。二者能量的大小相等。

下冲程（C→D→A）阶段，平衡装置储存的能量A0等于下冲程抽油杆柱下落所做的功A悬下与拖动电动机下冲程所做的功A电下之和：

上冲程（A→B→C）阶段，上冲程提升抽油杆柱和油柱所做的功A悬下等于平衡装置释放的能量A0加上拖动电机上冲程所做的功A电下：

按照平衡准则一的要求，拖动电机在驴头悬点上冲程和下冲程做功A0相等，则有：

在实测示功图中，由OABCEO所围成的面积SOABCEO即为上冲程提升抽油杆柱和油柱所做的功A悬上，由CDAOEC所围成的面积SCDAOEC即为下冲程抽油杆柱下落所做的功A悬下。故由面积仪可以方便的计算出A0。

2.2 复合平衡机构的设计计算[8,9]

如图3所示，为增加游梁平衡装置后的复合平衡机构简图。设计的游梁平衡机构为一扇形齿轮机构，其小齿轮可通过电机带动沿扇形齿轮顺时针或者逆时针摆动，从而使平衡力矩增大或者减小。计算时，可按照调节范围的中间值确定小齿轮的位置（应为扇形齿轮对称线正下方）。

图3 增加游梁平衡装置后的复合平衡机构简图

计算时，各符号的含义如表1所示。

表1 计算公式中各符号的含义

下冲程时，当驴头悬点自上死点到下死点走完冲程的长度距离，游梁平衡重、曲柄平衡重、游梁部件自重、曲柄自重的重心都抬高，把能量储存起来，储存的能量如表2所示。

表2 悬点下冲程过程中，各部位储存的能量

故，可得A0的计算公式：

上式中，A0可由实测示功图计算出来，除Q游和K游为未知参数外，其余参数对于改造的抽油机而言，均为已知参数。因而从式(4)可以方便的设计出游梁平衡装置的Q游和K游。如果从节约钢材的角度考虑，我们也可以减少曲柄平衡重的重量Q曲后，再进行Q游和K游的设计。

2.3 工况变化时的调整

前述的计算是针对游梁式抽油机节能改造前某一具体工况的实测示功图进行的游梁平衡装置的设计，当实际工况发生变化时，很难满足式(4)的要求，这时，可以按照平衡准则二，利用电流法，测出上下冲程的最大工作电流，判断游梁平衡力矩是偏大还是偏小，通过平衡装置上的调整电机驱动小齿轮沿扇形齿轮顺时针或者逆时针转动，从而调整游梁平衡力矩，进而最终满足式(4)。

2.4 现场试验

在大庆油田二厂，利用该设计方法进行了节能改造，并进行了现场试验。改造前，该机器使用两块重1300kg曲柄配种，总重2600kg；改造后，增加自动平衡装置，重1230kg，曲柄配重更换为两块366kg曲柄配重块，加上曲柄重，总重1962kg，综合钢材节约率24.5%；改造前上冲程最大电流47A，下冲程最大电流37A，平衡度0.787；自动调平衡后，上冲程最大电流36.89A，下冲程最大电流33.83A，平衡度0.917，综合节电率15.8% 。

3 结束语

按照抽油机平衡准则，通过在游梁尾部添加扇形齿轮机构平衡装置，对游梁式抽油机的进行节能改造，既可以实现节约钢材，又可以提高平衡度，进而提高节电率的目的。具有结构简单、易于设计的特点，并根据不同工况的变化易于调整平衡度，可达到节能降耗的目的。

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[2]万邦烈.采油机械的设计计算[M].北京:石油工业出版社,1988:10-25.

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The design of a new balance mechanism for beam pumping unit

TONG Jun-min1,2, WU Zhi-qian3

针对常见油梁式抽油机平衡调节装置中出现的传动副多、故障点多、可靠性差等问题，提出了一种行星齿轮机构的游梁平衡装置。按照电机在驴头悬点上冲程和下冲程做功相等的平衡准则要求，由实测示功图计算出了拖动电机上、下冲程做功的大小，根据建立的游梁式抽油机的力学模型，推导出了复合平衡机构的设计计算公式。经现场试验，所设计的游梁平衡装置既可以节约钢材，又可以提高平衡度，提高节电率，具有结构简单、易于设计的特点，并根据不同工况的变化易于调整平衡度，可达到节能降耗的目的。

游梁式抽油机；游梁平衡装置；平衡准则；示功图

佟军民（1969 -），男，河南许昌人，副教授，硕士研究生，研究方向为游梁式抽油机平衡技术和精密定位工件台技术。

TH132.4

A

1009-0134(2015)12(上)-0119-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.35

2015-09-10