抽油机智能平衡调节装置*

王文芳

(西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065)

0 引言

传统的游梁式抽油机平衡方式有曲柄平衡、游梁平衡、复合平衡［1］。这三种方式调整繁琐，工人劳动强度大，且不能够实时调节［1］。因此出现一些改进型，典型的有:随动平衡、增加超越离合器、飞轮动能平衡、电机加滚珠丝杠自动调节平衡等［2－3］。随动平衡方式钢丝绳在驴头滑动，实际冲程小于游梁摆角对应冲程，且影响钢丝绳寿命;增加超越离合器存在不安全因素;飞轮动能平衡在实际油井悬点载荷复杂时平衡效果有所降低［4］;电机加滚珠丝杠自动调节平衡方式中调节装置本身耗费电能大，因此不能实现抽油机真正意义上的节能。

针对上述问题，在抽油机游梁后部设计一个可以自动实时调节平衡块的机构，由伺服电机驱动。根据抽油机电机功率、扭矩等的变化情况，实时调节平衡块位置。因此可以实现抽油机的真正节能。

1 平衡装置的工作原理

抽油机平衡方式选择为游梁平衡与曲柄平衡复合型［5］，曲柄平衡块位置固定，游梁平衡块位置实时变化，达到实时调节抽油机平衡效果。抽油机智能平衡调节装置结构如图1所示，主要由底座、左轴承座、右轴承座、滚珠丝杠、平衡块、导杆、联轴器、步进电机组成。整个装置安装在游梁式抽油机的游梁后臂上，系统工作时，由控制器发出指令，伺服电机转动，通过联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠转动时，带动其上的螺母座直线移动，螺母座带动平衡块直线移动，为了防止平衡块转动，增加了两个导杆。当平衡块直线移动时，其效果相当于改变了游梁式抽油机平衡效果，达到实时调节抽油机平衡的目的。滚珠丝杠通过两端的轴承座固定，轴承座通过底座螺栓固定在抽油机游梁上。

图1 游梁式抽油机平衡装置结构图

2 丝杠螺母副的选型

(1)计算给进牵引力Fm根据抽油机型号，将游梁平衡块重量取为G=1 000 N，其牵引力为:

式中:α为滚珠丝摩擦系数，α=0.28。

(2)滚珠丝杠螺母的选择 采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺纹滚珠丝杠副，1列2.5圈，精度等级选为3级。

(3)滚珠丝杠螺母副的传动效率的计算

式中:r'为丝杠螺母升角;φ为摩擦角，约为10°。

(4)刚度验算 最大牵引力为280 N，支承间距L=565 mm，丝杠螺母及轴承均进行张紧，预紧力为最大轴向负荷的2/3。

①丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

式中:δL为滚珠丝杠的允许变形量，mm;L0为滚珠丝杠长度，mm;所以:δL/L0=5×10－6。

由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠有进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高4倍。实际变形量为:

②滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2

W系列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量可取为δ2=0.006 4。实际变形量为:

③支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3

利用6207深沟球轴承d1=35 mm，滚动体直径dQ=9.25 mm，滚动体数量z=13，因此其轴向接触变形 δ3为:

因施加预紧力，故实际变形可为:

根据以上计算可得滚珠丝杠总变形量:

由于该总变形量小于定位精度，因此可满足要求。

3 步进电机的计算和选型

步进电机的选型主要考虑其转动惯量、力矩、矩频特性应满足要求。其等效转动惯量为传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量。电机力矩计算主要包括快速空载动力矩M起和快速移动时所需力矩M快，电机提供的力矩必须大于二者中最大的一个。步进电机频率特性可从手册中查得，主要包括最高空载起动频率和运行频率，电机的矩频特性也应满足此要求［6］。

(1)纵向进给步进电机等效转动惯量计算

传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J总(kg·cm2)可由下列计算:

式中:JM为转子转动惯量，kg·cm2;JS为丝杠转动惯量，kg·cm2。

式中:ρ为丝杠钢材的密度，取 ρ=0.78×10－3kg/cm3。

(2)纵向进给步进电机初步选型

参考同类型机床，初步选反应式步进电机150BF003，其转子惯量 JM=10.5 kg·cm2，代入式(9)可得:

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题:

所以初步选反应式步进电机150BF003，基本满足惯量匹配的要求。

(3)电机力矩计算

①快速空载动力矩M起

在快速空载起动阶段，加速力矩占比例较大，具体计算公式如下:

式中:Mamax为加速力矩，N·cm;M0为附加摩擦力矩，N·cm;Mf为折算到电机轴上的摩擦力矩，N·cm。

经计算可得快速空载动力矩M起为:

②快速移动时所需力矩M快

从上面计算可看出，M快，M起两种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。

从表4－13［7］查出，当步进电机为五相十拍时，λ=Mq/Mjmax=0.951

最大静力矩为:

按此最大静转矩从表 4－12［7］查出，150BF003 型最大静转矩为15.68 N·cm，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进行考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。

③计算步进电机空载起动频率

当快速运动时，由图4－12［7］中 150BF003 步行电机运行矩频特性曲线知:150BF003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。

4 结语

设计了风光储联合的抽油机智能平衡调节装置的机械部分，在游梁式抽油机不同生产工况条件下，通过调节装置实时调整平衡块位置，达到最佳平衡效果。通过对该装置中的主要零部件进行的计算表明，它可以满足使用要求。该装置的设计最终可提高油田现场游梁式抽油机平衡效果，实现节能降耗和绿色生产。

［1］ 刘牧洲，张 勇，邱 露，等.随动平衡游梁式抽油机设想［J］.新疆石油科技，2007，17(4):42－43+55.

［2］ 任彦朝.游梁式抽油机新型动能平衡装置及系统动态仿真［D］.秦皇岛:燕山大学，2011.

［3］ 刘明皓.常规游梁式抽油机自动平衡调节装置［J］.石油机械，2012，40(7):100－102+105.

［4］ 王 平，崔臣君，刘丽娟，等.抽油机平衡度实时测量技术［J］.油气田地面工程，2010，29(10):6－7

［5］ 张建军，李向奇，石慧宁.游梁式抽油机设计计算［M］.北京:石油工业出版社，2005.

［6］ 朱 林.机电一体化系统设计［M］.第二版.西安:石油工业出版社，2008.

［7］ 赵洪兵.机电一体化系统设计课程设计指导书［M］.西安:西安石油大学，2006.