非对称循环游梁平衡抽油机初探

袁德洲+李祖国

摘要：非对称循环游梁平衡抽油机（以下简称非对称机）是在常规型曲柄平衡抽油机（以下简称常规机）的基础上，变摇杆的对称循环为非对称循环；变曲柄平衡为游梁平衡。通过几何特征、扭矩因数曲线、扭矩曲线的分析，阐述了这种抽油机的节能机理。理论计算表明：这种抽油机具有良好的运动特性及动力特性，节能效果好，值得賞试。

关键词：非对称循环；游梁平衡

一、前言

常规机以其安全可靠、使用维护方便等优点赢得了广大用户的信赖，但其能耗较高与当今能源紧张问题产生了较深的矛盾。

前些年，人们为了降低抽油机的能耗，打破传统的四杆机构，设计出许多新型的无游梁式抽油机，如：链条式抽油机、宽带式抽油机等。无疑这些无游梁抽油机为抽油机的家族添加了新成员，但由于无游梁抽油机固有的特点，不得不采用可靠性较差的挠性构件，在使用过程中某些关键的零部件寿命短、故障率高，给使用与管理带来不便，即“节能”和“可靠”产生了对立的矛盾。为此，抽油机的设计者们力求寻找一种在可靠性方面能与常规机媲美，而又节能的新型抽油机，即“二者兼顾”，从而出现了双驴头抽油机、六连杆抽油机等。但这些抽油机也存在着安装维修不便，可靠性不及常规机的缺点。

近年来，游梁平衡抽油机被广泛采用，在用的常规机也大量进行游梁平衡改造，现场试验证明，游梁平衡抽油机不仅可靠性好，还具有一定的节能效果，基本实现“二者兼顾”。

笔者认为：采用非对称机可使节能效果更好，值得赏试。

二、非对称机结构及几何特征

1、结构

与常规机相比，非对称机在结构上有二点变化：一是变曲柄平衡为游梁平衡；二是当游梁于水平位置时，横梁轴承座的布置位置高于或低于中央轴承座一定的距离。横梁轴承座置于中央轴承座上方，我们称之为上偏非对称循环抽油机（简称上偏机）；横梁轴承座置于中央轴承座下方，我们称之为下偏非对称循环抽油机（简称下偏机）。

2、几何特征

对于常规机，其几何特征为：摇杆摆动的角度沿水平线对称分布，即：Ψ1=Ψ2，初始角Θ0=0，极位夹角λ=0，且上、下冲程曲柄转角相等。

当摇杆为非对称循环时，摇杆摆动的角度沿水平线非对称分布，即：Ψ1≠Ψ2，极位夹角≠0，初始角Θ0≠0。

上偏非对称循环时，ψ1>ψ2，极位夹角λ<0，初始角Θ0>0，且上冲程曲柄转角小于下冲程曲柄转角。

下偏非对称循环时，ψ1<ψ2，极位夹角λ>0，初始角Θ0<0，且上冲程曲柄转角大于下冲程曲柄转角。

三、运动特性及节能机理

1、扭矩因数曲线TF

扭矩因数与几何参数直接相关，上述几何特征的改变，使TF曲线的初始相位发生变化。如图4所示，当曲柄位于下死点位置时，对于常规机，扭矩因数近似为0，上偏机扭矩因数为负值，下偏机扭矩因数为正值，即上偏机TF曲线右移一定的相位，下偏机左移一定的相位，TF曲线相位的改变，使波峰和波谷的位置也发生相应的改变，即上偏机波峰和波谷滞后，下偏机波峰和波谷超前。

2.扭矩曲线

图1所示为常规机三条扭矩曲线，其中Tw为悬点载荷扭矩曲线，Tm为平衡扭矩曲线，Tn

为净扭矩曲线，由图1得出：

a）Tm曲线为一标准的正弦曲线；

b）Tw曲线为近似正弦曲线；

c）Tw曲线与Tm曲线的峰值存在相位差Δθ；

d）Tw与Tm二者叠合后所得的Tn曲线仍有较高的波峰，即减速器净扭矩峰值较大，且均方根扭矩仍然较大、负扭矩的范围和峰值也较大。

根据上偏机、下偏机扭矩曲线图同样可以得出：

a）Tw、Tm曲线均为近似正弦曲线；

b）Tw曲线与Tm曲线的峰值相位差几乎为0；

c）Tw与Tm二者叠合后所得的Tn曲线波峰减小，即减速器净扭矩峰值减小，且均方根扭矩小、负扭矩小。

3、平衡扭矩曲线

通过改变游梁平衡重铅垂位置，也可改变平衡扭矩曲线的初始相位。上偏机由于TF曲线的右移，使得Tw曲线也右移，下偏机由于TF曲线的左移，使得Tw曲线左移，这就要求平衡扭矩曲线Tm也要与Tw作相应的移动，所以，上偏机和下偏机应有不同的初始相位，以满足峰值重合，叠加效果好。

4、节能机理

通过运动特性分析，得出上偏机、下偏机的节能机理：通过横梁轴承座置相对于中央轴承座的位置的偏置，改变扭矩因数的初始相位，即改变悬点载荷扭矩曲线的峰值位置；另一方面设置合适的平衡重的初始相位，使平衡扭矩曲线与悬点载荷扭矩曲线达到较好的叠合，从而减小净扭矩峰值，减小均方根扭矩，达到节能的目的。经理论计算，上偏机、下偏机节能效果可达10%～30%

四、结束语

1、上偏机、下偏机具有一定的节能效果，节电率与工况参数相关，不同的工况，峰值扭矩出现的位置不同，因此，如果横梁轴承座为上、下连续可调，平衡重为上、下连续可调，即初始相位连续可调，可获得更好的节能效果；

2、横梁轴承座及平衡重的偏置量直接影响节电率，不同的工况应有不同的偏置量，它们之间使节能效果最佳的对应关系需要大量的现场试验才能得出；

3、上偏机与下偏机节能效果相当，但上偏机横梁连接螺栓不受拉力，动力特性好，可靠性好。endprint