无螺栓悬挂式下偏杠铃装置的研制

2018-01-24孟艳春

中国设备工程 2018年1期

孟艳春

（大庆石油管理局松原机械总厂，吉林松原 138000）

游梁式抽油机作为机械采油的地面驱动设备，一直被广泛应用。传统生产的下偏杠铃复合平衡抽油机作为游梁式抽油机的一种，其下偏杠铃装置与游梁尾部的多种连接方式都需要螺栓连接，其中螺栓加平面定位式的方法是在游梁尾部及下偏杠铃装置各焊一连接板,板上钻一圈螺栓孔,安装时把紧螺栓，如图1所示。经现场使用后，发现有如下弊端：一是螺栓孔数量多(超过10个)不容易对正；二是工人穿孔拧螺栓需配合吊车高空作业，劳动强度较大。

图1 传统下偏杠铃连接方式图

针对以上问题，对以往下偏杠铃式游梁复合平衡抽油机节能机理及使用工况进行了大量的调查研究，设计制造了一系列无螺栓连接的悬挂式下偏杠铃装置。如图2所示，该装置在安装时，不需要工人在高空穿螺栓拧螺母，只需吊车将该装置吊起，将挂轴置入游梁尾部上平面挂轴座内，即可完成安装，大大节省了安装时间和工作量。

1 工作原理

图2 新型悬挂式下偏杠铃结构图

下偏杠铃技术是原石油部认可的技术，下偏杠铃的扭矩峰值能有效的平衡悬点载荷扭矩峰值，起到削峰填谷的作用。不仅改善曲柄连杆机构的受力，延长整机寿命，还使整机的提升能力和平衡效果得到了提高。在设计具体的结构及连接型式之前，需依据抽油机的四杆尺寸，优化出偏置角和偏置半径(即下偏杠铃装置的最佳质心位置)，选出最佳平衡点，见图3。

图3 质心平衡力矩图

新装置为无需螺栓连接的悬挂式，见图2。在游梁尾部上平面焊一特殊形式的挂轴座2，装置右上焊有一悬挂轴3，安装时将此悬挂轴安放到挂轴座上即可完成安装。

下偏杠铃装置悬挂轴左下方的支承轴5抵在游梁后堵板上，能够有效保证下偏杠铃装置相对游梁体位置的固定。

下偏杠铃装置与游梁连接方式是本项目的重点研究内容。要彻底解除工人从高空对正两块大连接板并把紧带双螺帽十几个螺栓的烦恼，还要使下偏杠铃装置有较好的平衡效果，并且安全、可靠。

图4 下死点时下偏杠铃装置位置图

图5 上死点时下偏杠铃装置位置图

2 结构特点

为此着重设计了属国内首创的特殊形状的挂轴座，见图2中的件3。其作用是在整机运行至下死点时，没有上盖的情况下悬挂轴也不会旋脱出挂轴座，其位置的设计使驴头运行至下死点时，下偏装置质心重力和游梁尾部侧面对其支承力的合力使悬挂轴向左下压挂轴座，不会使整个装置受到偏离游梁体的倾覆力矩。驴头运行至上死点时亦是同理。从而保证在整个上下冲程中，随着位置的变化，下偏装置始终能牢牢地贴附在游梁体上。上、下死点时，下偏杠铃位置见图4、5。

3 设计要点

3.1 质心的位置

如图2所示，要使下偏杠铃装置的质心铅垂线在抽油机整个冲程运行中，始终位于挂轴座中心铅垂线的外侧（装置的质心可在AUCAD中画立体图求得），重力矩的作用使得支承轴与游梁端面相抵处存在一个支反力，该力矩与重力矩相平衡。力矩平衡公式：GLG=NLN，式中，G为下偏装置所受的重力，N；N为支承轴与游梁端部侧面接触处游梁对支承轴施加的力，N；LG为挂轴座中心到重力方向线的垂直距离，即重力臂长度，m；LN为挂轴座中心到支承力方向线的垂直距离，即支承力臂长度，m。

同时，还要使质心位置处于最佳平衡状态。即下偏杠铃的扭矩峰值能有效的平衡悬点载荷扭矩峰值，起到削峰填谷的作用。

3.2 挂轴和支承轴的强度

挂轴和支承轴要有足够的抗剪切强度。支承轴受最大剪切力发生在驴头上的死点时，剪切强度计算公式：τ=N/A，式中，N为前面公式中的支反力，N；A为受剪切面的面积，m2。

4 现场应用

设计完成后先行试制了一件，在CYJ8-3-37HF型抽油机整机上试验后，大大节省了安装时间，较大程度地降低了安装工人的劳动强度，同时制造成本也略有降低，试验效果良好，获得制造安装人员的一致认可。之后相继进行了系列化设计制造，目前此项技术已用于我厂批量在制的六到十型抽油机数年，效果良好。

每年抽油机按500台计算，若原装置每台对正两块联接板，安11个螺栓上紧22个螺母需要工时为1h，则新装置可节省人工工时及稳抽吊车工时各500h。工时费按10元/h计算，吊车费按250元/h计算，则可节省：500X(10+250)=13万元。此外还可解决原装置的连接板对不上，高处把紧螺栓等一些问题，降低维修费用。