后置滑轮式长冲程抽油机受力分析与平衡计算

王西海

（大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆 434023）

0 前言

游梁式抽油机是我国各大油田的主要采油设备。在油田开发过程中，随着原油含水率不断上升以及油层压力和油井动液面的逐渐下降，为了保持原油稳产，必须加大采液量，因此要求抽油机不仅能满足“深抽、大排量”的工艺要求，而且应具有长冲程，大负荷，耗能低的性能特点[1-2]。据统计，我国的抽油机仍以常规抽油机和异相曲柄平衡抽油机为主，能耗高、冲程短[3-5]，如果将这些抽油机进行技术改造，将会带来可观的经济和社会效益。为此作者创新设计了一种后置滑轮式长冲程抽油机，本文对其结构和受力特性进行了分析。

1 工作原理

后置滑轮式长冲程抽油机如图1所示，其基本思想是在弯游梁抽油机的基础上，增加一个后置滑轮，该滑轮固定在三角摆架上，三角摆架的其余两端分别与摇杆和游梁相连，摇杆和拉杆另一端通过轴支撑在塔架上。钢带一端固定在后置滑轮上，另一端绕过驴头上滑轮和滚子与悬绳器连接。在下冲程的时候，后置滑轮的重心相对游梁支点的水平距离（力臂长度）逐渐变小，后置滑轮升高，存储势能，让电机减少做负功的比例。在上冲程的时候，后置滑轮相对游梁支点的力臂长度逐渐伸长，下冲程过程中积蓄的势能被利用，用于提升悬点载荷。能够让上冲程和下冲程过程中的运动保持平衡，力矩变化保持一致。通过上述过程可以有效减小曲柄净扭矩，最终达到减小装机的功率、节约成本的目标。同时，在抽油机运行过程中，后置滑轮相对游梁的向后移动以及滑轮自身的转动使得钢带在滑轮上缠绕，从而增加抽油机的冲程。

图1 后置滑轮式长冲程抽油机结构

2 承载部件受力分析

后置滑轮抽油机的主要承载部件有后置滑轮、三角摆架、游梁、曲柄等。为确保整机安全工作，需要对各部件进行受力分析。因此需要建立后置滑轮式抽油机各部件的力学模型并进行相关推导。

2.1 后置滑轮受力分析

图2为后置滑轮受力模型，图中H为滑轮圆心。

图2 滑轮受力分析图

对H点取矩，有平衡方程：

简化得：

由力平衡方程有：

可得到：

上述式子中：

lJH—后置滑轮的转动半径；

FD—顶杆对滑轮J点的作用力；

FH—钢带对滑轮的作用力；

FHX—顶杆对滑轮H点的水平作用力；

FHY—顶杆对滑轮H点的垂直作用力；

GH—滑轮自重。

2.2 三角摆架受力分析

根据三角摆架的受力状态，建立其受力模型如图3所示。

由三角摆架F点的力矩平衡，有：

图3 三角摆架受力分析图

解得：

由三角摆架总体受力平衡有：

解得：

上述式子中：

FH—钢带对三角摆架的作用力；

FG—顶杆对三角摆架的作用力；

FFx—三角摆架F点所受的水平作用力；

FFy—三角摆架F点所受的垂直作用力；

K—三角摆架平衡重的重心；

Q架—三角摆架平衡重；

βH—FH与LFH的夹角；

βG—FG与LEG的夹角。

2.3 游梁受力分析

游梁的受力如图4所示，由D点力矩平衡有：

图4 游梁受力分析图

解得：

由游梁受力平衡有：

上式中符号表示的意义：

FW—悬点载荷，（kN）；

FH—钢带对游梁的作用力，（kN）；

FDx—支架对游梁的水平作用力，（kN）；

FDy—支架对游梁的垂直作用力，（kN）；

Q游—游梁平衡重，（kN）；

FFx—三角摆架下支点对游梁的水平作用力，（kN）；

FFy—三角摆架的下支点对游梁的垂直作用力，（kN）；

τ游—游梁平衡重滞后角，（h）；

M—游梁平衡重的质心的位置；

βP—钢带接触点与游梁间夹角。

2.4 曲柄受力分析

曲柄受力如图5所示，由A点力矩平衡有：

图5 曲柄受力分析

解得：

由A点受力平衡有：

解得：

式中符号表示的意义：

FAX—减速器输出轴对曲柄的水平作用力，（kN）；

FAY—减速器输出轴对曲柄的垂直作用力，（kN）；

Q曲—曲柄平衡重，（kN）；

N—曲柄质心位置。

3 样机的平衡计算

常规抽油机在设计计算过程中需要考虑曲柄和游梁的平衡配重，后置滑轮式长冲程抽油机为两者的结合，所以在设计计算时需要考虑两者的复合平衡配重：

以扭矩均方根TN′为目标函数：

在进行优化时要是TN’最小，这样能获得很好的节能效果。

约束条件为：

（1）三角摆架平衡重几何尺寸的限制；

（2）三角摆架平衡重滞后角的大小限制；

（3）游梁平衡重几何尺寸的限制；

（4）游梁平衡重滞后角的限制；

（5）曲柄平衡重几何尺寸的限制；

（6）曲柄平衡重滞后角的限制；

（7）减速器额定输出扭矩的限制；

图6 平衡扭矩

图7 平衡曲线图

（8）上冲程和下冲程波峰相等。

利用上面已求解的结果，平衡计算结果如下：

三角摆架平衡重为35.175 6 kN，三角摆架滞后角为105.63h；曲柄平衡重为137.316 kN，曲柄平衡重滞后角为12.07h；游梁平衡重为60 kN；求得的平衡曲线如图6、7所示。

4 结论

（1）在弯游梁抽油机的基础上设计了一种随动平衡抽油机，随着悬点载荷的变化，平衡力臂不断改变，减小了曲柄转矩和悬点载荷峰值。

（2）对后置滑轮式长冲程抽油机的主要承载部件进行了受力分析，为以后该抽油机个部件的强度校核，平衡配重计算提供了基础。

（3）对样机的平衡进行了计算，求得三角摆架平衡重为35.175 6 kN，三角摆架滞后角为105.63h；曲柄平衡重为137.316 kN，曲柄平衡重滞后角为12.07h；游梁平衡重为60 kN。

（4）求得该抽油机平衡曲柄扭矩随曲柄转角的变化关系图，并与常规抽油机进行了对比，结果表面，后置滑轮式长冲程抽油机起到了很好的平衡曲柄扭矩的效果。

［1］张晓东，贾国超.关于我国抽油机发展的几点思考［J］.石油矿场机械，2008（01）：24-27.

［2］张连山.国外长冲程抽油机现状与发展［J］.国外石油机械，1997（03）：23-31.

［3］苏德胜，刘先刚，吕卫祥，等.游梁式抽油机节能机理综述［J］.石油机械，2001（05）：49-53.

［4］齐俊林，郭方元，黄伟，等.游梁式抽油机分析方法［J］.石油学报，2006（06）：116-119

［5］李汉兴，朱必兰.国外机械采油装备的现状与发展趋势［J］.石油机械，2002，30（增刊）：86-90.