楊俊毅　劉釗　楊榕

摘 要：螺桿泵已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的油田中得到了非常廣泛的應(yīng)用，而制動(dòng)器則是保證螺桿泵式抽油機(jī)進(jìn)行安全工作的重要部件，以往的制動(dòng)器都存在著：磨損、變形，維護(hù)成本高等問(wèn)題。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了使用永磁鐵的盤(pán)形制動(dòng)器，它這樣的設(shè)計(jì)完全可以保證整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)的過(guò)程中就不會(huì)出現(xiàn)上述的問(wèn)題，也就避免了安全隱患。

關(guān)鍵詞：螺桿泵；永磁渦流制動(dòng)；柔性；自動(dòng)調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.218

0 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球?qū)τ谑彤a(chǎn)品的需求量也在不斷的增大，因此石油開(kāi)采業(yè)也進(jìn)入了全新的時(shí)代，而更節(jié)能和高效螺桿泵式抽油機(jī)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)成為油田采油的主要設(shè)備，目前螺桿泵井地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要有常規(guī)偏置式驅(qū)動(dòng)裝置和電機(jī)直驅(qū)裝置兩種，雖然螺桿泵式抽油機(jī)有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在著以下問(wèn)題：

（1）在桿柱反轉(zhuǎn)控制上不能保證絕對(duì)安全，棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置需要人為在地面上釋放扭矩，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高；而液壓防反轉(zhuǎn)和電磁能耗制動(dòng)防反轉(zhuǎn)裝置雖然能夠自動(dòng)釋放扭矩，但也存在著失控的幾率，光桿與方卡子在地面設(shè)備上高速旋轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；

（2）維護(hù)性成本較高，偏置式驅(qū)動(dòng)裝置利用皮帶輪和減速箱來(lái)傳遞扭矩，傳動(dòng)部件多，導(dǎo)致運(yùn)行效率低，后期維護(hù)工作量大，電機(jī)直驅(qū)裝置采用永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，永磁電機(jī)的成本高，且存在著退磁的風(fēng)險(xiǎn)。如何才能更加安全和便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)桿柱反轉(zhuǎn)的控制呢，經(jīng)過(guò)多次論證后發(fā)現(xiàn)利用永磁渦流原理設(shè)計(jì)的永磁渦流制動(dòng)器就可以解決上述問(wèn)題。

1 原理

螺桿泵永磁渦流制動(dòng)器所要實(shí)現(xiàn)的是：（1）通過(guò)永磁渦流制動(dòng)器所產(chǎn)生的制動(dòng)力來(lái)控制螺桿反轉(zhuǎn)的速度；（2）進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，將螺桿中所儲(chǔ)存的形變勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，主要是轉(zhuǎn)化為熱能通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式傳遞到周?chē)臻g之中，從而達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。它的主要原理：當(dāng)螺桿反轉(zhuǎn)帶動(dòng)導(dǎo)磁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在永磁盤(pán)磁場(chǎng)的作用下，導(dǎo)磁盤(pán)單位區(qū)域內(nèi)的磁通量是不斷變化的，根據(jù)磁塊的排布規(guī)律，進(jìn)而得出其磁通量的變化近似于余弦函數(shù)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，由此可知隨著導(dǎo)磁盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在整個(gè)系統(tǒng)中就產(chǎn)生渦電流，，而渦電流在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力，即我們所需要的制動(dòng)力。

從上述過(guò)程便可以看出螺桿泵用永磁渦流制動(dòng)器的實(shí)質(zhì)就是利用法拉第電磁感應(yīng)定律的基本內(nèi)容，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)為熱能的過(guò)程。

2 制動(dòng)力矩的計(jì)算

制動(dòng)力矩是檢驗(yàn)制動(dòng)器制動(dòng)效果如何的的重要指標(biāo)，但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及現(xiàn)有計(jì)算方法的局限性，要想精確計(jì)算出制動(dòng)力矩是很困難的，因此我們只能把研究對(duì)象進(jìn)行模擬的理想化，來(lái)進(jìn)行分析，并粗略計(jì)算出制動(dòng)力矩，再利用計(jì)算機(jī)軟件和對(duì)樣機(jī)進(jìn)行不斷的實(shí)驗(yàn)，來(lái)完善和驗(yàn)證所計(jì)算的數(shù)據(jù)的合理性。

根據(jù)上述制動(dòng)原理粗略計(jì)算出制動(dòng)力的大小。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)做如下假設(shè)：

（1）永磁體產(chǎn)生的磁通量只分布在與永磁體相對(duì)產(chǎn)生渦流的等效面積之內(nèi)，不考慮圓外漏磁的情況。

（2）導(dǎo)磁盤(pán)上銅盤(pán)的電阻率（ρ）以及導(dǎo)磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率（μ0）均為常數(shù)，且不考慮此路飽和。

3 螺桿泵用永磁渦流制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)

螺桿泵用永磁渦流制動(dòng)器是對(duì)永磁渦流傳動(dòng)裝置的一次新的應(yīng)用嘗試。通過(guò)將永磁渦流制動(dòng)器安置于電機(jī)與井口之間，實(shí)現(xiàn)在無(wú)任何外力控制的條件下自動(dòng)控制螺桿反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。該裝置具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用永磁渦流制動(dòng)器替換那些舊的防反轉(zhuǎn)裝置，與以前的轉(zhuǎn)裝置相比較，永磁渦流制動(dòng)器所具有的最大優(yōu)勢(shì)就是在螺桿反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，它實(shí)現(xiàn)了在不需要外界任何動(dòng)力的條件下限制螺桿的轉(zhuǎn)速，這樣就完全避免了液壓和電磁防反轉(zhuǎn)裝置在外界動(dòng)力消失時(shí)其調(diào)節(jié)功能失效的情況，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，因此永磁渦流制動(dòng)器更加符合現(xiàn)在社會(huì)對(duì)節(jié)約能源方面的要求；

（2）結(jié)構(gòu)緊湊；能保持制動(dòng)的穩(wěn)定性和持久性；

（3）維護(hù)成本低、使用時(shí)間長(zhǎng)以及可靠性高。由于永磁渦流制動(dòng)技術(shù)是通過(guò)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的反向制動(dòng)力矩來(lái)進(jìn)行制動(dòng)的，因此它沒(méi)有接觸，進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)摩擦、磨損、以及接觸疲勞等問(wèn)題的發(fā)生。由于沒(méi)有接觸也就不會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)粉塵和制動(dòng)噪音，更加符合環(huán)保的要求。

4 結(jié)論

將永磁渦流制動(dòng)裝置應(yīng)用至螺桿泵式采油機(jī)上，是對(duì)永磁渦流制動(dòng)理論在向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的一次新的開(kāi)拓，正是因?yàn)樯鲜鲇来艤u流制動(dòng)裝置有著傳統(tǒng)制動(dòng)裝置所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此，其必然有著無(wú)限廣闊的市場(chǎng)前景，而隨著永磁渦流制動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其必然會(huì)取代以往那些傳統(tǒng)的制動(dòng)技術(shù)成為未來(lái)機(jī)械產(chǎn)品的主要制動(dòng)方式。

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作者簡(jiǎn)介：楊俊毅（1984-），男，遼寧大連人，本科，助理工程師，研究方向：液力偶合器及磁力偶合器。