王廣明，譚 雷，謝 強(qiáng)

（渤海裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司抽油機(jī)制造廠，天津 300280）

0 引言

采用常規(guī)力學(xué)對(duì)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，由于沒(méi)有對(duì)失載和換向時(shí)受到的沖擊力進(jìn)行分析，因此導(dǎo)致失載時(shí)某些類(lèi)型的抽油機(jī)部分構(gòu)件出現(xiàn)惡化的受力情況，甚至帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果，油田生產(chǎn)需要有效解決這類(lèi)問(wèn)題。目前，能夠用于油田的抽油機(jī)有多種，但是抽油機(jī)行業(yè)沒(méi)有制定通過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)規(guī)范，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行性能和可靠性的檢測(cè)。因此無(wú)法根據(jù)相關(guān)性能和可靠性對(duì)各種類(lèi)型的抽油機(jī)進(jìn)行對(duì)比，導(dǎo)致在選擇用于油田的抽油機(jī)時(shí)，缺乏相應(yīng)依據(jù)。

1 抽油機(jī)設(shè)計(jì)模型示功圖的選擇及主體參數(shù)

1.1 示功圖選擇

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)，對(duì)油井典型工況下的抽油機(jī)進(jìn)行初步分析：下泵深度1500 m，產(chǎn)液量10 m3/d。在抽油泵配置中，泵徑為38 mm，沖次為2 min-1。采用模糊聚類(lèi)法處理測(cè)試所得的懸點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)，能夠得到典型的示功圖，采用線性擬合后對(duì)模型示功圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照相關(guān)理論，如果抽吸值處于最小情況下，泵徑為38 mm、下泵深度為2000 m、理論排量為5.5 m3/d、抽油機(jī)凈輸出功率為2.5 kW。假設(shè)抽油機(jī)以3 min-1為沖次，則可以達(dá)到15 m3/d 的排量。

按照相關(guān)理論，如果抽吸值較大的情況下，此時(shí)的泵徑、下泵深度、理論排量以及抽油機(jī)的凈輸出功率分別為70 mm、1500 m、25 m3/d、4.5 kW。假設(shè)抽油機(jī)以3 min-1為沖次，則可以達(dá)到55 m3/d 的排量，以及13.5 kW 的凈功率。如果在提液過(guò)程中采用的抽油泵體積更大，則會(huì)相應(yīng)減少下泵深度，理論上其產(chǎn)液量會(huì)有所上升，抽油機(jī)會(huì)出現(xiàn)面積顯著增大的示功圖。根據(jù)以上分析研究所得的載荷和設(shè)計(jì)余量結(jié)果，能夠得知，泵徑需要在75 mm 以內(nèi)，可以通過(guò)對(duì)模型示功圖的設(shè)計(jì)為依據(jù)，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)要求和減速器類(lèi)型的結(jié)合，初步對(duì)最高沖次在2～4 min-1的抽油機(jī)進(jìn)行選擇。

由于抽油機(jī)的載荷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為傳動(dòng)皮帶，因此設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)過(guò)程中，需要考慮使用減速器驅(qū)動(dòng)等帶來(lái)的沖擊減緩作用。由于抽油機(jī)的沖次不高，因此動(dòng)載荷幾乎不會(huì)帶來(lái)影響。通過(guò)設(shè)計(jì)抽油機(jī)示功圖模型可知，如果工作過(guò)程中的泵采用70 mm 的泵徑，則泵可以下到1500 m 以下的深度，產(chǎn)液量能夠滿足要求，超過(guò)70 m3/d。如果工作過(guò)程中的泵采用44 mm 的泵徑，則泵可以下到2200 m 以下的深度，其排量能夠滿足要求，達(dá)到20 m3/d 左右。

1.2 電機(jī)換向抽油機(jī)主體參數(shù)

正常情況下，在工作時(shí)需要選擇剎車(chē)時(shí)能夠達(dá)到160 N·m以上制動(dòng)力矩的制動(dòng)器。計(jì)算需要選擇大于480 N·m 的制動(dòng)力矩，通過(guò)對(duì)失效的平衡重懸掛的計(jì)算能夠得知，需要選擇剎車(chē)時(shí)能夠達(dá)到750 N·m 以上制動(dòng)力矩的制動(dòng)器。綜上，需要選擇剎車(chē)時(shí)能夠達(dá)到750 N·m 以上制動(dòng)力矩的剎車(chē)系統(tǒng)[1]。

2 電機(jī)特性分析

本文分析WCYJD12-6-40Z12 型塔架電機(jī)向皮帶抽油機(jī)的轉(zhuǎn)換。按照常規(guī)力學(xué)進(jìn)行分析，抽油機(jī)懸點(diǎn)按照一般規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。假設(shè)懸點(diǎn)上沖程、下沖程以及加減速所需的時(shí)間相同，并且換向前后均以勻變速狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那么其勻速運(yùn)動(dòng)周期為3/5。根據(jù)變化規(guī)律對(duì)后電機(jī)的等效速度作出以下假設(shè)，在0～t1，t4～t6，t9～t10期間進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)角的加速需要按照常數(shù)進(jìn)行，電機(jī)按照勻變速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在t1～t4，t6～t9期間進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)角按照常數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)為下死點(diǎn)，正方向?yàn)橄蛏线\(yùn)動(dòng)，則可以將懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分為五段進(jìn)行分析。在勻變速運(yùn)動(dòng)下，摩擦輪轉(zhuǎn)角為：

式中 φ——摩擦輪轉(zhuǎn)角，rad

φ0——摩擦輪初始轉(zhuǎn)角，rad

ω0——摩擦輪初始角速度，rad/s

ε——摩擦輪角加速度，rad/s2

通過(guò)對(duì)塔架電機(jī)WCYJD12-6-40Z12 向皮帶抽油機(jī)轉(zhuǎn)換的分析，參數(shù)如下：沖次、電機(jī)轉(zhuǎn)速、總傳動(dòng)比、摩擦輪半徑分別為5 min-1、1071 r/min、45 mm、500 mm。代入各參數(shù)，能夠得知懸點(diǎn)速度和加速度變化規(guī)律、懸點(diǎn)以1.25 m/s2的加速度進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)，以1.25 m/s2的加速度進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)，以5 m/s 的速度進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)。

3 基于電機(jī)特性的電機(jī)換向抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)常規(guī)的電機(jī)換向抽油機(jī)進(jìn)行分析，并假設(shè)其為勻轉(zhuǎn)速。如果沒(méi)有根據(jù)相關(guān)機(jī)械特性和輸出力矩，考慮好電機(jī)轉(zhuǎn)速和相關(guān)變化，會(huì)導(dǎo)致懸點(diǎn)變化規(guī)律不確定，無(wú)法根據(jù)相關(guān)性能，準(zhǔn)確分析電機(jī)換向抽油機(jī)。因此根據(jù)相關(guān)特性，通過(guò)耦合模型對(duì)抽油機(jī)以及電機(jī)進(jìn)行分析，能夠得知抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。進(jìn)而能夠根據(jù)力學(xué)特性，對(duì)不同的抽油機(jī)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算[2]。

抽油機(jī)的速度波動(dòng)不只是在開(kāi)始換向和結(jié)束換向時(shí)基本處于相對(duì)較小的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在開(kāi)始換向時(shí)，其平均速度最大能夠達(dá)到1.8～2.0 倍，能夠達(dá)到20～30 m/s2的加速度。相比沖程、沖次游梁式抽油機(jī)高了10～15 倍，但是無(wú)法持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，通過(guò)對(duì)加速度的改變，只會(huì)對(duì)初始階段的抽油機(jī)造成影響。但是系統(tǒng)有可能會(huì)受到?jīng)_擊而出現(xiàn)振動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法根據(jù)動(dòng)力學(xué)對(duì)排采系統(tǒng)的性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析。為此，針對(duì)電機(jī)向抽油機(jī)的換向，需要將減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)在抽油機(jī)和抽油桿兩者的空隙間，或設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來(lái)降低系統(tǒng)換向時(shí)受到的沖擊載荷。如果系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行柔性減振，則懸點(diǎn)在電機(jī)換向抽油機(jī)時(shí)所受到的沖擊載荷較大，導(dǎo)致桿柱無(wú)法保持工作性能，故需要使用柔性驅(qū)動(dòng)來(lái)降低系統(tǒng)受到的沖擊。

分析塔架電機(jī)WCYJD12-6-40Z12 向皮帶抽油機(jī)轉(zhuǎn)換，采用半徑0.35 m 的滾筒，滾筒上的系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到4.5×103kg·m2的慣量，平衡重會(huì)產(chǎn)生4.25×104N·m 的力矩。等效到電機(jī)上達(dá)到2.4×104N·m 的制動(dòng)力矩，其有著與平衡重力矩相反的方向。在結(jié)束靜變形時(shí)的上沖程會(huì)出現(xiàn)失載現(xiàn)象，此時(shí)的系統(tǒng)速度、塔架高度分別為1.0 m/s 和6.5 m。則重物以4.86 m/s2的加速度進(jìn)行下落運(yùn)動(dòng)，到達(dá)地面時(shí)的平衡重達(dá)到vd=8.02 m/s。

（1）對(duì)電機(jī)向抽油機(jī)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)保護(hù)剎車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠在失載時(shí)發(fā)揮保護(hù)作用。

（2）通過(guò)柔性帶對(duì)懸點(diǎn)的傳動(dòng)，能夠使換向沖擊得到良好吸收，能夠?qū)ο噜徬到y(tǒng)，例如抽油桿、抽油泵等起到良好保護(hù)。

（3）由于電機(jī)在線抽油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換過(guò)程中，一定程度上會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷。因此，如果傳動(dòng)鏈在電機(jī)和滾筒之間的設(shè)置是剛性的，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法保持工作性能，并且缺乏可靠性，因此需要采用軟性換向進(jìn)行控制。此外，電機(jī)和滾筒兩者間所采用的傳動(dòng)需要柔性，以此減少電機(jī)受到的沖擊力。

（4）由于失載產(chǎn)生的沖擊荷載，需要重新根據(jù)穩(wěn)定性對(duì)支架進(jìn)行考慮和計(jì)算。

4 抽油機(jī)性能檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

目前將理化性能以及相關(guān)材料，作為制造加工階段靜態(tài)抽油機(jī)以及主要構(gòu)件的關(guān)注重點(diǎn)。從實(shí)際角度看，根據(jù)理化性能對(duì)結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)毫無(wú)意義。此外，由于沒(méi)有對(duì)加載方式進(jìn)行統(tǒng)一，并且試驗(yàn)時(shí)間有限。因此，無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效、安全地對(duì)抽油機(jī)的整機(jī)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）只是形式上片面對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）在試驗(yàn)整機(jī)型時(shí)，加載模擬時(shí)需要將重物吊掛在懸點(diǎn)處。在試驗(yàn)階段需要根據(jù)平穩(wěn)性、構(gòu)件溫度以及磨損程度，對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)、承受摩擦以及齒輪進(jìn)行檢測(cè)。完成試驗(yàn)后，需要根據(jù)變形情況和焊接情況，對(duì)主要受力構(gòu)件進(jìn)行檢驗(yàn)。

由于試驗(yàn)整機(jī)是為了對(duì)整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)制造水平進(jìn)行校驗(yàn)，因此需要做好以下工作：①舉升特性較好，對(duì)超過(guò)額定標(biāo)準(zhǔn)125%的載荷能夠進(jìn)行平穩(wěn)舉升；②支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，需要根據(jù)投影和振幅對(duì)懸點(diǎn)以及支架進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)；③需要根據(jù)應(yīng)力水平對(duì)受力構(gòu)件進(jìn)行主要檢驗(yàn)，使安全系數(shù)滿足要求[3]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電機(jī)特性的考慮，以塔架電機(jī)WCYJD12-6-40Z12 向皮帶抽油機(jī)的轉(zhuǎn)換為例，采用動(dòng)力學(xué)對(duì)換向沖擊以及特殊工況下的抽油機(jī)性能進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)電機(jī)和傳動(dòng)特性的結(jié)合，根據(jù)動(dòng)力學(xué)對(duì)特殊工況下的典型抽油機(jī)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并建立了相應(yīng)測(cè)試方法，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行測(cè)評(píng)。