王 旭，梁健偉，安斯遠(yuǎn)，趙飛鵬，王 洋

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著油田開采的不斷深入，低滲透油田的發(fā)現(xiàn)數(shù)量越來(lái)越多，目前我國(guó)已探明的低滲透油田占到新發(fā)現(xiàn)油藏的一半以上［1-2］。低滲透油田具有油層儲(chǔ)層滲透率低、豐度低、產(chǎn)量低的特點(diǎn)，相比普通油田而言，其開采難度與開發(fā)成本較高［3］。若在低滲透油田的開采中仍使用常規(guī)的游梁抽油機(jī)，會(huì)使抽油機(jī)的泵效降低［4］。

國(guó)內(nèi)的研究人員對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)低滲透油井研制了新型抽油機(jī)［6-13］。常宇榮［6］等提出了一種蝸輪蝸桿傳動(dòng)抽油機(jī)，采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?yàn)槌橛蜋C(jī)提供單級(jí)的大傳動(dòng)比，使抽油機(jī)能實(shí)現(xiàn)低沖次的采油工作，并且減小了抽油機(jī)的尺寸。邵軍［7］等提出了一種齒輪導(dǎo)桿式抽油機(jī)，將齒輪齒條機(jī)構(gòu)應(yīng)用于導(dǎo)桿抽油機(jī)，利用不完全齒輪與齒條進(jìn)行嚙合換向，與常規(guī)游梁抽油機(jī)相比，降低了電機(jī)功率。李杰等［8］提出了一種輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條抽油機(jī)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)并且無(wú)需減速器，降低了成本。王磊［9］等提出了一種新型傳動(dòng)抽油機(jī)，利用齒輪齒條傳動(dòng)替代了常規(guī)游梁抽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，提高了整機(jī)效率。田珍珍［10］等提出了一種橢圓齒輪抽油機(jī)，在常規(guī)齒輪齒條抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，將橢圓齒輪加入三級(jí)減速器中，改善了抽油機(jī)在換向時(shí)受到的振動(dòng)沖擊。李紅才［11］提出了一種超低沖次的抽油機(jī)方案，采用了三級(jí)四軸減速器，使抽油機(jī)的最低沖次達(dá)到了1.5 次/min。汪斌［12］等整理了調(diào)小沖次的方法，主要包括采用變頻調(diào)速、采用大傳動(dòng)比三級(jí)減速器+電機(jī)、增加中間減速裝置、采用超低轉(zhuǎn)速大啟動(dòng)扭矩電動(dòng)機(jī)等，為他人提供借鑒。楊洋洋等［13］開發(fā)柔性超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性及懸點(diǎn)載荷開展了分析，確定了長(zhǎng)沖程抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的計(jì)算方法。

綜上所述，本文針對(duì)超低滲透油田生產(chǎn)需求［14］，提出一種天車輪式齒條抽油機(jī)方案，采用大傳動(dòng)比減速器幫助抽油機(jī)降低沖次的方法，設(shè)計(jì)并使用少齒差齒輪減速器為抽油機(jī)提供大傳動(dòng)比，目標(biāo)是使該抽油機(jī)最低沖次能達(dá)到1 次/min。還對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)特性影響因素分析。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 少齒差齒輪減速器結(jié)構(gòu)及原理

少齒差齒輪減速器屬于漸開線行星齒輪減速器中的一種，其單級(jí)傳動(dòng)比i 為10～100，而常規(guī)的圓柱齒輪減速器單級(jí)傳動(dòng)比i≤8，少齒差齒輪減速器可提供的傳動(dòng)比更大。為了實(shí)現(xiàn)更低的沖次，本方案設(shè)計(jì)并采用了少齒差齒輪減速器。依據(jù)抽油機(jī)的生產(chǎn)需求，對(duì)少齒差齒輪減速器的傳動(dòng)比按i ＝188 進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以獲取1 次/min的超低沖次。圖1 為漸開線少齒差行星齒輪減速器的剖面視圖。采用了雙內(nèi)嚙合（NN）型傳動(dòng)，由兩對(duì)漸開線少齒差齒輪副組成，共同完成減速，不需要其他輸出機(jī)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)的所需傳動(dòng)比i ＞28，為提高傳動(dòng)效率，采用了內(nèi)齒輪進(jìn)行輸出［15］，其傳動(dòng)形式如圖2 所示。其主要工作原理是內(nèi)齒輪2 固定，電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)帶傳動(dòng)至少齒差齒輪減速器偏心軸，帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪1、3 自轉(zhuǎn)及圍繞中心公轉(zhuǎn)，雙聯(lián)齒輪1、3 連為一體，外齒輪3再帶動(dòng)內(nèi)齒輪4，使內(nèi)齒輪4 作低速輸出。

圖1 少齒差齒輪減速器的剖面視圖

圖2 NN型減速器的傳動(dòng)形式

常規(guī)游梁抽油機(jī)使用的三級(jí)齒輪減速器傳動(dòng)比在80～140，最低可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)沖次為1.5 次/min，本文的少齒差齒輪減速器傳動(dòng)比為188，可使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)最低沖次為1 次/min，讓抽油機(jī)降低了沖次，提升了泵效。并且常規(guī)游梁抽油機(jī)三級(jí)齒輪減速器要進(jìn)行三級(jí)減速，減速器結(jié)構(gòu)尺寸比較大，在實(shí)現(xiàn)沖次為1.5 次/min 時(shí)，中心距能達(dá)到900 mm，而本文的少齒差齒輪減速器采用NN型內(nèi)嚙合傳動(dòng)，充分利用了傳動(dòng)空間，減小了尺寸，在提供傳動(dòng)比為188 時(shí)，其中心距為2.4 mm，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

1.2 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

圖3 為天車輪式齒條抽油機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，包括傳動(dòng)部分、換向部分、平衡部分、機(jī)架等。傳動(dòng)部分將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器傳遞到少齒差齒輪減速器的輸出軸上，為抽油機(jī)提供較大的傳動(dòng)比，以實(shí)現(xiàn)低沖次采油。換向部分由轉(zhuǎn)盤、固定銷軸、長(zhǎng)桿、齒輪齒條、天車輪等構(gòu)成。少齒差齒輪減速器輸出軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤上的固定銷軸在長(zhǎng)桿的滑槽內(nèi)滑動(dòng)并推動(dòng)長(zhǎng)桿在機(jī)架頂部的軌道上進(jìn)行左右的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，長(zhǎng)桿上的齒條與齒輪嚙合傳動(dòng)，使得與齒輪通過(guò)軸相連接的天車輪進(jìn)行往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而完成采油作業(yè)。

圖3 天車輪式齒條抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本文對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線進(jìn)行分析，分別包括懸點(diǎn)位移、速度、加速度曲線，為動(dòng)力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。

天車輪式齒條抽油機(jī)的換向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4 所示。圖4 中，以懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)（即抽油桿處于最低位置）時(shí)，固定銷軸所對(duì)應(yīng)位置A 作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)。此時(shí)，滑槽位于轉(zhuǎn)盤上的A點(diǎn)。懸點(diǎn)處于上死點(diǎn)時(shí)候（即抽油桿處于最高位置）時(shí)，固定銷軸所對(duì)應(yīng)位置為B點(diǎn)。任一時(shí)刻，固定銷軸所在位置與初始位置間的夾角為θ，以逆時(shí)針為正。

圖4 換向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

（1）懸點(diǎn)位移

根據(jù)余弦定理可得，當(dāng)轉(zhuǎn)盤由初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度θ時(shí)，懸點(diǎn)的位移S為：

式中：θ為轉(zhuǎn)盤由初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，（°）；R為固定銷軸的回轉(zhuǎn)半徑，R1為齒輪半徑，R2為天車輪半徑，m。

（2）懸點(diǎn)速度

將位移對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可求得任一時(shí)刻懸點(diǎn)的速度為：

（3）懸點(diǎn)加速度

將速度V關(guān)于時(shí)間t 求導(dǎo)數(shù)，即可求得任一時(shí)刻懸點(diǎn)的加速度為：

3 實(shí)例計(jì)算

本節(jié)將驗(yàn)證在沖次為1 次/min 時(shí)，常規(guī)游梁抽油機(jī)與天車輪式齒條抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能，并進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 基本參數(shù)

以某油田8 型抽油機(jī)［16］機(jī)構(gòu)參數(shù)為參考，其機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，天車輪式齒條抽油機(jī)參數(shù)為R ＝1.5 m，R1＝1 m，R2＝1 m。

表1 CYJ－8－3－37HB型常規(guī)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸

3.2 計(jì)算結(jié)果

在Matlab中編寫程序，將8 型抽油機(jī)尺寸參數(shù)及天車輪式齒條抽油機(jī)的參數(shù)R ＝1.5 m，R1＝1 m，R2＝1 m，N ＝1 次/min分別導(dǎo)入其程序里，可得抽油機(jī)的加速度曲線如圖5 所示。由圖可得，在沖程、沖次相同的情況下，天車輪式齒條抽油機(jī)的加速度曲線相比常規(guī)游梁抽油機(jī)的加速器的曲線變化的幅度更小，說(shuō)明它比常規(guī)游梁式抽油機(jī)運(yùn)行的更加平穩(wěn)。并且抽油機(jī)的慣性載荷取決于懸點(diǎn)加速度的大小，懸點(diǎn)加速度越小則慣性載荷越小。在沖次為1 次/min 時(shí)，天車輪式齒條抽油機(jī)的最大加速度為0.016 4，常規(guī)游梁抽油機(jī)的最大加速度為0.024 3。天車輪式齒條抽油機(jī)最大加速度比常規(guī)游梁抽油機(jī)的最大加速度降低了約32.5%，說(shuō)明運(yùn)行時(shí)受到的沖擊更小一點(diǎn)。

圖5 1次/min下抽油機(jī)加速度曲線對(duì)比

3.3 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性影響因素分析

3.3.1 不同沖次對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的影響

在抽油機(jī)沖程一定時(shí)，改變沖次，研究其對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的影響。取沖程為3 m，沖次分別為1、1.5、2次/min，利用Matlab進(jìn)行編程，繪制運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖6—8 所示。

圖6 不同沖次下的位移曲線

從圖6 可以看出，3 個(gè)不同沖次的懸點(diǎn)位移曲線重疊在了一起，表明沖次的高低不會(huì)改變抽油機(jī)的沖程大小及位移曲線的形狀，隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角的變化，懸點(diǎn)位移由零逐漸變大，最大沖程仍為3 m，并且上下沖程的位移曲線是對(duì)稱的。

從圖7 可以看出，隨著沖次的增大，抽油機(jī)懸點(diǎn)速度隨之增大，沖次越低，抽油機(jī)的速度曲線越加平緩，抽油機(jī)運(yùn)行得也更加平穩(wěn)，抽油機(jī)沖次N 分別為1、1.5、2 次/min時(shí)，其懸點(diǎn)的最大速度分別為0.157 1、0.235 6、0.314 2 m/s，速度曲線的形狀類似于正弦曲線，以沖次為1 次/min 時(shí)為例，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為90°時(shí)候，懸點(diǎn)速度為0.157 1m/s；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為270°時(shí)，懸點(diǎn)速度為-0.157 1m/s，這表明在上下沖程到一半的時(shí)候，它們的懸點(diǎn)速度都達(dá)到最大值，并且上下沖程的懸點(diǎn)最大速度大小一樣大。

圖7 不同沖次下的速度曲線

從圖8 可以看出，隨著沖次的增大，抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度越來(lái)越大，抽油機(jī)沖次越低，則啟動(dòng)時(shí)所受到的沖擊越小，抽油機(jī)沖次N為1、1.5、2 次/min 時(shí)，其懸點(diǎn)的最大加速度分別為0.016 4、0.037 0、0.065 8，速度曲線的形狀類似于余弦曲線，以沖次為1 次/min 時(shí)為例，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，其加速度大小為0.016 4，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為180°時(shí)，其加速度為-0.016 4，表明在啟動(dòng)和換向時(shí)，抽油機(jī)的加速度達(dá)到最大值，并且啟動(dòng)時(shí)和換向時(shí)的加速度的大小相同。

圖8 不同沖次下的加速度曲線

3.3.2 不同固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的影響在抽油機(jī)沖次一定時(shí)，改變固定銷軸的回轉(zhuǎn)半徑，研究其對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的影響。取沖次為1 次/min，固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑分別為0.6、0.8、1 m，利用Matlab進(jìn)行編程，繪制運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖9—11所示。

圖9 不同回轉(zhuǎn)半徑下的位移曲線

從圖9 可以看出，隨著固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑的變化，抽油機(jī)位移曲線的發(fā)生改變，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑R分別為0.6、0.8、1 m時(shí)，其沖程分別為1.2、1.6、1 m，這表明固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑越大，則沖程越大，但上下沖程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律仍是一致的。

從圖10 可以看出，隨著固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑的增大，懸點(diǎn)的最大速度也在增大，但最大速度仍位于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為90°和270°處，以回轉(zhuǎn)半徑為1 m時(shí)為例，在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角分別為90°和270°時(shí)，抽油機(jī)的懸點(diǎn)速度大小均為0.104 7 m/s，方向相反。

圖10 不同回轉(zhuǎn)半徑下的速度曲線

從圖11 可以看出，當(dāng)沖次一定時(shí)，固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑越大，則抽油機(jī)的起動(dòng)加速度越大，且上下沖程的最大加速度的大小一樣大。

圖11 不同回轉(zhuǎn)半徑下的加速度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)低滲透油田的特點(diǎn)，提出了一種天車輪式齒條抽油機(jī)的方案。設(shè)計(jì)并采用少齒差齒輪減速器進(jìn)行傳動(dòng)，在選用原有泵徑、沖程的基礎(chǔ)上，使抽油機(jī)最低沖次由1.5 次/min降至1 次/min，滿足了超低滲油田的生產(chǎn)需要，提高了泵效并減小了抽油機(jī)尺寸。同時(shí)，在抽油機(jī)沖次為1 次/min的條件下，對(duì)比了天車輪式齒條抽油機(jī)與常規(guī)游梁抽油機(jī)的懸點(diǎn)加速度曲線，發(fā)現(xiàn)天車輪式齒條抽油機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，運(yùn)行時(shí)懸點(diǎn)最大加速度比常規(guī)游梁抽油機(jī)的最大加速度降低超過(guò)32.5%，在運(yùn)行時(shí)受到的沖擊更小。分析還發(fā)現(xiàn)沖次對(duì)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性有影響，但沖次的高低不會(huì)改變抽油機(jī)位移曲線的規(guī)律，沖次越低，抽油機(jī)運(yùn)行得越平穩(wěn)，受到的沖擊也越小。固定銷軸回轉(zhuǎn)半徑越大，抽油機(jī)的沖程、速度、加速度也越大。