曲柄行星轮式抽油机定轮的优化设计

贾 征,程 伟,刘 勇,李义顺,李小松

(中国石油冀东油田机械公司,河北唐海063200) *

曲柄行星轮式抽油机定轮的优化设计

贾 征,程 伟,刘 勇,李义顺,李小松

(中国石油冀东油田机械公司,河北唐海063200)*

曲柄行星轮式抽油机是一种新型无游梁抽油机,在保持高可靠性的前提下,可缩小体积、节约占地,满足长冲程、大载荷的工况要求,并获得显著的节电效果。定轮的曲线形式决定着该抽油机的节能效果。通过对阿基米德螺线、偏心圆曲线和双圆弧曲线的对比,确定了该抽油机定轮的最佳曲线型式。对比得出,曲柄行星轮式抽油机的运动和动力特性均优于双驴头抽油机。

曲柄行星轮式抽油机;阿基米德螺线;双驴头抽油机;节能

游梁式抽油机具有工作可靠、耐用的特点,能够适应油田恶劣、连续的采油工况。但是,受传动装置传动比的限制,游梁式抽油机冲次偏高,无法满足低渗透、低产井对低冲次抽油机的要求[1]。另外,针对一些油层较深,悬点载荷较大的油井,游梁式抽油机的体积和钢材耗量较大,性价比较差。因此,研制低冲次、长冲程、大载荷、节能型抽油机对于降低油井的运行成本、提高油井开发的综合经济效益具有重要的意义。

曲柄行星轮式抽油机是冀东油田机械公司自主研发的新型节能抽油机。通过对抽油机结构的研究发现,定轮曲线形式对该抽油机的节能效果影响较大。

1 总体结构

图1 曲柄行星轮式抽油机

为减小抽油机的轮廓尺寸和质量,满足长冲程、大悬点载荷工况的要求,开发了一种新型无游梁抽油机,结构如图1。该新型抽油机在保持高可靠性优点的前提下,与常规游梁抽油机及双驴头抽油机相比,具有体积小、钢耗低、节约占地等优点,同时又能满足直线抽油机长冲程、大悬点载荷的工况要求,并获得显著的节电效果。

2 定轮设计

2.1 方案及实施

曲柄行星轮式抽油机定轮组件中的等径轮和变径轮相当于双驴头抽油机的前驴头和后驴头,按照双驴头抽油机的设计思想[2],其变径轮曲线结构的优化是抽油机节能设计的关键。经过多方的分析论证,从理论上得到了肯定和认可,笔者根据设计的曲柄行星轮式抽油机图纸,利用车间现有条件,制作了该抽油机试验模型(如图2),并进行了多次试验。

图2 抽油机试验模型

该试验模型以车床操作台为基准面,高度尺B作为支架,定轮组件和挂绳器安装于高度尺B上,用分度头作为减速器,安装曲柄和行星轮组件。试验时,摇动分度头,用高度尺A记录不同曲柄转角所对应的悬挂物的高度。

试验过程中,笔者设计了3种方案并进行分析比较,如图3。

图3 抽油机定轮曲线试验方案

为了保证试验结果的准确性,在3种方案中,保持所有结构件的相对位置不变,只对定轮组件中定轮曲线进行调整。通过试验,获得了不同工况下抽油机的逐点位置关系数据。

2.2 分析计算

根据抽油机模拟试验结果,对其结构尺寸进行几何关系(如图4)分析,由式(1)～(2)计算扭矩因数和减速器净扭矩[3-5]。

图4 曲柄行星轮式抽油机几何关系

扭矩因数为

减速器净扭矩为

式中,TF为扭矩因数,m;α为 P和R之间的夹角, (°);β为 P和C之间的夹角,(°);Tn为减速器净扭矩,kN·m;W为悬点载荷,kN;WB为结构不平衡重力,kN;M为最大平衡扭矩,kN·m;θ为曲柄转角,(°)。

2.3 节能比较

通过模拟试验和计算机数据分析相结合,对定轮曲线的3种方案进行了逐点分析计算,得出了各点的扭矩因数和减速器净扭矩(如图5～10)。可以看出,方案三中扭矩因数和减速器静扭矩的峰值低于方案一和方案二,并且方案三中减速器基本消除了负扭矩,运行平稳。

图5 方案一:扭矩因数

图6 方案一:减速器净扭矩

图7 方案二:扭矩因数

图8 方案二:减速器净扭矩

图9 方案三:扭矩因数

图10 方案三:减速器净扭矩

3种方案数据分析对比如表1,笔者得出方案二的节能性优于方案一,方案三的节能性优于方案二。因此,曲柄行星轮式抽油机的定轮曲线应采用阿基米德螺旋线。

表1 3种方案数据对比

3 与双驴头抽油机节能性分析比较

双驴头抽油机是将常规游梁式抽油机的游梁后臂加装后驴头,用驱动绳来代替连杆的硬连接[3]。目前,国内外对游梁抽油机和双驴头抽油机的运动学和动力学分析均做了很多的研究,并有了较精确的结果和成熟的理论依据,普遍认为双驴头抽油机的运动和动力特性要优于常规游梁抽油机。

为了更好地设计、使用曲柄行星轮式抽油机,笔者选用12型曲柄行星轮式抽油机(定轮曲线为阿基米德螺线)与相同型号的双驴头抽油机在相同工况下进行了运动、动力分析比较。扭矩因数和减速器静扭矩如图11～14。

图11 曲柄行星轮式抽油机扭矩因数

图12 曲柄行星轮式抽油机减速器净扭矩

图13 双驴头抽油机扭矩因数

图14 双驴头抽油机减速器净扭矩

通过模拟试验和计算机数据逐点分析,对2种抽油机运动、动力分析对比(如表2),得出曲柄行星轮式抽油机可以有效减小曲柄轴扭矩波动,增加了冲程,基本消除了负扭矩,运行平稳,可靠度高,其运动和动力特性均优于双驴头抽油机。

表2 曲柄行星轮式抽油机与双驴头抽油机运动和动力参数对比

续表2

4 现场应用

目前,曲柄行星轮抽油机已生产制造3台,均为18型,已经投入冀东油田陆上作业区使用。其中样机由于皮带偏磨问题现已停止使用,其余2台运行良好,从安装至今最长将近10个月,未出现过报修故障。据现场反映,该机平衡好,维护方便,综合性能优越,可满足油田对长冲程抽油机的要求。随着冀东油田海上开发的不断发展,降低油井的运行成本、提高油井开发综合经济效益,生产出更优的低冲次、长冲程、大载荷、安全可靠、节能性高的抽油机仍是油田生产建设的需要。

5 结论

1) 曲柄行星轮式抽油机不但具有游梁式抽油机曲柄换向可靠的优点,具有无游梁式抽油机长冲程、低冲次、大悬点载荷和节能的优点,同时缩小了体积,节约了占地。

2) 曲柄行星轮式抽油机定轮曲线形式为阿基米德螺线,使节能性优于定轮曲线形式为偏心圆和双圆弧抽油机。

3) 相同型号、相同工况下的曲柄行星轮式抽油机和双驴头抽油机比较,前者运行平稳,可靠度高,其运动和动力特性优于后者。

[1] 姚春东,董赵鹏.单曲柄滑轮增程低冲次节能型抽油机性能仿真[J].石油机械,2007,35(8):65-67.

[2] 张来斌,冯树强,郭 东,等.异型游梁式抽油机后驴头轮廓曲线的优化设计[J].石油矿场机械,1996,25(6): 8-12.

[3] SY/T5044—2003,游梁式抽油机[S].

[4] 万邦烈.采油机械的设计计算[M].北京:石油工业出版社,1998.

[5] 抽油机规范[G].马中海,陈俊杰,译.宝鸡:宝鸡石油机械厂,1996.

Optimized Design of Fixed Wheel Pumping Unit Using Crank Planetary Gear

J IA Zheng,CHEN G Wei,LIU Yong,LI Yi-shun,LI Xiao-song
(J idong Petroleum Mechanical Co.,Ltd.,CN PC,Tanghai063200,China)

Using Crank planetary gear in pumping unit is the new type which has no Beam.On

keeping the advantage of high reliability,it can reduce volume,save area,fulfill the working condi

tion of long stroke and big load,and obtain the effect of saving electricity.The curve shape on the fixed wheel which was mounted on the pumping unit determined the effect of energy saving.Based on the comparison Archimedes solenoid,eccentric circular curve and double circular curve,the best curve of the fixed wheel was obtained.By comparing this pumping unit with the double horsehead pumping unit,the conclusion that kinematic and dynamic characteristics of the pumping unit that were drawn are superior to the double horsehead pumping unit’s.

crank planetary gear pumping unit;Archimedes solenoid;double horsehead pumping unit;energy conservation

1001-3482(2011)05-0085-05

TE933.1

A

2010-11-15

贾 征(1982-),男,河北唐山人,主要从事油气集输设备的设计和研发工作,E-mail:jx_jz@petrochina.com.cn。