抽油机游梁平衡自动调节系统的设计①

杜永军 于嘉骥

(东北石油大学机械科学与工程学院)

抽油机游梁平衡自动调节系统的设计①

杜永军 于嘉骥

(东北石油大学机械科学与工程学院)

针对抽油机由于不平衡而造成的耗能问题，设计了一个抽油机游梁平衡自动调节系统。系统采用功率法检测抽油机的平衡度，当抽油机处于失衡状态时，系统通过步进电机驱动游梁上的平衡配重小车改变它与游梁支点的相对位置，进而调整曲柄轴上的扭矩，使抽油机重新在新平衡状态下运行。

抽油机 游梁平衡自动调节系统 动力学分析 平衡度

油田现场的抽油机大多在不平衡状态下运行，对于这些失衡的抽油机，通常采用调整平衡机构的方式(如人工调整平衡块力矩的方法)使抽油机重新达到平衡的状态[1]。但是失衡状态的调节大多是在极其不平衡的状态下进行的，这造成了调节滞后、效率低、精度低、停机影响产量及不利节能等诸多问题。油田现场虽然存在一些抽油机自动平衡调节装置，起到了一定的调节作用，但节能效果不理想，同时由于野外环境恶劣，这些装置的可靠性极低。

针对上述情况，笔者设计了一个抽油机游梁平衡自动调节系统，在冲程、冲次保持不变的情况下，通过改变类似滑块机构的配重小车位置来调整平衡扭矩，使抽油机的净扭矩保持不变，保证抽油机在平衡状态下运行，达到节能、提效的目的。

1 系统的组成与原理

抽油机游梁平衡自动调节系统(图1)由机械系统和自动控制系统两部分组成。机械系统由小车轨道和配重小车G1(含步进电机)组成。配重小车由小车外壳、步进电机、行星齿轮组、花键、蜗轮、蜗杆及行走齿轮等组成。自动控制系统由信号采集系统、驱动系统和显示控制系统组成。

图1 抽油机游梁平衡自动调节系统原理

2 系统的设计

2.1 机械系统

当电机转动时，电机的转动转矩通过行星齿轮组进行放大，并通过花键传递到蜗杆上，再通过啮合的蜗轮蜗杆副传递给蜗轮，使扭矩得到进一步的放大并改变其转动方向。最后由蜗轮同时带动两个行走齿轮在固定在底座上的齿条上做往复运动，实现平衡小车的位移控制。

这种机械机构具有精度高、结构紧凑和冲击载荷小的优点，充分利用了蜗轮蜗杆机构的自锁能力，设计中把机构本身作为配重来节省成本和空间。

2.2 平衡调节系统的运动学分析

通过对平衡机构进行运动学分析，确定抽油机平衡时配重小车相对游梁的位置，然后由能量守恒原理计算出抽油机平衡时配重小车的最优距离。

抽油机结构不平衡重B为：

式中A′——游梁前臂长度；

l——q1重心到游梁支点的距离；

q1——游梁部件重力。

游梁平衡重移动的距离为s·(sinθ1+sinθ2)，储存的能量为Q1·s(sinθ1+sinθ2)；游梁部件自重移动的距离为l(sinθ1+sinθ2)，储存的能量为q1l(sinθ1+sinθ2)；曲柄平衡重移动的距离为R2cos(θ0-t)+R2·cos(θ0+λ-t)=R2×[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)[2～4]，储存的能量为Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]；曲柄自重移动的距离为r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]，储存的能量为q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t]。其中，s为游梁平衡重心沿游梁方向相对游梁支点的距离，θ1为上死点时游梁的水平夹角，θ2为下死点时游梁的水平夹角，Q1为游梁平衡重力，R2为曲柄平衡重半径，t为曲柄平衡块重心线与曲柄重心线的夹角，θ0为上死点时曲柄初始角，λ为极位夹角，Q2为曲柄平衡块重力，r2为曲柄的重心半径，q2为曲柄自重。

平衡装置储存的能量α0为：

α0=Q1·s(sinθ1+sinθ2)+q1l(sinθ1+sinθ2)+

Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]+

q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]

(1)

q1l=B·A′，代入式(1)可得：

α0=Q1·s(sinθ1+sinθ2)+B·A′(sinθ1+sinθ2)+

Q2R2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]+

q2r2[cos(θ0-t)+cos(θ0+λ-t)]

如果利用抽油机静力示功图进行计算，则α0=S(PG+PY/2)，可得到游梁平衡重心沿游梁方向相对游梁支点的距离s为：

式中PG——抽油杆在油中受到的重力；

PY——曲油管内柱塞上的油柱重；

S——冲程。

2.3 自动控制系统

自动控制系统由信息采集系统、驱动系统和显示控制系统组成。在抽油机运行过程中，系统通过采集电压、电流信号，对抽油机上下冲程的平均功率与平衡度进行运算和对比，判断抽油机是否处于平衡状态。当平衡度在0.85～1.15之间时[5]，抽油机处于平衡状态，此时系统无需调整；否则抽油机处于不平衡状态，此时系统发出控制指令，驱动元件(步进电机)驱动配重小车移动到相对游梁的指定位置来调整平衡扭矩，使抽油机的净扭矩保持不变，重新达到新的平衡状态。控制系统为二十四小时工作制，即每24h系统调整平衡一次，每次20min。这样既保证了抽油机基本在平衡状态下运行，同时也克服了步进电机长期运转的耗能问题和频繁调节导致的电机和平衡小车易损坏问题。

3 结束语

笔者设计了一个抽油机游梁平衡自动调节系统，解决了抽油机由不平衡而造成的耗能问题，节省了大量人力、物力。该系统可以独立安装在抽油机抽油系统中，也可以通过简单的改造与其他节能系统(如空抽节能控制系统、变频节能控制系统等)组装成多功能节能控制系统，安装在抽油机系统中，使节能效果更明显，油田管理更方便。

[1] 杜永军,王鹏月,涂学万,等.多功能抽油机节能控制器的研发[J].科学技术与工程,2009,9(3):691～694.

[2] 任涛.曲柄轴净扭矩趋近直线形态的抽油机传动机构研究[J].现代制造工程,2010,(4):136～140.

[3] 任涛.曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算[J].机械传动,2010,34(3):46～49.

[4] 张建军,李向齐,石惠宁.游梁式抽油机设计计算[M].北京:石油工业出版社,2005:45～48.

[5] 王平,崔臣君,刘丽娟,等.抽油机平衡度实时测量技术[J].油气田地面工程,2010,29(10):6～7.

DesignofAuto-regulatingSystemforBeam-balancedPumpingUnit

DU Yong-jun, YU Jia-ji

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity)

Considering incorrect energy consumption incurred by the pumping unit’s unbalance, an auto-regulating system for beam balance was designed. The system adopts the power method to detect the pumping unit’s degree of balance; when the pumping unit stays at imbalance state, the system changes its position relative to beam support by driving the stepper motor-driven balance weight car on the beam so as to adjust the crankshaft torque to make the pumping unit operated under the new balance state.

pumping unit, auto-regulating system for beam balance, Kinetics analysis, degree of balance

杜永军(1962-)，教授，从事油田采油技术与节能技术的研究。

联系人于嘉骥(1990-)，硕士研究生，从事海洋石油平台钢结构的设计与建造工作，wonderdance@163.com。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)01-0052-03

2016-03-08，

2016-04-13)