随动平衡抽油机的平衡性能计算与研究

刘连和



随动平衡抽油机的平衡性能计算与研究

刘连和

（大庆油田有限责任公司井下分公司，黑龙江 大庆 163000）

长冲程节能抽油机才能够有效提高稠油井的开采效益。提出一种在游梁后端上部增加平衡后置滑轮的方法，能有效增加抽油机的冲程，并平衡部分扭矩。对随动平衡抽油机的平衡原理进行了分析，结合抽油机的实际工作情况，对后置滑轮的平衡重进行了设计。计算了同等型号的随动平衡抽油机与普通抽油机的扭矩情况，证明加了后置滑轮的抽油机性能得到了明显改善，曲柄扭矩减小，且不存在负扭矩。

随动平衡抽油机；后置滑轮；平衡计算

世界抽油机的研究开发与应用已有100多年的历史[1]，特别是近20年技术发展较快[2-4]：先后研发了多种新型抽油机；增强了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽油性能，降低了抽油机载荷与载荷变化范围，提高了抽油效率，减少了动力消耗；提高了抽油机平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性与平衡特性；增大了抽油机的使用范围，减小了抽油机体积和质量，强化了抽油机的自动化与智能化程度。但是目前针对高粘度稠油的开采还没有一种抽油机能够成功解决，必须设计一种长冲程抽油机来解决该问题。

1 工作原理

提出一种随动平衡长冲程抽油机，如图1所示，主要设计思路是在弯游梁抽油机基础上，在游梁后端上部增加一个平衡后置滑轮，该滑轮固定在三角架上，三角架的其余两端分别与摇杆和游梁相连，摇杆和拉杆另一端通过轴支撑在塔架上。钢带的一端固定在平衡滑轮上，另一端绕过驴头上齿轮和滚子与悬绳器连接。

1.电动机2.皮带3.齿轮减速器4.曲柄 5.塔架6.扁平钢带7.排状分布滚子8.抽油机驴头9.前置滑轮10.游梁11.中间拉杆12.摇杆13.后置滑轮14.三角架15.连杆

下冲程时，后置滑轮重心相对游梁支点的水平距离（力臂长度）逐渐变小，平衡力矩减小，后置滑轮重心上移，存储势能。上冲程时，后置滑轮被三角摆架带动，向后移动，存储的能量转化为悬点载荷的动能。同时，后置滑轮相对游梁向后移动及后置滑轮自身的转动驱使钢带缠绕在滑轮上，抽油机的冲程大幅度增加。

当驴头向下运动时，固连在塔架上的拉杆推动后置滑轮相对游梁逐渐前移，因此后置滑轮相对平衡点产生的力矩不断减小，电动机消耗的功率逐渐减小，改善了电机功率负载曲线峰值。当驴头向上运动时，与游梁和摇杆连接的三角架带动后置滑轮相对游梁逐渐后移，一方面拉杆拉动后置滑轮转动的过程中驱使钢带绕在滑轮上，使得抽油机的冲程大大增加，另一方面后置滑轮产生的力矩不断增大，有效减少了净扭矩，最终减小了电动机负载时的输出功率，达到了节约能量、减少成本的目的。

2 随动平衡抽油机的平衡原理

游梁式抽油机主要通过气压缸固定在游梁的前侧或后侧来动态实时调节平衡，通过平衡块固定在曲柄或游梁上来平衡悬点载荷，即机械游梁平衡或机械曲柄平衡，其中机械式游梁抽油机应用更加广泛。曲柄或游梁上的平衡重可以以多种形式固定在抽油机上，从而达到不同的平衡效果。游梁平衡是通过在游梁尾部设置平衡块承压装置，将平衡块放到该装置内，不断调节平衡块重力，当平衡块达到合适重量后，即能平衡悬点载荷；曲柄在设计时都是呈T型尾部结构，是为了改变曲柄的平衡中心位置，重心后移，使抽油机在抽油，曲柄底部能够形成平衡重，平衡悬点载荷；而复合平衡就是在游梁的尾部和曲炳上同时装上平衡重。

3 后置滑轮平衡重的设计

从抽油机悬点载荷的变化规律可以得出，游梁式抽油机在整个工作循环内载荷是不均匀的。对静载荷来说，上冲程时驴头悬点需提起抽油机和油柱，这时电动机要付出很大的能量，下冲程时抽油杆依靠自重就可以下落，不但不需要电动机付出能量，反而对电动机做功，使电动机处于发电机运行状态。因此电动机在上、下冲程中的载荷是非常不均匀的，而悬点运动速度和加速度的变化又加剧了这种不均匀性，严重影响了四连杆机构、减速器和电动机的寿命，也恶化了抽油杆的工作条件，使抽油杆断裂次数显著增加，所以在游梁式抽油机－抽油泵装置中必须合理解决平衡问题，尽可能消除负功，使电动机、减速箱的载荷变均匀。

3.1 平衡准则

在设计抽油机平衡重结构从而使曲柄、游梁的结构不同来调节抽油机平衡时，首先要规定好平衡准则，使得抽油机节能且抽油效率良好。目前常采用的方式是使抽油机的电动机上下运动过程中所做的功相等。

下冲程时气动平衡或机械平衡装置应该获得能量，上冲程时抽油机下降过程中所应释放能量。向下运动过程中，平衡装置贮藏的能量应同等于电动机下冲程过程中所做的功与下冲程抽油杆柱下落所做的功之和，即：

上冲程时，后置滑轮装置放出的能量（等于下冲程过程中存储的势能）加上电动机冲程过程中所做的功等同于冲程抬高抽油杆柱和油柱过程中所做的功，即：

根据维持平衡原则，电动机下冲程做的功等于电动机上冲程做的功，为：

即有：

3.2 机械平衡重的计算

该弯游梁抽油机采用游梁与曲柄结合并加上随动滑轮的方式，故平衡重计算公式为：

代入数值得：游＝2.3 t，曲＝3 t。

3.3 减速器扭矩的计算

为简化计算，将曲柄的配重与自重合算到曲柄与电机的连接轴上，以保证曲柄运动过程中受到的总扭矩不会随外界条件改变而改变。研究游梁受力与连杆受力的关系，将连杆受力对游梁支撑点处求力矩可得到连杆受力为：

从而求得曲柄受力为：

式中：为悬点载荷，N；为游梁平衡中心到支点距离，kg；为游梁下冲程夹角，°；a为游梁上冲程夹角；β为游梁下冲程曲柄与水平线夹角；为连杆受到的力沿曲柄的切向方向的分力，曲柄旋转方向为正向，m；1为曲柄与连杆间夹角。

以曲柄为对象进行研究，为提升悬点载荷，记减速器输出轴的输出扭矩为（曲柄旋转的方向为正向），曲柄自重和曲柄的平衡配重得到的载荷为Q，连杆受到的力沿曲柄的切向方向的分力，则曲柄的平衡条件可以表示为：

式中：为曲柄回转半径，m；为曲柄最大转角，°。

悬点载荷对曲柄部分的平衡扭矩属于抽油机的负荷扭矩M，可以表示为：

负荷扭矩只与抽油机的尺寸参数和曲柄的旋转角度等有关，同样可以表示曲柄上受到单位悬点载荷时产生的扭矩，称为扭矩相关因数：

式（9）中的QRsin表示曲柄的自重与平衡重所产生的合扭矩，游梁自带平衡重和后置滑轮产生的合扭矩M可记为：

则合扭矩M、沿轴扭矩M分别为：

式中：Mmax为曲柄的自重和配重能够平衡的最大扭矩，也可以表示为曲柄处于与水平面平行时曲柄的自重与配重产生的合扭矩。

则式（9）可以写成：

（15）

式（15）中忽略抽油机的驴头、连杆机构、横梁、游梁等部件的自身重量，即不考虑这些部件提供的平衡作用，则可以改写成：

式中：为抽油机的驴头、连杆机构、横梁、游梁等部件的自身重量不平衡时的重量，求得的值等效于连杆机构与曲柄销轴分开时为维持游梁水平而施加给连杆机构的力，该状态下取值为正，当向上运动时取值为负。的值可以通过实际测量得到，同时可以通过重力计算推导得到。

式（16）考虑了游梁摆角和自身重量所产生的惯性力矩，公式较为复杂，对计算工作带来较大困难，为简化计算过程，在合理范围内忽视上述两项带来的影响，对于随动平衡抽油机的扭矩计算公式可以表示为：

在抽油机的稳定运行过程中悬点的最大载荷与减速箱输出轴扭矩值的最大值同时取得为，根据经验公式可得：

式中：max、min分别为最大、最小负载，kg。

对于该随动平衡抽油机，需将计算所得值乘上相关系数1.20～1.25，最后得出max，如图2、图3所示。对比平衡前、后的扭矩可知，通过后置滑轮随动平衡后的扭矩对比平衡前整体明显下降，不再出现负值，所以随动平衡抽油机改善了抽油机的整体性能、节约了能量。

图2 平衡扭矩

图3 平衡曲线图

4 结论

（1）利用滑轮后置带动钢带的方式，增加了抽油机的冲程，同时后置滑轮实现了随动平衡，可以节约能量。

（2）对后置滑轮进行了平衡计算，对比了该随动平衡抽油机与普通抽油机的扭矩情况，证明加了后置滑轮的抽油机性能得到了明显的改善，曲柄扭矩减小，且不存在负扭矩。

[1]冯耀忠，李光，韩炜. 国外抽油技术的新发展（一）[J]. 石油机械，2000（10）：58-60.

[2]冯耀忠，韩炜，李光. 国外抽油技术的新发展（二）[J]. 石油机械，2000，28（11）：58-60.

[3]张连山. 国外抽油机的技术发展[J]. 石油机械，1999，27（4）：54-56.

[4]张连山. 我国抽油机的新进展[J]. 石油机械，1996，24（增刊）：120-122.

Calculation and Study of Balance Performance of Oil Pumping Unit with Dynamic Balance

LIU Lianhe

(Daqing Oil Field Co Downhole Branch, Daqing 163000, China )

the long stroke pumping oil machine can improve the recovery efficiency of heavy oil. This paper presents a method of adding balanced rear pulley on the upper end of the rear end of the beam, which can effectively increase stroke and balance some torque of the pumping unit. The balance principle of the servo balancing pumping unit is analyzed. Based on the balance principle and the actual working condition of the pumping unit, the balance weight of the rear pulley is designed. The torque of the same type of servo pump and common pumping unit is calculated. It is proved that the performance of the pumping unit plus the rear pulley has been obviously improved, the crank torque has been reduced, and there is no negative torque.

follow up balance pumping unit；ear pulley；balance calculation

TE933+.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.007

1006－0316 (2018) 11－0027－04

2018－01－30

刘连和（1971－），男，辽宁大连人，硕士，工程师，主要研究方向为油田技术管理工作。