异相型游梁式抽油机的节能分析及结构设计

齐博漪 闫天豪

摘 ?要：目前，游梁式抽油机在我国全部在用的抽油机中占了大部分比例。其中异相型抽油机所增加的極位夹角和平衡相位角会大大地降低抽油机作业能耗。在分析异相型游梁式抽油机节能原理的基础上，对其结构设计的主要步骤进行了介绍，而其中最重要的就是四连杆机构的尺寸设计。

关键词：游梁式抽油机 ?节能 ?分析 ?结构设计

中图分类号：TE93 ? 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）30（c）-0055-02

在我国石油开采的过程中，由于游梁式抽油机作为当下应用最为广泛的石油设备，它的研究与开发一直在持续进行。传统的游梁式抽油机虽然存在着能耗高、采油效率低等问题，但其简单的抽油机结构，较高的可靠性，再加上油田初期巨大的石油效益，使得它仍然占据较大的市场份额。然而，在今天我国的大部分油田开采已经进入中后期，油田的产油量逐渐下滑，随之带来的经济效益也急剧降低。此时，传统游梁式抽油机的缺陷所增加的经济成本也就使成本放大，为了降低采油成本，减少抽油机作业过程中的电力能耗，对抽油机进行研究和发展就显得极其重要。

常规型游梁式抽油机的结构复杂性较低，制造过程简单，并且在发生故障时维护较为方便，其中最关键的特点是游梁式抽油机在油田运行不受周围天气的变化，可以整天24h运行。但是，常规型抽油机存在传动效率低、作业时功率不匹配等缺点。

1 ?常规游梁式抽油机的耗能分析

一般而言，常规型游梁式抽油机之所以能耗高，其主要原因有如下3个。

（1）抽油泵的排量与油井的渗透能力不匹配。简单来说，就是当抽油机工作时，抽油泵的抽油量与油井的排油量并不相等，从而导致抽油泵做无用功，增大了能耗，同时也增加抽油机的负担。

（2）交流电机负责为抽油机提供动力，在抽油杆下降期间，交流电机的转子转速通常高于电动机的同步速度，这意味抽油机的曲柄净扭矩是负值，此时的交流电机就会转化为发电机为电网供电，这种现象成为倒发电。倒发电不仅降低的电机的使用效率，还对电网造成了较大的损害。

（3）井况变化时，抽油机平衡调节不及时，导致减速器输出轴净扭矩波动大，同样会降低电机效率。

要想从根本上减少游梁式抽油机的能耗，提高节能效率，其直接途径就是对抽油机的结构进行改进。一般而言，可以对抽油机固有的四杆机构和平衡方式进行改进，以此来改变曲柄轴净扭矩的曲线变化，确保扭矩的变化不会出现较大波动。因此，异相型游梁式抽油机就随之而产生了。

2 ?异相型游梁式抽油机的节能分析

异相型游梁式抽油机是逐步发展起来的一种性能较好的抽油机。一般来说，常规型游梁式抽油机后梁支撑轴处在齿轮减速箱输出轴的正上方，曲柄销槽的中心线和平衡块中心的重力线之间没有偏置角度，前后梁的比例通常小于1.4∶1，因而造成减速箱输出扭矩比抽油泵所需扭矩高出40%左右。齿轮减速箱正负扭矩的方向变化增加了抽油杆的应力，降低了抽油杆的使用寿命。为了克服抽油机的上述缺点，异相型游梁式抽油机把游梁的前梁和后梁之间的比例至少增加到1.4∶1.把曲柄的回转曲线放到后梁支撑的后面。根据冲程的大小使曲柄销沿着线移动与曲柄的中线偏置一个角度，通过肘节与肘节销把连杆和曲柄连接在一起。通过调节在曲柄上的平衡块的回转半径和浮动的安全锁块以及加或者减平衡快上的负重来实现抽油机精确地运动平衡。这样就降低了抽油机所需的最高扭矩，使齿轮减速箱正负扭矩的方向变化得以消除。结果使抽油杆有较低的工作应力值，从而增加了抽油机的适用范围。通过调节曲柄销在销槽中的位置，可以对光杆冲程的大小进行调节。

由此可得，在对传统抽油机的结构进行改善的基础上，异相型抽油机增加了极位夹角与平衡相位角。其中极位夹角的作用是通过改变曲柄在上冲程和下冲程期间旋转的角度来减小悬点在上冲程时的加速度和动态载荷，而平衡相位角的功能是进一步削弱减速器的最大扭矩峰值，从而降低能耗。

3 ?异相型游梁式抽油机的结构设计流程

异相型游梁式抽油机的结构设计按以下步骤进行。

（1）抽油机四连杆机构的尺寸设计。作为抽油机的基本框架，四连杆机构的尺寸确定对抽油机的作业性能以及整体质量都极其重要。从某种意义上说，游梁式抽油机的结构设计，就是四连杆机构的设计。首先，通过抽油机游梁的最大摆角和最大光杆冲程则可计算出游梁的前臂尺寸;其次，通过游梁的前臂与后臂之间的比值确定后臂尺寸;最后，通过抽油机连杆尺寸的几何关系计算出抽油机的连杆、极距、曲柄等尺寸。

（2）计算减速器曲柄轴的最大所需扭矩以及对减速器的选定。减速器的作用在于将动力从电动机以不同的速度传递至曲柄，齿轮减速器与V带传动的配合使用是其多见的传递方式。减速器所需要的最大扭矩可以根据经验公式进行计算，例如勒玛柴诺夫经验公式。

（3）计算电动机的功率及电动机型号与规格的选定。抽油机的动力始于电动机，采用拉夫金经验公式通过泵柱塞冲程的日产液量和液体的有效举升高度来得到电动机的功率，从而选出型号规格合适的电动机。

（4）V带尺寸设计和规格型号选择。由于V带传动运行平稳，且具有过载保护的优点，能缓和从油井传来的冲击负荷，因此在抽油机的结构设计中V带传动是必需的。V带的尺寸设计过程已经成熟，根据具体的公式便可计算得出。其具体参数包括带轮直径、带长以及V带根数等。

（5）选择带轮的结构形式。带轮的结构形式现在已经固定，可依据带轮的基准直径在机械设计的相关著作中选择。当带轮的基准直径不同时，选择的带轮结构形式也随之不同。

（6）其他重要部件的设计。包括但不限于驴头与游梁的设计、支架与底座的设计、曲柄销的设计及强度校核、曲柄和平衡块的设计、制动装置的设计、悬绳器和钢丝绳的设计等。

4 ?结语

异相型游梁式抽油机所具有的极位夹角是将减速器沿着机架上的原始位置移动而形成的，再加上平衡块与曲柄轴之间的平衡相位角，使减速装置在运行期间减小了扭矩最大峰值，以便更容易的改变减速装置的扭矩峰值变化，从而减小电动机作业功率，达到降低能耗的目的。

尽管如今新能源的研发越来越多，但是石油作为国家重要储备燃料的地位在相当长的一段时间内都不会发生变化，特别是在军事上具有战略意义时对传统抽油机的进一步研发进而满足我国石油的自给自足就显得尤为关键。

参考文献

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