新型曲柄滑块链条式抽油机的设计

新型曲柄滑块链条式抽油机的设计

目前，我国油田使用的采油机主要集中在浮梁式采油机上。浮梁式采油机结构简单，使用方便，安全可靠等优点，广泛用于油田开采设备。然而，浮梁式采油机的能耗高，在长冲程中结构尺寸大，这就决定了浮梁式采油机只能用作小冲程的抽油机。链式抽油机结构简单，动作特点良好，机械效率高，冲程长、冲次低、高效节能等优点，深受油田用户欢迎。然而，普通链式抽油机存在于更换机构复杂、路径链和主缸销容易发生误差事故、平衡系统复杂、可靠性低等方面，因此应用有限。鉴于上述问题，我们提出了一种新的链式抽油机。这种新型的折叠链式抽油机具有以下特点：。(1)换向机构简单可靠.采用曲柄滑块机构实现换向,滑块向下运动为抽油机的上行程;滑块向上运动为抽油机的下行程;(2)平衡机构简单可靠.平衡块装在平衡小车内,当抽油机上行程时,平衡小车向下运动,平衡悬点载荷;当抽油机下行程时,带动平衡小车向上运动存储下冲程时产生的能量;(3)节能.由于悬点载荷的运动规律和平衡载荷的运动规律完全一致,能达到最佳的平衡效果,所以节能效果好.1抽油过程及控制新型链条抽油机结构方案示意于图1.它主要由电动机1、带传动2、减速器3、曲柄4、连杆5、滑动小车6、链轮7、链条8、天轮9、绳杆连接器10、光杆11组成.在图1中,抽油机所配备的电动机为单向旋转电机,经过三角带传动及减速器减速后,带动曲柄轴旋转,曲柄推动连杆做平面运动,连杆和滑动小车铰接,连杆又推动滑动小车在滑道内运动;当曲柄从12点钟位置转到6点钟位置时,滑动小车带动平衡重向下运动,此时,悬点由下死点运动到上死点,完成抽油过程;当曲柄从6点钟位置转到12点钟位置时,滑动小车带动平衡重向上运动存储能量,悬点由上死点运动到下死点,即完成抽油机下冲程.抽油机的冲程是曲柄长度的4倍.曲柄由12点钟位置旋转到6点钟位置时,滑动小车的运动距离是曲柄长度的2倍,而链轮采用的是动链轮,因此,悬点的冲程就是滑动小车运动距离的2倍.2计算运动和能源能力的参数抽油机的运动与动力性能参数主要包括:悬点运动位移、速度、加速度与扭矩因数,以及悬点载荷、曲柄轴扭矩、均方根扭矩.2.1曲柄和连杆角图2为链传动抽油机运动简图.设:曲柄长度为R;连杆长度为P;曲柄转角为θ;曲柄和连杆夹角为α;连杆与基杆的夹角为β.由图中几何关系可得L=Rsinθ;H=Rcosθ;sinβ=LP;sinβ=LΡ;β=sin−1(LP);β=sin-1(LΡ);α=π-θ-β.2.1.1滑块位移和悬点位移X=P-[Pcosβ-(R-Rcosθ)];悬点位移XA=2X=2P-2[Pcosβ-(R-Rcosθ)].2.1.2曲柄转动角速度法V=dXdt=ωR[tanβcosθ+sinθ],V=dXdt=ωR[tanβcosθ+sinθ],式中:ω为曲柄转动的角速度,r/min.悬点A的速度是滑块速度的2倍,即VA=2V=2ωR[tanβcosθ+sinθ].2.1.3悬点的加速度aa=dVdt=ω2R[RPcos2θcos3β−tanβsinθ+cosθ].a=dVdt=ω2R[RΡcos2θcos3β-tanβsinθ+cosθ].悬点的加速度aA=2ω2R[RPcos2θcos3β−tanβsinθ+cosθ].aA=2ω2R[RΡcos2θcos3β-tanβsinθ+cosθ].2.2下冲程悬点载荷和加速度计算悬点载荷由静载荷和动载荷构成.上冲程悬点载荷Ws=frLg(ρr-ρy)+Fρyg(L-hc)+aAs(frLρr+εFLρy);下冲程悬点载荷Wx=frLg(ρr-ρy)-aAxfrLρr.式中,fr,F分别为抽油杆和泵柱塞的截面积,m2;L为下泵深度(抽油杆柱长度),m;ρr,ρy分别为抽油杆和井液的密度,kg/m3;hc为泵的沉没度,m;aAs,aAx分别为悬点上、下冲程瞬时加速度,m/s2;ε为液流加速度改变系数;g为重力加速度,m/s2.2.3旋转轴的净校正和总方根的矩2.3.1曲线轴的净扭矩由抽油机的输入功率等于输出，n.2wva-qv组成，其中n是抽油机的输出。w是悬点载荷。q是q曲线轴的净扭矩Mn=2VAωW−VωQ=TFW−VWQ.Μn=2VAωW-VωQ=ΤFW-VWQ.式中,TF为曲柄轴扭矩因数.2.3.2传动性能测试曲柄轴均方根扭矩Me和电动机的有效输出功率Ne有关,Me代表了抽油机的能耗指标,均方根扭矩越小,装机功率越小,抽油机的节能效果越好.Me=12π∫2π0M2ndθ−−−−−−−−−−−√,Ne=Meω9550η.Μe=12π∫02πΜn2dθ,Νe=Μeω9550η.式中,η为传动效率.3两种抽油机的对比曲线以常规游梁式抽油机CYJ10-3-37HB为例,对比工况条件:光杆最大冲程S=3m,冲次n=9min-1,泵挂889.8m,沉没度217.8m,泵径70mm,杆径22mm,油管直径63.5mm,含水率93%.图3给出了两种抽油机悬点加速度的对比曲线;图4给出了两种抽油机曲柄轴扭矩因数的对比曲线;图5给出了两种抽油机曲柄轴净扭矩的对比曲线.通过图3、图4、图5和表1对比分析,可以得出结论:链条式抽油机的运动和动力性能明显好于游梁式抽油机.(1)曲柄轴扭矩因数TF相对于游梁抽油机下降了52.608%.由曲柄轴净扭矩公式可以看出,TF的大小可以改变载荷扭矩的大小,可以有效控制载荷扭矩和曲柄轴净扭矩的峰值和波动性,可使电动机有效输出功率得以降低,从而达到节能的目的.(2)曲柄轴