摆线针轮传动式常规抽油机运动特性及有限元分析_王洋.pdf

收稿日期：20220926摆线针轮传动式常规抽油机运动特性及有限元分析王洋，孙晓锋（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）摘要：针对游梁式抽油机减速器传动节能增效的需求，设计符合超低冲程需求的摆线针轮传动式常规抽油机。介绍该抽油机的结构特点和能耗特点，给出摆线针轮减速器的具体结构，建立其运动学数学模型；对在不同冲次、曲柄半径下的悬点位移、速度、加速度和扭矩因素进行理论分析，借助MATLAB软件对模型进行仿真，得到对应的悬点运动和扭矩曲线，分析并总结不同条件对抽油机运动特性的影响；对摆线针轮减速器进行应力分析。结果表明：与常规游梁式抽油机相比，摆线针轮传动式常规抽油机运行稳定且效率较高。关键词：减速器；摆线针轮；常规抽油机；运动特性中图分类号：TE3文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03014805Movement Characteristics and Finite Element Analysis of Conventional OilPumping Machine with Cycloidal Pinwheel TransmissionWang Yang，Sun Xiaofeng（School of Mechanical Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China）Abstract:Aiming at the demand of energy saving and efficiency increasing of the transmission of the beam pumping unit reducer,aconventional pumping unit with cycloidal oil pinwheel transmission wasdesignedwhich met the demand of ultra-low stroke.The structuralcharacteristics and energy consumption characteristics of the conventional pumping unit with cycloidal pinwheel drive were introduced,thespecific structure of the cycloidal pinwheel reducer was given.,and the mathematical kinematics model of the pumping unit was established;the suspension point displacement,speed,acceleration and torque factors were analyzed theoretically under different stroke frequency,themodel was simulated by using the MATLAB software,the corresponding suspension point motion and torque curves were obtained,and theinfluences of different conditions on the motion characteristics of the pumping machine were analyzed and summarized;the stress analysis ofcycloidal pinwheel reducer was also carried out.The results show that compared with the conventional beam pumping machine,theconventional pumping machine with cycloid pinwheel transmission has stable operation and high efficiency.Key words:reducer;cycloidal pinwheel;conventional oil pumping machine;motion characteristics2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.030王洋，孙晓锋.摆线针轮传动式常规抽油机运动特性及有限元分析 J.机电工程技术，2023，52（03）：148-152.0引言目前，常规游梁式抽油机是我国油田上开采石油普遍使用的一种抽油机。在鄂尔多斯盆地有着大量的油气藏资源，但这些油气藏资源大都自然产能低，其油层埋深从2002 000 m不等，油田地理环境复杂、气候条件恶劣1-4。为满足原油生产需求，采油设备几乎全部采用适应性强、经久耐用的游梁式抽油机。这类抽油机因传动系统较长，整机系统的效率约为 20%5-10。关于常规抽油机传动系统的节能增效设计，以往的研究大都采用刚体运动学及动力学理论对电动机及控制装置、四连杆机构、平衡方式3个方面进行优化改进，对新型减速器传动节能增效领域的系统研究较少11-15。本论文主要针对摆线针轮减速器在常规游梁式抽油机中节能增效的方向进行研究。该抽油机一般采用圆柱圆锥齿轮减速器，这类减速器传动比一般为26，减速比太小而使得冲次较高，在一定程度上会导致系统效率降低，浪费电力16。为此，本文提出一种新型摆线针轮减速器替代当前的齿轮齿条减速器，以提高抽油机系统效率。所设计的摆线针轮减速器传动比可达300左右，极大地降低了抽油机冲次，使抽油机采油能力和油藏供液能力达到一个合理的状态。分析抽油机不同冲次和曲轴半径对抽油运动学性能的影响，使得所设计的减速器满足不同条件下的油井状况，降低抽油机能耗。对减速器的具体结构进行有限元分析，以满足所需要的力学性能。对于传统抽油机，将减速器更换为摆线针轮减速器，可极大地降低冲次，节约采油成本，提高采油效率。1摆线针轮抽油机结构组成和工作原理1.1摆线针轮传动式常规抽油机结构特点所设计的摆线针轮传动式常规抽油机如图 1所示。148与常规抽油机一样，摆线针轮抽油机由动力机构、传动机构和支撑机构组成1。原动机通过皮带轮将动力传输到摆线针轮减速器，因为摆线针轮减速器的输入轴跟输出轴是同轴心的2，所以将2个摆线针轮减速器在曲柄两侧对称布置，经摆线针轮减速器减速作用后，减速器输出轴带动曲柄旋转，曲柄带动连杆，连杆再带动游梁，使驴头实现上下往复运动，进行采油3。所设计的新型抽油机具有体积小、结构简单、减速比大、效率高的优点。1.2摆线针轮减速器结构特点为满足大减速比的要求，采用二级减速器，动力输入轴带动第一减速机构的双偏心套，进而带动第一双偏心套上的第一滚柱轴承转动，两个第一滚柱轴承上安装有第一摆线轮，并带动第一摆线轮转动，通过第一摆线轮和第一针齿轮相互啮合形成齿差为一齿的内啮合减速机构。为有效降低摩擦阻力，套在减速器针齿销上的第一针齿轮可以做旋转运动。第一减速机构运动时，由于摆线齿廓曲线的限制，动力输入轴的旋转运动会转化为第一摆线轮的摆线运动和自转，当动力输入轴旋转一周，第一双偏心套转动一周，第一摆线轮沿相反方向自转一个齿，从而得到减速。第一摆线轮的低速自转运动通过第一销孔及第一销轴传递给中间轴，从而获得较低的转速，中间轴再运用同样的原理进行第二减速机构减速，并将更低的速度由动力输出轴输出，如此就组成了一个高减速比的二级摆线针轮减速器4。如图2所示。2抽油机的运动特性分析（1）悬点位移悬点位移是计算抽油机冲程的主要参数，关系到抽油泵行程的确定和抽油泵的选择。悬点位移是由游梁摆角和游梁前臂长度决定的。曲柄初始位置示意图如图3所示。悬点位移公式：s=a （1）悬点最大位移公式：smax=a (max-min)（2）（2）悬点速度和加速度速度瞬心法分析示意图如图4所示。由瞬心法可得，悬点速度vA、悬点加速度aA的计算公式为：vA=Racsinsin（3）aA=-a2Rkcpsin3|cossinsin1+Rc sincossin()-1（4）3仿真分析3.1摆线针轮抽油机运动特性将郑州区某油藏的工况参数和尺寸参数 R=0.8 m、p=2.1 m、c=1.5 m、a=1.57 m、H=2、冲程 s=3 m、冲次N=2 min-1等代入悬点位移、速度和加速度计算式，使用图1摆线针轮传动式常规抽油机结构图2摆线针轮减速器爆炸图图3曲柄初始位置示意图4速度瞬心法分析示意图王洋，孙晓锋：摆线针轮传动式常规抽油机运动特性及有限元分析149MATLAB软件进行分析，得到摆线针轮减速器抽油机的悬点运动特性曲线见图5。从图中可以看出：（1）摆线针轮抽油机上冲程较下冲程用时略短，不具有急回特性；（2）在速度曲线上，上冲程与下冲程的峰值相差不大，整机运行速度比较平稳，没有大幅上升或下降的情况；（3）整体加速度处于一个比较低的状态，且波动较小，惯性载荷较小，有利于采油作业及提高整机寿命。3.2不同冲次对摆线针轮抽油机运动特性的影响结合低产油井工况对抽油机设计的要求及实际情况，设计冲程为3 m，改变冲次，比较该摆线针轮抽油机分别在 1、2、3 min-1冲次下抽油机的运动特性，结果见图 6。从图中可知：（1）冲次只改变速度和加速度的数值大小，对扭矩因素没有影响，对上、下冲程曲线运动变化规律影响不大；（2）冲次越低，悬点的最大速度的绝对值越小，说明整机振动越小，运动越平稳；（3）冲次越低，悬点的最大加速度的绝对值越小，说明其运动载荷越小，运动越平稳；（4）在低冲次1 min-1下，该抽油机的运动最平稳，所以该抽油机很适合应用在低冲次、低产油井中。3.3不同曲柄回转半径对抽油机运动特性的影响根据低产油井采油工况对抽油机设计的要求并结合实际情况，设计冲次为3 min-1，改变曲柄半径R，比较该摆线针轮抽油机分别在R为0.6、0.8、1.0 m下抽油机的运动特性，结果如图7所示。从图可知：（1）只改变曲柄半径的情况下（前提满足曲柄存在条件），抽油机曲柄半径越长，抽油机冲程越长，在产液量满足要求的情况下，可以提高油井产量；但上冲程速度会稍微变大，对整机产生的振动冲击变大；（2）曲柄回转半径越小（前提满足曲柄存在条件），在一个冲程中速度与加速度的绝对值越小，曲线越平缓。综上所述，其他条件不变时，改变曲柄回转半径（满足曲柄存在条件）会使该抽油机的运动特性发生改变。4有限元分析针对摆线针轮减速器传动的常规抽油机，不仅要分析其运动特性，还需要对其关键零部件进行有限元分析，以保证力学性能满足要求，主要包括摆线轮、针轮、针齿壳、输入轴和中间轴等零部件。4.1第一级摆线轮的相关强度分析摆线轮是摆线针轮减速器的关键部件，它的可靠性图5摆线针轮抽油机运动特性曲线（a）1 min-1冲次（b）2 min-1冲次（c）3 min-1冲次图61、2和3 min-1冲次下摆线针轮抽油机运动特性曲线图7不同曲柄回转半径的摆线针轮抽油机运动曲线对比2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期150决定了减速器的最终性能，因此对它进行力学分析是十分必要的。4.1.1主要参数摆线针轮的结构主要是根据已经确定的传动力、连接电机的功率和它所需要承受的载荷决定的，表1所示为已经设计好的第一级摆线轮的基本参数。4.1.2理论应力计算在摆线针轮减速器运动时，输入轴会对摆线轮施加扭矩Tc，在Tc的作用下摆线轮与针齿轮产生接触应力，形成接触变形，针齿产生弯曲变形，在两种变形的作用下，摆线轮会转动一个微量的角度，故接触变形与弯曲变形的总和为：=li（5）式中：为因零件传动时产生变形引起的摆线轮的转角，rad；li为第i个针齿