基于少齿差行星齿轮减速器的低冲次齿条抽油机设计_王旭.pdf

年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：王 旭，梁 健 伟，安 斯 远，等基 于 少 齿 差 行 星 齿 轮 减 速 器 的 低 冲 次 齿 条 抽 油 机 设 计 机 电 工 程 技 术，（）：基于少齿差行星齿轮减速器的低冲次齿条抽油机设计王旭，梁 健 伟，安 斯 远，赵 飞 鹏，王洋（西 安 石 油 大 学 机 械 工 程 学 院，西 安）摘 要：为 解 决 低 渗 透 油 田 开 采 时，常 规 游 梁 抽 油 机 不 易 实 现 低 冲 次 采 油 的 问 题，提 出 一 种 天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 方 案 设 计，采 取 少齿 差 行 星 齿 轮 减 速 器 提 供 大 传 动 比，并 与 齿 轮 齿 条 传 动 相 结 合 实 现 低 冲 次 采 油。传 动 比 设 计 为，在 不 改 变 泵 径、冲 程 的 基 础 上可 使 抽 油 机 实 现 最 低 冲 次次。然 后 利 用软 件 对 比 了 常 规 游 梁 抽 油 机 与 天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 加 速 度 曲 线，并 在 不 同 的冲 次 和 固 定 销 轴 回 转 半 径 下，分 析 了 它 们 对 抽 油 机 运 动 特 性 的 影 响。结 果 表 明：在 冲 次 为次 时，所 提 天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机悬 点 的 最 大 加 速 度 比 常 规 游 梁 抽 油 机 降 低 了，运 动 性 能 更 好。同 时，在 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下，冲 次 越 高，则 所 提 抽 油 机悬 点 的 最 大 速 度 和 加 速 度 会 越 大；固 定 销 轴 回 转 半 径 越 大，所 提 抽 油 机 的 悬 点 位 移、速 度、加 速 度 也 均 会 增 大。关 键 词：低 渗 透 油 田；低 冲 次；少 齿 差；行 星 齿 轮；天 车 轮；运 动 性 能中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，；，：；引 言随 着 油 田 开 采 的 不 断 深 入，低 渗 透 油 田 的 发 现 数 量越 来 越 多，目 前 我 国 已 探 明 的 低 渗 透 油 田 占 到 新 发 现 油藏 的 一 半 以 上。低 渗 透 油 田 具 有 油 层 储 层 渗 透 率 低、丰 度 低、产 量 低 的 特 点，相 比 普 通 油 田 而 言，其 开 采 难度 与 开 发 成 本 较 高。若 在 低 渗 透 油 田 的 开 采 中 仍 使 用常 规 的 游 梁 抽 油 机，会 使 抽 油 机 的 泵 效 降 低。国 内 的 研 究 人 员 对 现 有 抽 油 机 进 行 了 改 进，针 对 低渗 透 油 井 研 制 了 新 型 抽 油 机。常 宇 荣等 提 出 了 一种 蜗 轮 蜗 杆 传 动 抽 油 机，采 用 了 蜗 轮 蜗 杆 传 动 机 构，能够 为 抽 油 机 提 供 单 级 的 大 传 动 比，使 抽 油 机 能 实 现 低 冲次 的 采 油 工 作，并 且 减 小 了 抽 油 机 的 尺 寸。邵 军等 提出 了 一 种 齿 轮 导 杆 式 抽 油 机，将 齿 轮 齿 条 机 构 应 用 于 导杆 抽 油 机，利 用 不 完 全 齿 轮 与 齿 条 进 行 啮 合 换 向，与 常规 游 梁 抽 油 机 相 比，降 低 了 电 机 功 率。李 杰 等提 出 了一 种 轮 毂 电 机 驱 动 的 齿 轮 齿 条 抽 油 机，简 化 了 结 构 并 且无 需 减 速 器，降 低 了 成 本。王 磊等 提 出 了 一 种 新 型 传动 抽 油 机，利 用 齿 轮 齿 条 传 动 替 代 了 常 规 游 梁 抽 油 机 的曲 柄 连 杆 机 构，提 高 了 整 机 效 率。田 珍 珍等 提 出 了 一种 椭 圆 齿 轮 抽 油 机，在 常 规 齿 轮 齿 条 抽 油 机 的 基 础 上，将 椭 圆 齿 轮 加 入 三 级 减 速 器 中，改 善 了 抽 油 机 在 换 向 时受 到 的 振 动 冲 击。李 红 才提 出 了 一 种 超 低 冲 次 的 抽 油机 方 案，采 用 了 三 级 四 轴 减 速 器，使 抽 油 机 的 最 低 冲 次达 到 了 次。汪 斌等 整 理 了 调 小 冲 次 的 方 法，主 要 包 括 采 用 变 频 调 速、采 用 大 传 动 比 三 级 减 速 器电机、增 加 中 间 减 速 装 置、采 用 超 低 转 速 大 启 动 扭 矩 电 动机 等，为 他 人 提 供 借 鉴。杨 洋 洋 等开 发 柔 性 超 长 冲 程抽 油 机，并 对 其 运 动 特 性 及 悬 点 载 荷 开 展 了 分 析，确 定了 长 冲 程 抽 油 机 悬 点 载 荷 的 计 算 方 法。综 上 所 述，本 文 针 对 超 低 渗 透 油 田 生 产 需 求，提出 一 种 天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 方 案，采 用 大 传 动 比 减 速 器帮 助 抽 油 机 降 低 冲 次 的 方 法，设 计 并 使 用 少 齿 差 齿 轮 减速 器 为 抽 油 机 提 供 大 传 动 比，目 标 是 使 该 抽 油 机 最 低 冲次 能 达 到次。还 对 抽 油 机 进 行 了 运 动 学 及 运 动 特性 影 响 因 素 分 析。结 构 及 原 理 少 齿 差 齿 轮 减 速 器 结 构 及 原 理少 齿 差 齿 轮 减 速 器 属 于 渐 开 线 行 星 齿 轮 减 速 器 中 的一 种，其 单 级 传 动 比为，而 常 规 的 圆 柱 齿 轮 减速 器 单 级 传 动 比，少 齿 差 齿 轮 减 速 器 可 提 供 的 传 动比 更 大。为 了 实 现 更 低 的 冲 次，本 方 案 设 计 并 采 用 了 少齿 差 齿 轮 减 速 器。依 据 抽 油 机 的 生 产 需 求，对 少 齿 差 齿轮 减 速 器 的 传 动 比 按 进 行 了 设 计，以 获 取次的 超 低 冲 次。图为 渐 开 线 少 齿 差 行 星 齿 轮 减 速 器的 剖 面 视 图。采 用 了 双 内 啮 合（）型 传 动，由 两 对 渐开 线 少 齿 差 齿 轮 副 组 成，共 同 完 成 减 速，不 需 要 其 他 输出 机 构。由 于 设 计 的 所 需 传 动 比 ，为 提 高 传 动 效率，采 用 了 内 齿 轮 进 行 输 出，其 传 动 形 式 如 图所示。其 主 要 工 作 原 理 是 内 齿 轮固 定，电 机 的 动 力 经 带传 动 至 少 齿 差 齿 轮 减 速 器 偏 心 轴，带 动 双 联 齿 轮、自转 及 围 绕 中 心 公 转，双 联 齿 轮、连 为 一 体，外 齿 轮再 带 动 内 齿 轮，使 内 齿 轮作 低 速 输 出。图少 齿 差 齿 轮 减 速 器 的 剖 面 视 图 图 型 减 速 器 的 传 动 形 式常 规 游 梁 抽 油 机 使 用 的 三 级 齿 轮 减 速 器 传 动 比 在，最 低 可 实 现 抽 油 机 冲 次 为 次，本 文 的少 齿 差 齿 轮 减 速 器 传 动 比 为，可 使 抽 油 机 实 现 最 低冲 次 为次，让 抽 油 机 降 低 了 冲 次，提 升 了 泵 效。并 且 常 规 游 梁 抽 油 机 三 级 齿 轮 减 速 器 要 进 行 三 级 减 速，减 速 器 结 构 尺 寸 比 较 大，在 实 现 冲 次 为 次 时，中 心 距 能 达 到，而 本 文 的 少 齿 差 齿 轮 减 速 器 采 用型 内 啮 合 传 动，充 分 利 用 了 传 动 空 间，减 小 了 尺 寸，在 提 供 传 动 比 为时，其 中 心 距 为 ，结 构 更 为紧 凑。抽 油 机 结 构 及 原 理图为 天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 总 体 结 构 示 意 图，包括 传 动 部 分、换 向 部 分、平 衡 部 分、机 架 等。传 动 部 分将 电 动 机 的 动 力 经 联 轴 器 传 递 到 少 齿 差 齿 轮 减 速 器 的 输出 轴 上，为 抽 油 机 提 供 较 大 的 传 动 比，以 实 现 低 冲 次 采油。换 向 部 分 由 转 盘、固 定 销 轴、长 杆、齿 轮 齿 条、天车 轮 等 构 成。少 齿 差 齿 轮 减 速 器 输 出 轴 带 动 转 盘 逆 时 针转 动，转 盘 上 的 固 定 销 轴 在 长 杆 的 滑 槽 内 滑 动 并 推 动 长杆 在 机 架 顶 部 的 轨 道 上 进 行 左 右 的 往 复 直 线 运 动。同 时，长 杆 上 的 齿 条 与 齿 轮 啮 合 传 动，使 得 与 齿 轮 通 过 轴 相 连接 的 天 车 轮 进 行 往 复 回 转 运 动，从 而 完 成 采 油 作 业。（）天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 主 视 图（）天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 轴 斜 视 图机 架；抽 油 杆；钢 丝 绳；齿 轮；天 车 轮；齿 条；转盘；长 杆；配 重 块；电 动 机；少 齿 差 齿 轮 减 速 器图天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 结 构 示 意 图运 动 学 分 析本 文 对 抽 油 机 悬 点 的 运 动 特 性 曲 线 进 行 分 析，分 别包 括 悬 点 位 移、速 度、加 速 度 曲 线，为 动 力 学 分 析 提 供基 础。天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 换 向 机 构 简 图 如 图所 示。图中，以 悬 点 处 于 下 死 点（即 抽 油 杆 处 于 最 低 位 置）图换 向 机 构 运 动 简 图王 旭，梁 健 伟，安 斯 远，等：基 于 少 齿 差 行 星 齿 轮 减 速 器 的 低 冲 次 齿 条 抽 油 机 设 计时，固 定 销 轴 所 对 应 位 置作 为 机 构 运 动 的 起 始 点。此时，滑 槽 位 于 转 盘 上 的点。悬 点 处 于 上 死 点 时 候（即抽 油 杆 处 于 最 高 位 置）时，固 定 销 轴 所 对 应 位 置 为点。任 一 时 刻，固 定 销 轴 所 在 位 置 与 初 始 位 置 间 的 夹 角为，以 逆 时 针 为 正。（）悬 点 位 移根 据 余 弦 定 理 可 得，当 转 盘 由 初 始 位 置 转 动 任 意 角度时，悬 点 的 位 移为：（）（）式 中：为 转 盘 由 初 始 位 置 转 动 任 意 角 度，（）；为 固定 销 轴 的 回 转 半 径，为 齿 轮 半 径，为 天 车 轮 半径，。（）悬 点 速 度将 位 移 对 时 间 求 导 可 求 得 任 一 时 刻 悬 点 的 速 度 为：（）（）悬 点 加 速 度将 速 度关 于 时 间求 导 数，即 可 求 得 任 一 时 刻 悬点 的 加 速 度 为：（）实 例 计 算本 节 将 验 证 在 冲 次 为次 时，常 规 游 梁 抽 油 机与 天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 运 动 性 能，并 进 行 对 比 分 析。基 本 参 数以 某 油 田型 抽 油 机机 构 参 数 为 参 考，其 机 构 参数 如 表所 示，天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 参 数 为 ，。表 型 常 规 抽 油 机 机 构 尺 寸 （）计 算 结 果在中 编 写 程 序，将型 抽 油 机 尺 寸 参 数 及 天车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 参 数 ，次 分 别 导 入 其 程 序 里，可 得 抽 油 机 的 加 速 度曲 线 如 图所 示。由 图 可 得，在 冲 程、冲 次 相 同 的 情 况下，天 车 轮 式 齿 条 抽 油 机 的 加 速 度 曲 线 相 比 常 规 游 梁 抽油 机 的 加 速 器 的 曲 线 变 化 的 幅 度 更 小，说 明 它 比 常 规 游梁 式 抽 油 机 运 行 的 更 加 平 稳。并 且 抽 油 机 的 惯 性 载 荷 取决 于 悬 点 加 速 度 的 大 小，悬 点 加 速 度 越 小 则 惯 性 载