常规游梁式抽油机自动平衡改造方案及节能原理分析
方案，在此基础上提出了一种新型自动调节游梁平衡装置。该新型游梁式抽油机平衡调节装置对原机的改动小，通过配重块在配重横梁上的相对移动可以抵消部分驴头负载，实现不停机调节平衡从而起到节能作用。
关键词：游梁式抽油机；自动平衡；节能
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.056
0 引言
据统计，我国在用抽油机井近9万口，年新机装备量5千余台，年耗电量105亿kwh，电费开支40余亿元。在采油成本不断上升而油价由于供求失衡等原因持续低迷的情况下，节能降耗、不断降低生产成本已成为采油行业的主题。当前抽油机的节能措施主要集中在以下三个方面：
一是将常规型游梁式抽油机分批进行节能改造，改造成前置式抽油机下偏杠铃抽油机等；
二是给常规型游梁式抽油机加装节能辅助平衡装置，实施节能改造；
三是在抽油机电控柜加装电容器，对电动机无功功率进行补偿。 本文的节能方案属于第二种节能方法。这种方法相比第一种方法的优势在于，基本无需改变抽油机的自身结构，改造费用低，节能效果好。依据力矩平衡的原理，在游梁式抽油机的游梁上增加一个配重梁及合适的配重，由执行机构带动配重在游梁上移动，通过改变配重块在游梁上的位置来改善抽油机的平衡性。
1 主要结构原理
固定安装在游梁式抽油机游梁尾端的配重横梁及安装在配重横梁上可移动的辅助平衡装置主要结构如图1所示。
电动机的旋转经皮带、减速器后，转化为曲柄旋转运动，再经曲柄连杆机构转化为游梁的上下摆动。可移动配重块在链条的拉动下，沿配重横梁上的滑轨可做往复移动，当由于井下载荷变化导致平衡度偏离允许范围时，可通过平衡块沿配重横梁的移动调节平衡度。最后经驴头的上下运动带动悬绳器上挂着的光杆、泵等井下载荷上下运动完成往复抽油过程。
2 平衡节能原理
在用工频直接启动的场合，游梁式抽油机所需启动力矩大约是正常工作的两倍以上，加之由于采油工况的复杂性，如油稠、出蜡导致驴头负载较正常工况增大等因素，因而在设计的时候采用的电动机的额定功率都比较大。而在正常抽油时，负载变轻，所需的力矩又比较小，出现了抽油杆的负荷特性与电动机的机械特性不匹配的问题，因此电机效率低的现象很严重。尤其在驴头下放时，负载变轻，传统结构游梁式抽油机的电机接近空转，降低了电网的功率因数和电机的效率，增加了无功损耗，导致能源浪费严重。三相异步电动机效率曲线图如图2所示，当电机输出机械功率低于额定功率30%后，三相异步电机的效率近乎直线下降。因此，尽量使得曲柄轴净扭矩曲线接近对应电动机输出扭矩的理想扭矩线，使电动机输出扭矩尽量多地处于电动机额定输出扭矩70%-100%范围，无疑由于电机实际使用效率的增加从而有效降低电机输入电功率，达到省电效果。
图3为根据Cyj12-4.2型常规游梁式抽油机结构尺寸，由ADAMS动力学仿真软件进行动力学仿真，得到的曲柄轴输出扭矩图。由图中可以看出，添加平衡游梁及平衡块后虽然所需曲柄轴输出扭矩有所增加，但由于抽油杆上、下行程所需的扭矩峰值更加接近，从而使得上、下行程在更多时间处于电机额定输出扭矩70%-100%的范围，减少了电机低效率运行时间，能有效提高电机效率，从而达到减少电机输入电功率即省电的效果。
3 机械系统设计
游梁式抽油机配重块相对横梁移动辅助平衡装置示意图如图4所示。所设计的机械系统主要由配重横梁、链轮支撑座、2个链轮、1条链条、1块配重块、1组蜗轮蜗杆、1个联轴器、1个电机等组成。整个配重横梁左端即图4所示的左端与抽油机游梁尾部焊接在一起，左链轮支座固定在配重横梁上，支座上有链轮Ⅰ和右端的安置在蜗轮上的链轮Ⅱ配合使用，可使链条随链轮运动，拉动配重块在横梁上进行相对直线移动。配重块内会安装有铰接的零件，用于固定配重块及链条。
配重横梁上的电机通过蜗轮蜗杆减速，蜗轮轴带动链轮Ⅱ旋转，链轮Ⅰ和链轮Ⅱ通过链传动实现与之相连的配重块的往复移动，通过改变平衡力矩的大小达到调节平衡从而节能的目的。
4 关键技术创新
游梁尾端的配重横梁辅助平衡装置的关键创新技术是：在常规游梁式抽油机游梁的尾部安装配重横梁，在其上面安装一套可调整且可通过链条相对横梁移动的配重块，在配重块里面安装一个使链条与配重块相铰接的铰联接。运用可调移动变矩的平衡原理，较好地平衡井口的动载变化率，从而实现常规游梁式抽油机的平衡和节能之目的。
5 方案优点
（1）整个平衡装置通过在游梁尾部焊接，结构简单可靠，不需要改变原抽油机的结构。
（2）通过建立动力学模型精确设计配重横梁重量，可以有效改善抽油机在抽油杆上下行程的不平衡度，提高电机效率。通过改变配重横梁上配重块的位置实现精确调节抽油机的平衡，与一般平衡装置方案相比，大大拓宽了调平衡范围，平衡效果更好，并且成本较低。
（3）游梁自动平衡装置可有效地解决常规游梁式抽油机能耗大、调平衡难度大、时间长及工作效率低等技术难题，增强平衡调节的安全性。
参考文献：
[1]方仁杰，朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析[J].钻采工艺，2011，34（02）：61-63.
[2]王平，崔臣君，刘丽娟等.抽油机平衡度实时测量技术[J].油气田地面工程，2010，29（10）：6-7.
[3]郭登明，周思柱，熊大军等.异相游梁平衡抽油机支架的有限元分析 [J].石油地质与工程，2005，20 （05）：72-74.
[4]苏德胜，刘先刚，吕卫祥等.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械，2001，29（05）：49-53.
[5]刘长胜.抽油机节能现状与降耗措施[J].宁波节能，2012（05）：44-46.
[6]倪国军，高长乐，王志坚.常规游梁式抽油机节能改造[J].新疆石油天然气，2005，1（01）：83-86.
作者简介：呼思杰（1991-），男，山东聊城人，学生，研究方向：机械设计制造及其自动化专业。