常规抽油机改造为双驴头抽油机的设计与实践.docx

常规抽油机改造为双驴头抽油机的设计与实践高 凤 云(胜利石油管理局总机械厂)摘要为了满足油田对长冲程抽油机的需求 , 提出了一种将 10 型 3 m 常规游梁式抽油机改造为 10 型长冲程双驴头节能抽油机的设计方法 。在改造 10 型 3 m 常规机时 , 考虑满足冲程和结 构强度需要 , 尽量采用较多的原抽油机构件 , 对双驴头抽油机进行了结构尺寸优选 、构件尺寸设计 、减速器设计和支架改造等工作 。还根据改造中遇到的平衡问题 、驴头让位以及后驴头焊接定位问题 , 作了相应的改造 。目前已有 50 余台改造机在油田使用 , 最长的运行 2a 多 , 运行可靠 ,节能效果显著 , 证明改造设计是可行和成功的 。关键词抽油机结构改造长冲程双驴头抽油机受力分析为了满足油田对长冲程抽油机的需求 , 同时 ,考虑到油田大量的 10 型 3 m 冲程常规游梁式抽油 机的使用时间较短 , 还有一定的剩余寿命 , 胜利石 油管理局总机械厂开展了将 10 型 3 m 常规游梁式抽油机改造为 10 型新型长冲程双驴头抽油机的理论和试验研究 。将 10 型 3 m 常规游梁式抽油机改 造为长冲程 、节能型双驴头抽油机时 , 应考虑满足 冲程和结构强度需要 , 同时 , 尽量采用较多的原抽 油机构件 , 并对新型双驴头抽油机进行结构尺寸优 选 、构件尺寸设计 、减速器设计和支架改造等工 作 。笔者拟介绍该工作理论研究和试验研究的情 况 , 可供抽油机设计 、油田抽油机管理和改造的同 行们参考 。可能多的使用原机配件 , 在改造双驴头抽油机时 ,选用与被改造的常规抽油机相同的曲柄回转中心到 支架中心的水平距离 。改造后的双驴头抽油机 , 应该具有与新设计抽油机相当的运动 、动力性能 。这 样 , 改造后的抽油机才能在油田有应用价值 。为 此 , 笔者调研了胜利石油管理局主要采油厂近 300 口油井的地面示功图 , 经过回归分析 , 确定该改造 抽油机的设计模型示功图 ( 见图 3 ) 。分析表明 ,该示功图适合于胜利油田的主要油井工况 。结构选型和尺寸优化图 1 常规抽油机结构简图(符号含义同表 1)按照上面模型示功图和设计要求 , 从图 2 可得 改造抽油机设计变量为常规游梁式抽油机结构如图 1 所示 , 油田使用较多的 10 型抽油机的结构参数见表 1 , 改造为双 驴头抽油机后的结构如图 2 所示 。从图 2 可知 , 双 驴头抽油机和常规抽油机主要区别在于将固定长度 的游梁后臂 C 变为变半径的圆弧曲线 , 采用了三 段圆弧的结构方案 。在新改造的抽油机中 , 为了尽 X =C ,1 , C2 , 2 , L 2 , C3 , 3 , L 3 , H , P , R T1(1) L i ( I = 1 , 3) 后驴头圆弧半式中C ,i ,i 高凤云 , 女 , 工程师 , 生于 1968 年 , 1991 年毕业于石油大学 ( 华东) 机械系 , 现从事抽油机设计与制造工作。地址 : ( 257000) 山东省东营市。电话 : ( 0546) 8612888 - 3104 。( 收稿日期 : 2002 - 04 - 05 ; 修改稿收到日期 : 2002 - 04 - 12)2002 年 第 30 卷 第 7 期高凤云 : 常规抽油机改造为双驴头抽油机的设计与实践51 径 , m , 圆心角 () , 圆心在上一段圆弧半径方向上的偏移量 , m ; 其余参数如图 2 所示 。表 1 被改造抽油机尺寸参数m曲柄长度 支架水平 连杆长度 支架高度 游梁后臂 游梁前臂距离 I PRHCA0186112214 312312 1186214310图 6 改造抽油机的连杆拉力曲线图 2 双驴头抽油机的机构简图(符号含义同表 1)图 7 改造抽油机的减速器扭矩曲线分析以上各图和优化结果可知 : 改造后抽油 机的悬点加速度较小 , 可以改善抽油杆的工作状 态 ; 减速器上的峰值扭矩为 53 kNm 左右 , 没有 负扭矩 , 这表明原 53 型减速器可以满足改造抽油 机的要求 ; 连杆中的拉力峰值为 255 kN 左右 , 与 10 型常规抽油机连杆上的拉力相当 , 表明原抽 油机连杆和横梁在新改造抽油机中仍可使用 。基于 上述分析 , 笔者认为 , 将原 10 型 3 m 常规抽油机 改造成新型长冲程双驴头抽油机时 , 原抽油机的底 座 、减速器 、连杆 、横梁均可以使用 , 游梁经改造 后可以使用 , 需重新设计前 、后驴头 、支架 、软联 结部分等构件 。图 3 抽油机设计模型示功图按照油田的使用情况 , 我们取减速器上的峰值 扭矩 、驴头的对称性 、软性件钢丝绳的受力 、支架 的水平力 、抽油机减速器的均方根功率 、平衡重的 大小和悬绳器到地面最小距离等约 20 个约束条件 为约束变量1 。按照被改造机型的结构参数和减速器使用情况 , 进行优化设计 , 得到改造尺寸 , 然 后进行结构设计和制造 。典型机型的性能特性曲线 如图 47 所示 。改造抽油机的支架设计支架改造是抽油机中改变最大的部分之一 , 为了利用原抽油机的支架 , 同时考虑到油田安装方 便 , 改造时 , 采用了整体支架的思想 , 剔除了原抽 油机安装时的水泥基础 , 在原支架下增加一个承上 启下的底座 (称为中底座) 。这样 , 支架为原支架 和中底座两部分组成 。为了和原支架很好的连接 , 中底座上下均为连接板形式 , 各用 12 条 M24 螺栓 与支架和底座联结到一起 , 易于拆卸 。中底座外轮 廓尺寸为 2 180 mm 1 280 mm 2 840 mm ( 长 宽高) , 立杆和横杆为 125 mm 12 mm 等边角钢 ,斜杆为 100 mm 10 mm 等边角钢2 。焊缝均为连图 4 改造抽油机的 T F 值曲线图 5改造抽油机的悬点加速度曲线52 石 油 机械2002 年 第 30 卷 第 7 期续焊缝 , 为保证其位置精度 , 全部采用工装焊接 。为 : 抽油机工作时 , 销 A 锁死 , 保证驴头和游梁为一体 。抽油机作业时 , 将抽油机停在下死点位 置 , 打开销 A , 拉动驴头向游梁方向沿销 B 转动 ,销 A 在滑道内滑动 , 驴头前缘即让开井口给定的位置 , 实现让位 。现场使用表明 , 该驴头让位机构 可以保证抽油机启动需要 。31 后驴头焊接定位按照受力分析 , 游梁选用了原抽油机的游梁 , 新加工的后驴头如何在游梁上定位 , 且便于调整 , 成为影响制造精度的重要因素 。为此 , 后驴头采用 了上挂结构 , 并设计了专门定位工装 , 首先将后驴 头挂在游梁上 , 然后在工装上定位 , 位置正确后 ,焊接下定位点 , 达到定位准确 , 便于制造的目的 。与抽油机支架联接 , 联接后的结构如图 8 所示3。图 8 改造后支架的结构图1 支架 ; 2 连接板 ; 3 底座为了验证改造支架的强度和刚度 ,采用 ANS YS通用有限元分析程序 , 对其做了有限元分析。结果表明 , 该支架的强度和刚度满足抽油机工作要求。试验情况按照上述思想 , 完成了将 10 型 3 m 抽油机改造成长冲程双驴头抽油机的改造计算后 , 按照油田 现场的要求 , 将 50 余台各种尺寸的 10 型 3 m 冲程 抽油机改造为 10 型 412 m 双驴头抽油机 。选 2 台 改造 抽 油 机 进 行 了 型 式 试 验 , 试 验 时 , 冲 次 为6 min - 1 , 吊重力约为 68165 kN , 试验主要项目的结果如表 2 所示 。表 2 型式试验的主要结果改造设计中的其他问题在对该种抽油机进行改造设计时 , 除支架的设计问题外 , 我们还遇到了如下几个突出问题 。11 平衡问题在改造中 , 采用了原 10 型抽油机的曲柄和减 速器 , 但由于新改造抽油机的冲程有大幅度的提高 , 曲柄所需的平衡重也有大幅度的提高 , 原 10项目第一台第二台水平位移/ mm垂直位移/ mm 噪声/ dB 悬点投影/ mm51021070204151187223型机所配平衡重 , 不能满足平衡的需要 。为此 ,新铸造了平衡块 , 使平衡块的重心尽量向外 ,时 , 增加平衡块的质量 , 使平衡满足要求 。21 驴头让位问题重同从表 2 可以看出 ,改造的抽油机满足有关抽油在胜利油田 , 常规抽油机广泛采用变角自让位式抽油机驴头 , 在设计改造抽油机时 , 因考虑节 能 , 按照计算所配电动机的功率较小 , 抽油机在上 死点不挂悬点时 , 难以启动 。为此 , 参考了自让位 抽油机驴头设计原理 , 设计了新型的驴头让位结 构 , 其结构如图 9 所示 。机国家标准的要求 。目前 , 50 余台改造机已经全面在油田使用 , 最长的运行 2a 多 , 节能效果显著 ,运行可靠 , 表明改造设计是可行和成功的 。 以上分析和试验表明 : 通过尺寸优化设计和结构设计 , 将原油田使用的 10 型 3 m 抽油机改造成 新型长冲程双驴头抽油机是可行 。参 考 文 献綦耀光 , 刘 健 , 肖世宏等 1 后驴头为圆弧的双驴头抽油机运动与动力分析 1 石油矿场机械 ,