改善游梁式抽油机负扭矩工况的一种新途径

闫永杰，张 瑞，苏智剑

（郑州大学 机械工程学院，郑州 450001）

0 引言

现有游梁式抽油机由于载荷作用到曲柄上的扭矩与曲柄上配重所产生的扭矩二者变化规律的不完全一致，如图1所示。造成抽油机在一个工作循环中，电动机端两次出现负扭矩的情况，使电动机工作在发电状态，所产生的电力谐波严重干扰了电网的正常运行。为解决此问题，国内外开展了大量的相关研究工作[1,5,8]。我们在前人研究的基础上，提出了一种使用特殊设计的非圆齿轮传动机构解决该问题的技术方案，其思路是利用非圆齿轮的变传动比特性，在通过理论分析和实验研究得到曲柄实际转速图的基础上，设计相关非圆齿轮副参数，用非圆齿廓部分代替抽油机减速箱一级圆柱齿轮进行传动，进而改善或消除游梁式抽油机负扭矩工况。

图1 游梁式抽油机负扭矩产生的原因

1 游梁式抽油机数学模型的建立

1.1 非圆齿轮—曲柄摇杆串联机构的动力学和运动学分析

图2为非圆齿轮—曲柄摇杆串联机构的模型图。减速箱输入轴O1上为主动非圆齿轮，减速箱的输出轴O2上为从动非圆齿轮，曲柄摇杆机构的曲柄AB和减速箱输出轴固连在一起，曲柄随着输出轴的转动而运动。

图2 非圆齿轮—曲柄摇杆串联机构模型图

角位移方程：

角速度方程：

角加速度方程：

以上各式中，ri(i=1,2,3,4)分别表示杆长；θi=(i=1,2,3,4)是各杆与水平正向的夹角，单位为rad；是各杆的角速度，单位为rad/s，ai是各杆的角加速度，单位为rad/s2。

图3 游梁式抽油机扭矩计算模型图

1.2 抽油机曲柄扭矩计算模型

设纯光杆载荷扭矩为TW，平衡扭矩为TR，净扭矩为TW，扭矩因数为TF：

可知：

将上式带入式(4)有：

2 实例计算与分析

我们以CYJ10-3-53HB型抽油机为例来分析抽油机在运行中的运动学和动力学特性。如图为CYJ10-3-53HB型游梁式抽油机的结构模型简图。

2.1 抽油机的动力学和运动学特性

抽油机的动力学和运动学特征如图4～图7所示。

图4 曲柄匀速转动时游梁式抽油机悬点的运动学特性

图5 游梁式抽油机曲柄摇杆机构扭矩因数图

图6 游梁式抽油机摇杆机构传动比图

图7 游梁式抽油机曲柄速度拟合图

2.2 分析计算

从以上对游梁式抽油机的运动学和动力学性能的理论分析可得，在普通游梁式抽油机运行中，会周期的出现曲柄失速的现象，即出现负扭矩（如图7所示）。由于摇杆机构的传动比在一个周期内两次存在瞬时较大的情况，在一个周期内抽油机的运动存在较大的不平稳，导致抽油机在运行过程中出现负扭矩，因此我们设计了一种应用于现有游梁式抽油机的非圆齿轮副的设计方法，重新设计减速箱，用非圆齿轮代替一级圆柱齿轮，用以解决上述现象。如图7所示，在游梁式抽油机工作周期中，曲柄出现两次失速现象，分别处在上行程和下行程。在曲柄失速阶段，我们设计使用非圆齿廓代替原有的齿轮圆形齿廓，使齿轮传动比由固定变为可变，当失速现象发生时，适当调整传动比，使电机能在保持额定转速的情况下，曲柄转速能对四杆机构运动进行跟随，进而使曲柄失速现象得到改善，减少或消除抽油机在运行过程中出现的负扭矩。

综合前面的分析计算，我们运用非圆齿轮传动的特性，用非圆齿廓部分代替一级圆柱齿轮，重新设计游梁式抽油机的减速箱。根据摇杆机构的传动比特性，以及所编写的计算程序，选择一组合适的传动比参数，设计非圆齿轮节曲线如图8所示。由非圆齿轮节曲线所确定的传动比，重新对游梁式抽油机悬点速度进行拟合计算，所得到的抽油机悬点速度如图9所示。通过与曲柄匀速时抽油机悬点速度进行对比，我们发现抽油机悬点速度曲线可以分为A,B,C,D四个阶段。在A，C阶段，我们拟合出的悬点速度与曲柄匀速时基本重合；在B，D阶段由于非圆齿轮传动比变化，使曲柄速度增大，实现电机能在保持额定转速的情况下，曲柄转速能对四杆机构运动进行跟随，改善了这一阶段曲柄失速的现象，减少或消除了抽油机在运行过程中出现的负扭矩。

图9 游梁式抽油机悬点速度拟合对比图

3 结论

从以上计算分析可以看到：游梁式抽油机的减速箱，采用非圆齿廓部分代替圆柱齿轮，能够有效的解决游梁式抽油机在运行中产生的负扭矩现象，减小系统的不平衡度，消除电动机在运行中产上的发电现象，改善游梁式抽油机的运行状态，以增加采油效率。

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