液压抽油机设计

液压抽油机设计

1 绪论

1.1 本课题来源及研究的目的和意义

随着原油储量日益减少， 开采难度的增大， 油田对新型采油方法以及采油设备的探索及 构思也在日益更新中。抽油机作为一种普及的采油设备，也在不断的构思和日益更新中。液 压抽油机作为近些年来迅猛发展的新型抽油设备，有着优于传统设备的强项。

增大载荷是本课题研究的目的之一， 是在结构最简， 材料最省得方案下尽可能的增大其 工作载荷。传统的游梁抽油机虽有大载荷的特点，但这种旧型设备体型笨重，运输和安装都 较为麻烦，尤其是海上平台更是不允许过的的大质量设备。能在质量最轻和结构最简的情况 下增大工作载荷，有着方便运输以及满足海上平台开采要求的重要意义。

节能减排是本课题研究的目的之二。到 1995 年统计的游梁抽油机总数约为 4 万台，但 使用期却没有超过 5年的， 如果每年需更换10%的设备， 使用的钢材金额会在 1.5 亿元左右。 首先不看使用寿命，这种旧型设备本省的钢材用量就非常的大。液压抽油机工作原理不是曲 柄连杆机构或者其变形，工作原理在本身结构上的改进就省去了大量的钢材，有着改善采油 设备经济性的重要意义。

此外结构上的优化方便了安装， 同时也方便了拆卸和运输， 即故障诊断更换坏损元件也 相对方便了许多。在工作上迅速的故障诊断与维修有着增加设备连续工作时间的意义。

1.2 本课题所涉及的问题在国内的研究现状及分析

我国开始研究液压抽油机是从60 年代开始的。

1966 年北京石油学院提出“液压泵—液压缸”结构的抽油机，以液压缸伸缩来完成主 要工作，同时用油管做平衡重，并利用其往复运动增大冲程。

1987 年吉林工业大学研制出YCJ­II型液压抽油机，同样以液压缸做驱动。

1992 年、1993年兰州石油机械研究所、浙江大学先后以“液压泵—液压马达”结构研 制出新型液压抽油机。此后至近几年来，随着油田开采的要求， 液压技术、密封技术的发展， 液压元件的成熟，液压抽油机业迅速发展起来。

以下对上述几种抽油机作简要分析：

YCJ—II型液压抽油机直接用液压缸的直线往复运动工作，具有结构简单，比常规抽油 机节能的特点。在辽河油田的实验说明其在北方冬季野外有可连续运行的能力，其液压与电 气系统亦是可行的。不足在于：安全保护措施有所欠缺，对机电一体化技术应用不足等。

YCJ12—12—2500 型滚筒式液压抽油机利用换向阀控制液压马达的正反转，以齿轮— 齿条机构实现往复运动， 同时采用了机械平衡方式。 在液压系统上弥补了YCJ—II型的不足， 同时整机平稳运行。

功率回收型液压抽油机利用了“变量泵—马达”这一特殊元件，实现了“长冲程，低冲 次，大载荷”的特点，并有安全保护功能。最重要的是它通过能量的储存于转换使功率回收， 而且相当完全，平衡也是最完美的。

1.3 本课题所涉及的问题在国外的研究现状及分析

国外对于液压抽油机的研制起步较早，但由于翻译过的外文文献较少，这里只做介绍， 不做详细分析。

1961 年美国 Axelson 公司研制出 Hydrox 长冲程 CB 型液压抽油机，冲程 1.2~7.95m， 适井深度 670~2032m，并在几个大油田获得成功的应用性实验。

1965 年苏联研制出 ArH 油管平衡式液压抽油机，可分开调节上下冲程的速度，冲程长 度 1.625~4.275m。目前，这类产品已形成产品系列。1977 年加拿大研制出HEP 型液压抽油 机。冲程 10m，最高冲次 5.0/min，悬点载荷 34.23~195.64KN。

此后仍有不少新型液压抽油机产品出现，

液压抽油机已形成系列产品走向市场，

在国外，

在油田作业表现出较高的可靠度和采油效益。

2 液压回路的设计

2.1 上行回路与下行回路基本思路的确定

液压执行元件常用的有液压马达与液压缸。

对于抽油机来说， 其工作为直线往复运动， 液压马达可配合齿轮齿条机构做直线往复运 动实现长冲程，液压缸则较短冲程内直接实现直线往复运动。

因冲程为 3m，故选液压缸为执行元件。

为充分利用液压缸伸长时的力大于收缩时的力之这一特点， 机械结构上决定以液压缸那 个伸长为上行冲程， 液压缸收缩为下行冲程， 液压回路与之对应分别为上行回路和下行回路。

思路上参照参考文献[1]，由于悬点始终受到向下的重力，故考虑将下行回路时悬点下 降的重力势能回收，在上行回路时释放帮助液压缸的提升，减少液压泵的排量。

图 1 上行回路

如图，上行回路的思路基本如此，由已经在下行回路中回收了重力势能的蓄能器同液压 泵同时向液压缸供油，提升悬点。活塞杆前端排除的油液直接回油箱，以减少阻力，减轻液 压泵的负担。

此处，蓄能器的出口压力必须大于等于液压泵的出口压力，否则将是液压泵同时向蓄能 器和液压缸供油，适得其反。蓄能其出口压力大小大约是选点最大载荷除以活塞面积，数值 可暂设为液压泵 2MPa，蓄能器最低出口压力 1.5Mpa，提升悬点需要 1MPa。

下行回路应实现能量的回收利用，故液压缸排除的油液暂定为全部回收到蓄能器内，而 液压泵也同时推动活塞杆下行，，即蓄能器回收了重力势能与液压泵输出的能量，避免了带 动液压泵的电机频繁停转启动导致先圈内电流变化引起的发热等对电动机的不利损害， 或者 液压泵直接卸载导致的能量浪费。

图 2 下行回路

如此，得到了上行回路与下行回路的雏形，接下来应添加元件，解决控制问题，以及其 他可能出现的问题。

在上行回路中，上行回路中，压力设定为提前文已经提到，并作为后期计算选取元件的 重要指导。在下行回路，由于选点载荷依然较大，活塞杆的下落即使无液压泵供油也会自行 发生，其速度有可能超过液压泵供油的速度，导致液压缸成为动力元件，液压泵成为执行元 件， 即悬点拉着液压泵和电动机转， 导致其作负功， 故有必要在液压泵的出口设置单向装置， 必须避免选点拉着泵转这一现象，所以需要在泵的出口处加一个溢流阀。

另外为防止压力过大损坏蓄能器，而不选取过大容积的蓄能器，故在蓄能器的出口加一 个溢流阀引导超出蓄能器设定最大压力的有也回油箱。

图 3 修改后的下行回路

稍作改动后如上图所示。

回路之间的切换，即液压缸走向的变化，由行程开关检测，电磁换向阀控制，回路中若 需要其他的换向阀，尽量统一使用一套行程开关以减少不必要的元件。

2.2 最终回路图的确定

在草纸上设计了 4 种方式的回路，经 FluidSIM 液压设计辅助软件进行仿真后，留下最 后一套方案定稿。

图 4 FluidSIM 中的液压回路