直线电机驱动抽油机的试验研究

收稿日期:2005 01 24作者简介:郭公喜(1942 ),男,安徽萧县人,高级工程师,1967年毕业于北京石油学院矿机专业,现从事采油设备的研究工作。

文章编号:1001 3482(2005)04 0017 04直线电机驱动抽油机的试验研究郭公喜1,叶志强1,李为民1,田原宇2(1.山东德达石油技术有限公司,山东东营257091;2.山东科技大学,山东济南250000)摘要:研制了1台推力为500N 的圆筒型直线电驱动的抽油机样机。

以此来试验研究圆筒形直线电机在抽油机上的工作特性及其控制系统、电机的固定与调整、抽油机的配重与平衡、刹车与扶正等。

提出了研制各型直线电机驱动抽油机的可行性及在工业试验中需要继续完善的问题。

关键词:抽油机;直线电机;驱动;试验;研究中图分类号:T E933107 文献标识码:A Study on the new pumping unit driven by linear motorGUO Gong x i 1,YE Zhi qiang 1,LI Wei min 1,TIAN Yuan yu 2(1.Shandong D eda P etr oleum T echnology Co.L td.,D ongy ing 257091,China;2.Shandong Uni vers ity of T echnology ,J inan 250000,China )Abstract:A new pumping unit is developed w hich is dr iv en by cy linder linear mo tor of 500N pow er.By the new pumping unit,many peculiar ities of cy linder linear motor are studied in the pum ping unit.These peculiarities involve the w orking peculiarity and fix ture and adjustment of linear mo to r and the control sys tem and balancing w eigh and stopping and alig ning of pumping unit,et al.T he feasibilities of various pum ping units driven by linear motor are ex po unded and the pum ping unit driven by linear m otor is to be in prov ed in industry exper im ent.Key words:pum ping unit;linear motor;drive;ex perim ent;r esar ch 要把直线电机用在抽油机上,有许多技术问题需要解决。

山东德达石油技术有限公司经过3a 多的不懈努力,研制出了不同推力圆筒形直线电机的试验样机,从而解决了实际中的许多技术问题[1]。

1 试验样机的主要结构与参数试验样机的主要结构均按照工业用抽油机的要求进行研究设计。

试验样机的主要组成如图1。

a) 电机 电机为圆筒形直线电机,额定工作电压380V 、额定推力0 5kN 、峰值推力1 3kN 。

b) 机架及底座 均按可用于工业生产的抽油机结构设计,可拆装、可折叠。

c) 配重与平衡 为了便于试验,用重物代替抽油泵,重物质量可调,重物与电机初级在质量上基本平衡。

重物一侧的质量大于电机初级约2kg ,在克服摩擦力的情况下,向重物一侧自由下落。

d) 冲次 在控制系统中,冲次可实现0~4min -1,无级调节,考虑到实际使用,调整为0~2min-1。

e) 冲程 针对试验,冲程设计为800mm,虽可无级调节,但行程较短,试验时,调节范围较小。

f) 电机的安装与调整 电机的初级是抽油机的动力,也是抽油机配重箱的组成部分。

电机初级运行时的防震器、刹车系统、扶正系统、电机初级与次级之间的固定装置(运输时),都要安装在电机的初级上。

为此申报了实用新型专利(申请号:200420041118.0)。

电机的初级和次级及配重箱是要一起吊装到抽2005年第34卷 石油矿场机械第4期第17页 OIL FIELD EQUIPMENT 2005,34(4):17~20油机机架上的。

因此,电机次级的安装、定位、调节很重要。

为此研制了专门的安装调节机构,并申请了实用新型专利(申请号:200420041117.6)。

g) 控制系统 软启动+PLC,也可自动调节,也可手动调节。

设定参数后,可自动运行。

1 电机次级下部固定与调节装置;2 下部传感器;3 光杆卡子及光杆;4 机架;5 柔性联接系统;6 上部传感器;7 天轮系统;8 电机次级上部固定与调节装置;9 电机次级;10 上部减震器及刹车系统;11 电机初级及配重;12 下部减震器图1 直线电机抽油机结构示意2 圆筒形直线电机的主要结构与参数2.1 圆筒形直线电机的优点a) 圆筒形直线电机的初级和次级不存在绕组端部,这就提高了绕组的利用率,也不存在横向边缘效应。

b) 圆筒形直线电机只有两端有漏磁现象,间隙较小,便于防尘。

c) 电机的初级与抽油机的配重箱组成一体,既方便,又节约配重料。

2.2 圆筒形直线电机的结构与工艺对电机初级内外均进行绝缘、防腐处理。

电机次级以无缝钢管为基体,表面复合一层1~2mm 的复合材料,复合技术要求较高,制造工艺较复杂(有多种制造方案)。

因电机初级与次级之间的间隙为2~4mm,在实际使用中,次级长为9~10m 。

次级外径较大( 219~ 470mm ),对次级的直线度、圆柱度有较高要求,在设计、加工电机初级和次级时,对机械加工工艺有较高的要求。

2.3 圆筒形直线电机安装要求直线电机次级的轴线应与抽油机底座的水平面垂直,其垂直度应小于0.1mm/m 。

2.4 两种推力的圆筒形直线电机主要技术参数(如表1)表1 两种直线电机的主要技术参数抽油机机型额定推力F /kN 峰值推力F f /kN 额定同步速度v /m s -1运行速度v 1/m s -1空载速度v 2/m s -1实际间隙 /mm 额定工作电压V /V 额定工作电流I /A 试验0 51 311353803014型4090336330003 机械部分设计要点a) 天轮机构 在直线电机驱动的抽油机上,天轮机构的设计与现用的天轮机构不同。

如图2,该机构是借用石油钻机天车结构,天轮支在滚动轴承上,工作时,只有天轮和轴承外圈转动,减少了转动惯量和摩擦力,而且便于拆装和维修。

b) 主机架和大小底座 主机架与大小底座用型钢组焊而成,结构简单,便于加工制造。

且主机架与大、小底座均用转轴和螺栓联接,可以方便拆装、折叠,便于运输。

1 压盖;2 轴承;3 轴;4 天轮;5 天轮支架图2 天轮机构示意以试验样机为例,总高为2200mm,总宽为18 OIL FIELD EQUIPMENT 2005V ol.34!4520mm 。

折叠后,长为2100mm,宽为520mm,高为600mm ,可安装在轻型卡车或面包(工具车)车上运输。

用40kN 推力的直线电机设计的(14型)抽油机样机,总质量约11∀103kg(不包括大底座),10∀103~12∀103kg 的载重卡车就可以拉运,拆装、运输都很方便。

c) 电机和抽油机的安装和调整 电机的拆装与定位调整在厂内和现场均可方便拆装和找正。

工业用抽油机电机安装时,需用汽车起重机,抽油机的定位和调整可达到方便、快捷、准确的要求。

d) 柔性传动 电机的初级既是动力又是配重的组成部分,它与光杆之间的联接方法很重要。

一种方法是用多根钢丝绳相连,成本低、简单、方便,但钢丝绳寿命低,吸振性能较差,它也具有柔性,加上载荷后,基本趋于刚性。

另一种方法是柔性皮带联接,柔性皮带成本高,但吸振性好、使用寿命长。

目前使用双根柔性带或窄V 联组带2种方法。

e) 配重与平衡 直线电机的初级作为配重的一部分,可减少配重用料。

例如,40kN 推力的直线电机的初级自重这1.8∀103kg,加上减震器、刹车系统、扶正系统、皮带联接机构等,自重可达2∀103kg ,因而平衡配重可减少2∀103kg 。

而这种直接平衡方式,可根据抽油机的工况、油藏特点,调节到需要的平衡状态。

4 安全系统a) 扶正 电机的初级与配重箱是一体联接的,初级在运动中与次级之间有3~4mm 的间隙,且悬吊在空气中,电机次级运动时出现转动、摇摆。

在试验样机上进行了多种研究与改进,已有了较可靠的扶正方案。

b) 刹车 因电机的初级是运动的,刹车机构也随之行走。

在试验样机时,虽然不是每个行程都要刹车,但在某些情况下,如皮带与光杆联接、检修时,仍需刹车。

为此,研究采用了盘式电磁刹车和手动刹车方案。

c) 超行程保护 除了用位置传感器来调节冲程之外,还设计了一套超行程开关,防止电机初级超行程运行,起到第2道安全保护作用。

控制系统具有多项电机自动保护功能。

5 试验研究5.1 电机运行规律因试验样机的冲程较短,试验冲次从1~6m in -1,证明冲次的可调性。

以2min -1测试其他参数,电机初级的运行曲线如图3。

图3 电机初级运行曲线t 1为操作者根据工况设定的延时时间,s 。

当电机初级位置于抽油机的上死点(最高点)时,抽油泵处于吸入状态,令电机停止运行,使抽油泵充分吸入油液,而后启动。

t 2为启动时间;t 3为电机带负荷运动时间;t 4为电机接到反向运行信号,开始停止运行到反向运行时间;t 5为反向(上行)空载(靠平衡质量差)运行时间。

因直线电机空载运行速度很快(可达3m/s),抽油机工作时,加上井下液体阻力、系统摩擦力、平衡重差别不大的情况下,空载(冲程大约4~7m )运行时间为2~3s 。

上行时,试验样机依靠负载与配重之间的配重差(质量差2kg 左右),依靠重力迅速启动,运行时间仅1s 左右,有负载的启动时间可设定,一般在5~20s,负载运行时,提前断电,使系统靠惯性运动到下死点,以减少换向的冲击载荷。

根据试验样机运行的实测时间,在30s 一个冲程中,需供电时间不超过6s 。

抽油机抽油杆下行时,井下液体阻力较大,为确保下行的顺畅,电机上行时,也可供电,但其运行时间短、电流小、耗电量很少,且系统可自动调节。

在一个冲程周期中(以30s 计),负载运行仅2~3s,占整个冲程周期的10%,加上反向供电、启动时间和供电时间,也仅占全周期的50%左右,其节电效果明显。

5.2 控制系统a) 位置传感器 直线电机的上行和下行是依靠位置传感器提供的准确信号来实现的,位置传感器要求灵敏度高、准确、反映迅速,动作次数要在107次以上。