游梁式抽油机的机械平衡

游梁式抽油机的机械平衡

摘要：目前，国际油田开采中最常见的方式是采用常规型游梁式抽油机，占所有采油作业的60%之多。这种抽油机的平衡方式分为机械平衡和气动平衡。其中，机械平衡又分为曲柄平衡、游梁平衡以及复合平衡。本文通过介绍机械平衡的原理、准则以及方式的选择几个方面，让大家对游梁式抽油机的机械平衡有个初步的了解。

关键词：游梁式抽油机；机械平衡方式；原理准则

1.游梁式抽油机平衡的意义

常规游梁式抽油机主要由动力系统（电动机）、机械传动系统（驴头、四连杆机构和减速箱）、抽油系统（抽油杆等）以及机架等组成。抽油机是通过驴头的上下运动将原油采集到地面，在上冲程中，驴头上行，抽油杆柱和液柱被提起，电动机做正功；在下冲程中，驴头和抽油杆柱在重力的作用下自由下落，电动机做负功。在这期间，直接由做正功变为做负功，电动机载荷非常不均，这严重影响了电动机本身以及其它相关机构的工作效率和使用寿命。因此，抽油机需要采取合理的平衡方式来消除电动机做负功这一不利因素。由于游梁式抽油机在所有采油作业中占了非常大的比例，所以如果能很好地解决这一问题，将会带来巨大的经济效益。

2.平衡的基本原理

游梁式抽油机的平衡包括气动平衡和机械平衡。其中，气动平衡因为保养和维护比较复杂，所以使用的机会较少。抽油机的机械平衡是通过在抽油机的游梁或者曲柄中加入平衡重来实现的，在下冲程中，将平衡重从低处抬高，这一过程除了需要驴头和抽油杆自由下落释放势能，还需要电动机输出能量，由此来消除之前电动机做负功的现象，同时平衡重被抬高储存势能，这些势能在上冲程中被释放出来，减小电动机的做功，这样有利于缓解电动机载荷不均的现象。机械平衡根据放置平衡重位置的不同，可以分为游梁平衡、曲柄平衡以及复合平衡。

在复合平衡方式中，上冲程时，游梁平衡重和曲柄平衡重都向下移动，二者释放势能和电动机一起做功，做功的大小与悬点载荷做功的大小相等。同理下冲程时，电动机和悬点做功之与抬高平衡重增加的势能相等。在整个冲程过程中，如果平衡效果好，可使平衡重作用在曲柄处的扭矩曲线和悬点载荷作用在曲柄处的扭矩曲线叠加后形成一条波动很小的近似正弦曲线，该曲线的最大值小于电动机的功率。这样的话电动机的输出功率就能始终在一个范围内变化，从而达到节能减排的效果。

3.机械平衡的准则

3.1.电动机上、下冲程做功相等

根据这个原理，可以求出上、下冲程过程中需要释放或储存的能量大小，由于平衡重向上运动和向下运动做的功相等，因此可以得出电动机做的功与悬点载荷做功的关系，以此来确定平衡重的大小和位置。

3.2.上、下冲程中抽油机输出轴的扭矩峰值相等

这一准则在调整运行中的抽油机的平衡时使用。因为减速器输出轴扭矩的测量较难，而根据传动关系可以知道，减速器输出轴扭矩与电动机输入的功率和电流矩成正比，所以可以通过测量电流和功率的大小，并依据准则二进行调节，间接得到答案。

3.2.1.电流法：根据抽油机上、下冲程过程中电动机输出的电流峰值判断平衡效果。若上冲程电流峰值明显大于下冲程电流峰值，则说明系统不平衡，此时可以增加游梁平衡重的重量或者加大曲柄平衡重的平衡半径；相反地，若上冲程电流峰值明显小于下冲程电流峰值，则应减少对应的变量。当下冲程电流峰值与上冲程电流峰值的比值在0.85和1之间，则认为平衡。

3.2.2.功率法：功率法的原理与电流法类似，只是将检测的对象改为功率，即改用功率仪测量，记录下电动机的功率变化曲线，并因此来判断平衡状况。当下冲程和上冲程功率峰值的比值在70%以上则视为平衡。有一点值得注意的是，功率法可以避免电动机输出正功电流和负功电流接近时的假象平衡。

3.2.3.扭矩法：根据扭矩因数表绘出扭矩曲线。根据上、下冲程曲柄扭矩的最大值来判断是否平衡。当二者比值在80%—100%内时可认为抽油机平衡效果良好。

3.3.上、下冲程中，抽油机减速器输出轴净扭矩的均方根值最小

目前还没有具体的标准来评判这三种准则到底谁好谁坏，不过可以这样考虑：输出轴的负扭矩和峰值扭矩是影响减速箱寿命的主要元素，而第三准则中的均方根扭矩则是影响电动机功率的主要元素，于是可以通过综合考察这三个参数来判定平衡效果。

4.机械平衡方式的选择

在选择机械平衡方式时，除了考虑K的限制外，还应考虑下列要求：

4.1.从减少轴承、减速箱和连杆的载荷考虑，可减少曲柄平衡重、加大游梁平衡重。

4.2.从节约平衡重制作材料考虑，采用游梁平衡比较好，因为组合式的曲柄平衡重比较难做，而且在矿区，笨重的平衡重运输也较困难。

4.3.从使用方便问题考虑，增加曲柄平衡重比较容易实现，因为在曲柄上移动平衡重比起在游梁末端装卸平衡重要方便些。

5.结束语

由上面介绍的内容可以看出，由于常规游梁抽油机在结构方面的限制，想绝对达到平衡状态是不太可能的，针对这一点，很多国内外的学者尝试过游梁抽油机的基础上进行技术改造。游梁抽油机是最早开发、应用最广、使用数量最多的机型，只要能合理改善其平衡效果，解决其能耗高的难题，这种机型会越来越广泛地被应用到各大油田中去，同时也会带来良好的社会效益和经济效益。

参考文献

[1]宋兴盛. 游梁式抽油机分节点效率分析与平衡状态测试仪的研制[D]. 中国石油大学. 2009.

[2]马武，张力，刘健，张凯. 论常规型游梁式抽油机的机械平衡[J]. 新技术新工艺. 2013（3）：4-5.

[3]宋振华. 复合平衡式双驴头抽油机动力学仿真分析[D]. 东北石油大学. 2012.