應(yīng)用抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)功率曲線計(jì)算減速箱扭矩曲線

朱榮杰 蘭永乾 馬龍飛

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；2.大慶油田通信公司；3.大慶潤(rùn)滑油二廠）

應(yīng)用抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)功率曲線計(jì)算減速箱扭矩曲線

朱榮杰1蘭永乾2馬龍飛3

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；2.大慶油田通信公司；3.大慶潤(rùn)滑油二廠）

通過(guò)對(duì)在用抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)功率曲線與抽油機(jī)減速箱扭矩曲線之間關(guān)系的分析，尋求出一種將功率曲線轉(zhuǎn)換為扭矩曲線的方法，并進(jìn)行誤差分析，從而得出計(jì)算精確的實(shí)驗(yàn)要求以及應(yīng)用于最大扭矩計(jì)算的誤差范圍，以檢驗(yàn)抽油機(jī)井是否超扭矩，為抽油機(jī)節(jié)電提供可靠的技術(shù)途徑。

功率曲線 轉(zhuǎn)矩曲線 方法 誤差分析

近年來(lái)，由于油田穩(wěn)產(chǎn)形勢(shì)要求，大慶長(zhǎng)垣中部一些抽油機(jī)井的單井產(chǎn)液量越來(lái)越高，因而下入的抽油泵的直徑也越來(lái)越大，抽油機(jī)選用的機(jī)型也隨之改變。

首先是抽油機(jī)沖程變化與其得出的經(jīng)驗(yàn)公式有很大差距。20世紀(jì)60年代，抽油機(jī)的沖程多數(shù)在3 m以下，而現(xiàn)在應(yīng)用的抽油機(jī)沖程在4.2 m以上的井占了抽油機(jī)井總數(shù)的70%左右。

其次是游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)與當(dāng)初相比有了較大變化。如20世紀(jì)90年代中期，油田選用的抽油機(jī)至少是異相型抽油機(jī)，隨后又有大量的雙驢頭抽油機(jī)得到了應(yīng)用。

1 利用功率曲線計(jì)算扭矩曲線的方法

抽油機(jī)扭矩曲線的應(yīng)用主要有三個(gè)方面的內(nèi)容：①檢查是否超扭矩及判斷是否發(fā)生背擊現(xiàn)象；②判斷及計(jì)算平衡；③用于功率分析。

減速箱輸出的瞬時(shí)功率等于瞬時(shí)扭矩與曲柄角速度之積[1]，即

對(duì)該公式進(jìn)行變換，則可以得到

但是，實(shí)際礦場(chǎng)上我們只能利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段得到的是電動(dòng)機(jī)的輸入功率曲線，而不是減速箱輸出軸功率曲線，目前想要直接測(cè)得減速箱輸出軸功率曲線幾乎是不可能的。那么只能利用電動(dòng)機(jī)輸入功率曲線得到減速箱輸出軸的功率曲線。

2 計(jì)算實(shí)例

如某井，該井沖速為6.72 min-1，由此計(jì)算該井曲柄旋轉(zhuǎn)角速度為0.703

將該數(shù)據(jù)代入測(cè)得的功率曲線數(shù)據(jù)，并制圖得出功率曲線和減速箱輸出軸扭矩曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 功率與減速箱輸出軸扭矩曲線

3 分析

3.1 電動(dòng)機(jī)—減速箱輸出軸的傳動(dòng)效率組成

從電動(dòng)機(jī)到減速箱輸出軸，主要有以下幾個(gè)傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)：①電動(dòng)機(jī)到電動(dòng)機(jī)輸出軸，它的傳動(dòng)效率是指電機(jī)的工作效率；②從電動(dòng)機(jī)輸出軸到減速箱輸入軸，它的傳動(dòng)效率主要是指皮帶的傳動(dòng)效率；③從減速箱輸入軸到減速箱輸出軸，它的傳動(dòng)效率主要是減速箱的傳動(dòng)效率。

3.2 各節(jié)點(diǎn)傳動(dòng)效率分析

3.2.1 電動(dòng)機(jī)的工作效率

目前，油田常用的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)是Y系列鼠籠式電動(dòng)機(jī)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹[2]，目前油田常用的電動(dòng)機(jī)（8極電動(dòng)機(jī)，功率22～75 kW）額定工作效率為90%～92%。

一般電動(dòng)機(jī)在輸出功率為(60%～100%)額定功率條件下工作時(shí)，其效率接近于額定效率，約90%左右，即電動(dòng)機(jī)損耗約占10%。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，在接近額定負(fù)荷時(shí)，其最大效率通常達(dá)到91%。

3.2.2 皮帶的傳動(dòng)效率

皮帶傳動(dòng)的特點(diǎn)：由于皮帶具有良好的彈性，因此能緩和沖擊，吸收振動(dòng)，尤其是三角膠帶，無(wú)接頭，工作平穩(wěn)、噪音小，但工作中有彈性滑動(dòng)，因此瞬時(shí)傳動(dòng)比不精確；過(guò)載時(shí)，皮帶在輪面上打滑，可防止其他零件損壞，起保護(hù)作用，但傳動(dòng)效率較低，三角帶傳動(dòng)效率一般情況下為0.9～0.92；適用兩軸中心距較大的場(chǎng)合；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，但外形尺寸大，不緊湊。

皮帶傳動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)小于極限負(fù)荷時(shí)傳動(dòng)效率都很高，只有超過(guò)極限負(fù)荷時(shí)，傳動(dòng)效率開(kāi)始下降。通常情況下皮帶傳動(dòng)的效率為92%。

3.2.3 減速箱傳動(dòng)效率

減速箱傳動(dòng)由齒輪傳動(dòng)和軸承傳動(dòng)組成。

齒輪傳動(dòng)具有工作可靠、傳動(dòng)比精確、傳動(dòng)效率高（0.92～0.99）、結(jié)構(gòu)緊湊、適用功率和速度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。通常情況下，齒輪傳動(dòng)效率可達(dá)到96%以上。

軸的主要功用是支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件和傳遞動(dòng)力，對(duì)于減速箱中的軸而言，它既承受彎矩，又承受轉(zhuǎn)矩，通常情況下每組軸承的傳動(dòng)效率99%以上。對(duì)于抽油機(jī)減速箱而言，三組軸承的傳動(dòng)效率為97.03%。

通過(guò)上述分析，從電動(dòng)機(jī)到減速箱輸出軸總體的最大傳動(dòng)效率為0.78。

3.3 誤差分析

3.3.1 電動(dòng)機(jī)部分

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變化十分劇烈且頻繁。在抽油機(jī)的每一沖程中，電動(dòng)機(jī)的輸出功率都將出現(xiàn)兩次瞬時(shí)功率極大值和兩次瞬時(shí)功率極小值。其瞬時(shí)功率極大值可能超過(guò)額定功率，而極小值一般為負(fù)功率，即電動(dòng)機(jī)不僅不輸出功率，反而由抽油機(jī)拖動(dòng)而發(fā)電。因此電動(dòng)機(jī)的輸出功率的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了(60%～100%)額定功率的范圍，特別是當(dāng)抽油機(jī)平衡不良時(shí)，其電動(dòng)機(jī)甚至可能在(-20%～180%)額定功率的范圍內(nèi)變化，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率降低，損耗增大。

對(duì)于平衡良好的抽油機(jī)，當(dāng)抽油機(jī)懸點(diǎn)負(fù)荷最大時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率也會(huì)最大，其最大功率基本在電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)附近。通過(guò)部分電動(dòng)機(jī)效率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)其在接近額定負(fù)荷時(shí)，工作效率最高。

這個(gè)過(guò)程發(fā)生在上沖程，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)這一峰值后，其余時(shí)間的工作效率都比較低，通常在75%～91%之間。

3.3.2 皮帶傳動(dòng)部分

當(dāng)皮帶安裝符合安裝要求的條件下，皮帶傳動(dòng)效率的變化并不大，即：當(dāng)小于極限負(fù)荷時(shí)傳動(dòng)效率都很高，只有超過(guò)極限負(fù)荷時(shí)，傳動(dòng)效率開(kāi)始下降。對(duì)于抽油機(jī)井而言，這一時(shí)刻主要出現(xiàn)在抽油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程和極不平衡的過(guò)程，對(duì)于大多數(shù)的抽油機(jī)井而言，它的傳動(dòng)效率通?？梢员ＷC在較高的水平，因此，皮帶傳動(dòng)效率92%是比較符合實(shí)際的，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的影響并不大。

3.3.3 減速箱傳動(dòng)部分

由于這一部分的傳動(dòng)只要保證較好的潤(rùn)滑，其傳動(dòng)效率基本可以保持一個(gè)比較恒定的水平，因而這一部分對(duì)其影響并不大。

通過(guò)上述分析，傳動(dòng)效率變化最大的是電機(jī)部位，因而解決這一部位傳動(dòng)效率的計(jì)算是最為關(guān)鍵的。

4 認(rèn)識(shí)

（1）利用功率曲線計(jì)算抽油機(jī)減速箱輸出軸扭矩，對(duì)最大扭矩計(jì)算產(chǎn)生的誤差不大，對(duì)電動(dòng)機(jī)功率較低點(diǎn)的計(jì)算值偏高。

（2）如需取得更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，需對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模型試驗(yàn)或以已取得的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

（3）應(yīng)用該方法，可利用測(cè)試數(shù)據(jù)中的峰值功率計(jì)算抽油機(jī)減速箱輸出軸最大扭矩，以檢驗(yàn)抽油機(jī)井是否超扭矩。

[1]張琪,采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)石油大學(xué)出版社,2000.

[2]邵海忠.最新實(shí)用電工手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.02.006

2011-01-18）

朱榮杰，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)，高級(jí)工程師，從事機(jī)械采油節(jié)能技術(shù)管理工作，E-mail：Zhurongjie@petrochina.com.cn，地址：大慶市薩爾圖區(qū)中七路114號(hào)，163001。