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[摘 要]游梁式抽油机利用电能转换为旋转运动， 减速后再经四连杆机构转换为直线往复运动， 直线电机抽油机将电能直接转换为直线往复运动， 简化了机械传动过程， 有效地提高了效率。本文主要是从两种类型的抽油机的基本原理出发，对其优缺点进行探讨，对比分析其性能差异。
[关键词]游梁式抽油机 直线电机抽油机 效率
中图分类号：Y996 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0326-01
游梁式抽油机以特别能适应野外恶劣工作环境等明显优势， 区别于其它众多类型的抽油机。常规游梁抽油机以其结构简单、易损件少、可靠性强、操作简便、维护费用低等特点， 一直占据有杆泵采油地面设备的主导地位。由于结构不尽合理， 常规游梁抽油机无法克服大马拉小车、能耗高的缺点。因此， 国内外各生产厂家先后研制出前置式抽油机、异相曲柄抽油机、空气平衡抽油机等， 克服了常规游梁抽油机的一些缺点， 但仍脱离不了利用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方式， 因而没有解决根本问题。特别是我国油田开发采用早期注水方式， 油井含水后液量不断提高， 要求抽油机的冲程和承载越来越大， 造成抽油机总重量直线上升， 直接影响开发重型抽油机。
一、游梁式抽油机
游梁式抽油机以电能转换为旋转运动， 再利用机械方法转变为往复直线运动， 除前述优点外， 还特别能适应野外、全天候、长时间连续运转的需要。需解决的问题主要是传动效率低、增大冲程后带来的问题和惯性载荷过大。
1、传动效率低
皮带传动的功率损失。一般以弯曲功率损失和弹性滑动损失为主，为减少皮带传动损失，应减小皮带的纵向弯曲模量和截面惯性矩，并增加皮带的拉伸弹性模量。20世纪70年代以来，对皮带做了大量改进，创造出窄V带、多楔带、同步带等，使传动效率由83%提高到94%，由于管理等方面的原因，大量抽油机皮带传动效率在85%左右。
减速箱传动功率损失。1副轴承传动损失约为1%，1对齿轮传动损失约为2%，减速箱总传动损失为9%～10%，传动效率约为90%。四连杆机构3副轴承传动效率损失3%，钢丝绳变形损失通常统计约为3%，总计四连杆机构传动效率约为94%。以上分析可知，传动效率约为72%。即游梁式抽油机本身机械传动能量损失28%，这也是游梁式抽油机系统效率低的原因之一。
2、增大冲程后带来的问题
游梁式抽油机增大冲程时减速箱扭矩成比例增大，冲程增加需更换更大更重的减速箱。以12型游梁式抽油机为例，最大载荷120kN，最小载荷60kN，冲程为3m，则减速箱扭矩为53kN.m。若将冲程加大到4.2m，则减速箱扭矩将增加到75kN.m，可见冲程由3m增加到4.2m，减速箱要由53kN.m增加到105kN.m，上升2个挡次。
增大冲程后，因受游梁摆角限制，四连杆尺寸必然增大，引起抽油机外形尺寸和总机重量大幅度增加，如额定悬点载荷为100kN的常规游梁抽油机，当光杆最大冲程由3m增加到4.5m时，抽油机总重由15t上升到25t，净增加66.6%。
3、惯性载荷过大的问题
游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头运动规律为类似简谐运动， 其最高速度和最低速度较匀速运动的速度高得多， 所以加速度较匀速运动也大得多， 造成惯性载荷大， 使抽油机承受载荷过大， 缩短了抽油机使用寿命。
二、直线电机抽油机
1、结构及原理
直线电机抽油机解决了直线电机大推力的技术关键， 其悬点最大载荷、电机推力、最大冲程可达高性能要求。直线电机抽油机将电能直接转变为往复直线运动， 不但提高了效率，而且能实现抽汲参数无级调整，进而能根据抽油需要调整悬点运动规律，为智能化创造很好的条件。
直线电机抽油机由动子和机架组成的直线电机、复合导向轮、毛辫子、悬绳器、平衡导向轮、平衡箱、平移底座、底座和控制柜组成。其工作原理为：上冲程光杆载荷为抽油杆重量加上液柱载荷，而平衡重呈自由落体下行做功，此时动子下行拉力只有二分之一液柱载荷，当光杆下行时光杆载荷为抽油杆重量，呈自由落体下行做功，而动子拉动平衡箱上行，此时动子上行拉力仍是二分之一液柱载荷。这种抽油机采用的是天平式平衡，没有旋转运动，平衡效果好， 抽油机运行平稳。
2、特点分析
直线电机抽油机由于不使用四连杆机构， 克服了游梁抽油机加大冲程时减速箱扭矩增加的缺点， 只需加高机架， 抽油机外形尺寸和总机重量都增加得很少。其重量增加值不超过
10% 。直线电机抽油机运动规律与链条抽油机和皮带抽油机类似， 在每个冲程中90% 时间都是匀速运动， 不象游梁式抽油机运动速度有极大值， 所以在平均速度相等的情况下， 匀速运动抽油机运动速度的最大值要小得多， 因此加速度也小得多。直线电机抽油机将电能直接转换为往复直线运动， 减少了机械转换环节， 提高了传动效率， 加上采用天平式平衡和运动规律的改善， 节能效果非常明显， 同时由于运转平稳也可以延长设备使用寿命。
虽然直线电机抽油机采用了变频技术， 但抽油机本身结构简单， 总成本并不比常规抽油机高。冲程采用了无触点限位控制器， 实现了抽汲参数无级可调， 为就地自动控制提供了条件， 如开采稠油时为避免悬绳器与光杆打架， 可监测光杆载荷， 当光杆载荷下降到一定程度时， 自动降低悬绳器运动速度以适应光杆下行速度。另外， 自动控制抽空， 随时监测示功图充满程度， 当充满程度低于设定数值时， 则自动降低冲数，确保泵的充满程度， 减轻设备的磨损和进一步节能。
直线电机抽油机虽然也采用软连接， 但为克服软连接使用寿命短的问题， 采用了硫化扁钢丝绳， 它的寿命比圆钢丝绳长得多， 同时采用了钢丝绳张力监测系统， 当发现张力下降到某一数值时及时更换， 可有效地避免事故发生。扁钢丝绳可以克服圆钢丝绳旋转和打扭的缺点， 避免悬绳器扭动造成抽油杆柱脱扣。克服了液压抽油机寿命短、要求环境条件高的弱点， 适应性与游梁式抽油机相当。操作维修方便， 安全保护功能比较齐全。
直线电机抽油机以其结构简单、节能效果好， 系统效率高、能满足采油工艺自动控制的要求和适应恶劣的工作环境等特点， 特别适合深井、稠油、抽空控制等油井使用， 为18型以上重型抽油机的制造开辟了新途径， 是一种值得重视的新型抽油机。
参考文献
[1] 苏德胜，刘先刚，吕卫祥，丁建林，刘苏，邱晓峰，任永林.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械 2001.5.
[2] 张晓玲，于海迎.抽油机的节能技术及其发展趋势[J].石油和化工节能 2007.2.
[关键词]游梁式抽油机 直线电机抽油机 效率
中图分类号：Y996 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0326-01
游梁式抽油机以特别能适应野外恶劣工作环境等明显优势， 区别于其它众多类型的抽油机。常规游梁抽油机以其结构简单、易损件少、可靠性强、操作简便、维护费用低等特点， 一直占据有杆泵采油地面设备的主导地位。由于结构不尽合理， 常规游梁抽油机无法克服大马拉小车、能耗高的缺点。因此， 国内外各生产厂家先后研制出前置式抽油机、异相曲柄抽油机、空气平衡抽油机等， 克服了常规游梁抽油机的一些缺点， 但仍脱离不了利用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方式， 因而没有解决根本问题。特别是我国油田开发采用早期注水方式， 油井含水后液量不断提高， 要求抽油机的冲程和承载越来越大， 造成抽油机总重量直线上升， 直接影响开发重型抽油机。
一、游梁式抽油机
游梁式抽油机以电能转换为旋转运动， 再利用机械方法转变为往复直线运动， 除前述优点外， 还特别能适应野外、全天候、长时间连续运转的需要。需解决的问题主要是传动效率低、增大冲程后带来的问题和惯性载荷过大。
1、传动效率低
皮带传动的功率损失。一般以弯曲功率损失和弹性滑动损失为主，为减少皮带传动损失，应减小皮带的纵向弯曲模量和截面惯性矩，并增加皮带的拉伸弹性模量。20世纪70年代以来，对皮带做了大量改进，创造出窄V带、多楔带、同步带等，使传动效率由83%提高到94%，由于管理等方面的原因，大量抽油机皮带传动效率在85%左右。
减速箱传动功率损失。1副轴承传动损失约为1%，1对齿轮传动损失约为2%，减速箱总传动损失为9%～10%，传动效率约为90%。四连杆机构3副轴承传动效率损失3%，钢丝绳变形损失通常统计约为3%，总计四连杆机构传动效率约为94%。以上分析可知，传动效率约为72%。即游梁式抽油机本身机械传动能量损失28%，这也是游梁式抽油机系统效率低的原因之一。
2、增大冲程后带来的问题
游梁式抽油机增大冲程时减速箱扭矩成比例增大，冲程增加需更换更大更重的减速箱。以12型游梁式抽油机为例，最大载荷120kN，最小载荷60kN，冲程为3m，则减速箱扭矩为53kN.m。若将冲程加大到4.2m，则减速箱扭矩将增加到75kN.m，可见冲程由3m增加到4.2m，减速箱要由53kN.m增加到105kN.m，上升2个挡次。
增大冲程后，因受游梁摆角限制，四连杆尺寸必然增大，引起抽油机外形尺寸和总机重量大幅度增加，如额定悬点载荷为100kN的常规游梁抽油机，当光杆最大冲程由3m增加到4.5m时，抽油机总重由15t上升到25t，净增加66.6%。
3、惯性载荷过大的问题
游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头运动规律为类似简谐运动， 其最高速度和最低速度较匀速运动的速度高得多， 所以加速度较匀速运动也大得多， 造成惯性载荷大， 使抽油机承受载荷过大， 缩短了抽油机使用寿命。
二、直线电机抽油机
1、结构及原理
直线电机抽油机解决了直线电机大推力的技术关键， 其悬点最大载荷、电机推力、最大冲程可达高性能要求。直线电机抽油机将电能直接转变为往复直线运动， 不但提高了效率，而且能实现抽汲参数无级调整，进而能根据抽油需要调整悬点运动规律，为智能化创造很好的条件。
直线电机抽油机由动子和机架组成的直线电机、复合导向轮、毛辫子、悬绳器、平衡导向轮、平衡箱、平移底座、底座和控制柜组成。其工作原理为：上冲程光杆载荷为抽油杆重量加上液柱载荷，而平衡重呈自由落体下行做功，此时动子下行拉力只有二分之一液柱载荷，当光杆下行时光杆载荷为抽油杆重量，呈自由落体下行做功，而动子拉动平衡箱上行，此时动子上行拉力仍是二分之一液柱载荷。这种抽油机采用的是天平式平衡，没有旋转运动，平衡效果好， 抽油机运行平稳。
2、特点分析
直线电机抽油机由于不使用四连杆机构， 克服了游梁抽油机加大冲程时减速箱扭矩增加的缺点， 只需加高机架， 抽油机外形尺寸和总机重量都增加得很少。其重量增加值不超过
10% 。直线电机抽油机运动规律与链条抽油机和皮带抽油机类似， 在每个冲程中90% 时间都是匀速运动， 不象游梁式抽油机运动速度有极大值， 所以在平均速度相等的情况下， 匀速运动抽油机运动速度的最大值要小得多， 因此加速度也小得多。直线电机抽油机将电能直接转换为往复直线运动， 减少了机械转换环节， 提高了传动效率， 加上采用天平式平衡和运动规律的改善， 节能效果非常明显， 同时由于运转平稳也可以延长设备使用寿命。
虽然直线电机抽油机采用了变频技术， 但抽油机本身结构简单， 总成本并不比常规抽油机高。冲程采用了无触点限位控制器， 实现了抽汲参数无级可调， 为就地自动控制提供了条件， 如开采稠油时为避免悬绳器与光杆打架， 可监测光杆载荷， 当光杆载荷下降到一定程度时， 自动降低悬绳器运动速度以适应光杆下行速度。另外， 自动控制抽空， 随时监测示功图充满程度， 当充满程度低于设定数值时， 则自动降低冲数，确保泵的充满程度， 减轻设备的磨损和进一步节能。
直线电机抽油机虽然也采用软连接， 但为克服软连接使用寿命短的问题， 采用了硫化扁钢丝绳， 它的寿命比圆钢丝绳长得多， 同时采用了钢丝绳张力监测系统， 当发现张力下降到某一数值时及时更换， 可有效地避免事故发生。扁钢丝绳可以克服圆钢丝绳旋转和打扭的缺点， 避免悬绳器扭动造成抽油杆柱脱扣。克服了液压抽油机寿命短、要求环境条件高的弱点， 适应性与游梁式抽油机相当。操作维修方便， 安全保护功能比较齐全。
直线电机抽油机以其结构简单、节能效果好， 系统效率高、能满足采油工艺自动控制的要求和适应恶劣的工作环境等特点， 特别适合深井、稠油、抽空控制等油井使用， 为18型以上重型抽油机的制造开辟了新途径， 是一种值得重视的新型抽油机。
参考文献
[1] 苏德胜，刘先刚，吕卫祥，丁建林，刘苏，邱晓峰，任永林.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械 2001.5.
[2] 张晓玲，于海迎.抽油机的节能技术及其发展趋势[J].石油和化工节能 2007.2.