Записки горного института, 2023, № 3

На обложке экспонат Горного музея – вольфрамит – сросток досчатых черных кристаллов 

со штриховкой, включающий призматические прозрачные скипетровидные кристаллы 

кварца (Караобинское месторождение, Карагандинская обл., Казахстан). Поступил в Горный 

музей в 1981 г. Вольфрамит – руда вольфрама, используется при производстве сталей, 

для получения термостойких материалов, изготовлении быстрорежущих инструментов, 

специальных коронок для бурения скважин. Применяется в черной металлургии, 

электротехнике, химической промышленности и других отраслях.

Горный музей – третья в мире по величине естественно-научная экспозиция, имеет более 

230 тысяч экспонатов, среди которых драгоценные металлы и камни, уникальные коллекции 

минералов, руд, горных пород, палеонтологических остатков, метеоритов, собрание моделей 

и макетов горной и горнозаводской техники, изделия камнерезного и ювелирного искусства.  

Научный журнал «Записки Горного института» с 1907 года 
издается Санкт-Петербургским горным университетом – первым 
высшим техническим учебным заведением России, основанным 
в 1773 году Указом Екатерины II как воплощение идей Петра I  
и М.В.Ломоносова о подготовке инженеров для развития горнозаводского 
дела.  

На базе Санкт-Петербургского горного университета работает 
Международный центр компетенций в горнотехническом образовании 
под эгидой ЮНЕСКО, способствующий активному взаимодействию 
журнала с международным научным сообществом.

Цель журнала – создание информационного пространства,  
в котором отечественные и зарубежные ученые смогут представить 
результаты теоретических и эмпирических исследований, 
посвященных проблемам минерально-сырьевого комплекса. 
Журнал привлекает ведущих специалистов к публикации научных 
статей и содействует их продвижению в международное 
научное пространство. 

Публикуемые статьи освещают вопросы геологии, геотехнологии 
и инженерной геологии, горного и нефтегазового дела, 
обогащения, энергетики, геоэкологии и безопасности жизнедеятельности, 
экономики сырьевых отраслей. 

Журнал индексируется Scopus (Q1), Web of Science Core 
Collection (ESCI), DOAJ Seal, RSCI, GeoRef, Google Scholar, 
РИНЦ, входит в белый список Министерства образования и науки 
РФ, приравнен к журналам из перечня ВАК категории К1.

Журнал выходит 6 раз в год. Средний срок до первого решения –  
1 месяц.

Статьи публикуются на безвозмездной основе. Перевод предос- 
тавляется автором. 

Санкт-Петербургский

горный университетет

Санкт-Петербургский

горный университетет

Международный 

центр компетенций

в горнотехническом 

образовании

под эгидой ЮНЕСКО
Записки Горного института

ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
В.С.Литвиненко, д-р техн. наук, профессор, академик Международной академии наук высшей школы, РАЕН, РАГН, МАНЭБ, ректор 
(Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)

ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА
С.Г.Скублов, д-р геол.-минерал. наук, доцент, член Российского минералогического общества, эксперт Российского научного фонда и РАН (Санкт-Петербургский 
горный университет, Санкт-Петербург, Россия) 

ОТВЕТСТВЕННЫЙ СЕКРЕТАРЬ
С.В.Синявина, канд. техн. наук, директор издательского дома «Записки Горного института» (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

О.Е.Аксютин, д-р техн. наук, чл.-кор. РАН, член правления, начальник департамента (ПАО «Газпром», Москва, Россия)
А.А.Барях, д-р техн. наук, профессор, академик РАН, директор (Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Пермь, Россия)
В.Н.Бричкин, д-р техн. наук, проректор по подготовке научных кадров (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
С.Г.Гендлер, д-р техн. наук, профессор, академик РАЕН, зав. кафедрой безопасности производств (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
О.М.Ермилов, д-р техн. наук, профессор, академик РАН, РАГН, зам. главного инженера по науке (ООО «Газпром добыча Надым» ПАО «Газпром», Надым, Россия)
В.П.Зубов, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
Г.Б.Клейнер, д-р экон. наук, профессор, чл.-кор. РАН, заместитель директора (Центральный экономико-математический институт РАН, Москва, Россия)
А.В.Козлов, д-р геол.-минерал. наук, член Российского минералогического общества, зав. кафедрой геологии и разведки месторождений полезных ископаемых 
(Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
Ю.Б.Марин, д-р геол.-минерал. наук, профессор, чл.-кор. РАН, президент (Российское минералогическое общество, Санкт-Петербург, Россия)
В.А.Моренов, канд. техн. наук, доцент (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия) 
М.А.Пашкевич, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой геоэкологии (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия) 
Т.В.Пономаренко, д-р экон. наук, профессор, доцент (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
О.М.Прищепа, д-р геол.-минерал. наук, академик РАЕН, зав. кафедрой геологии нефти и газа (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
А.Г.Протосеня, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой строительства горных предприятий и подземных сооружений (Санкт-Петербургский горный университет, 
Санкт-Петербург, Россия)
В.Е.Сомов, д-р экон. наук, канд. техн. наук, академик РАЕН, директор (ООО «Кинеф», Кириши, Россия)
А.А.Тронин, д-р геол.-минерал. наук, директор (Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург, Россия)
В.Л.Трушко, д-р техн. наук, профессор, академик Международной академии наук высшей школы, РАЕН, РАГН, МАНЭБ, зав. кафедрой механики
(Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия) 
П.С.Цветков, канд. экон. наук, начальник управления по публикационной деятельности (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
А.Е.Череповицын, д-р экон. наук, профессор, зав. кафедрой экономики, организации и управления (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
Я.Э.Шклярский, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой общей электротехники (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
В.А.Шпенст, д-р техн. наук, профессор, декан энергетического факультета (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)
Олег Анцуткин, профессор (Технологический университет, Лулео, Швеция)
Габриэль Вейсс, д-р наук, профессор, проректор по научной и исследовательской деятельности (Технический университет, Кошице, Словакия)
Хал Гургенчи, профессор (Школа горного машиностроения Квинслендского университета, Брисбен, Австралия)
Эдвин Кроке, д-р наук, профессор (Институт неорганической химии Фрайбергской горной академии, Фрайберг, Германия)
Чжоу Фубао, д-р наук, профессор, вице-президент (Китайский горно-технологический университет, Пекин, Китай)
Чжао Юэмин, д-р наук, профессор, директор научного комитета (Китайский горно-технологический университет, Пекин, Китай)

Разделы

•Геология  •Геотехнология и инженерная геология
•Экономика сырьевых отраслей    •Энергетика

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ • 2023

У ч р е д и т е л ь  С а н к т - П е т е р б у р г с к и й  г о р н ы й  у н и в е р с и т е т

Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-70453 от 20.07.2017
Лицензия ИД № 06517 от 09.01.02

Редакция: начальник РИЦ В.Л.Лебедев, редакторы Е.С.Дрибинская, М.Г.Хачирова, В.Е.Филиппова, Л.В.Набиева, М.В.Скворцова

Компьютерная верстка Н.Н.Седых, В.И.Каширина

Издается с 1907 года

ISSN 2411-3336

е-ISSN 2541-9404

Адрес учредителя и редакции: 21-я линия, 2, Санкт-Петербург, Россия, 199106
Тел. +7 (812) 328-8416;        факс +7 (812) 327-7359; 
Е-mail: pmi@spmi.ru
Сайт журнала: pmi.spmi.ru

 Санкт-Петербургский горный университет, 2023
Подписано к печати 19.07.2023. Формат 60  84/8. Уч.-изд.л. 40.
Тираж 300 экз. Заказ 554. Отпечатано в РИЦ СПГУ.
Цена свободная.

Ответственные научные редакторы тома: д-р техн. наук Я.Э.Шклярский, канд. техн. наук. А.Н.Скамьин (Санкт-Петербургский горный университет),

д-р техн. наук М.Хименес Карризоса (Мадридский политехнический университет)

Записки Горного института. 2023. Т. 261
Содержание

322

СОДЕРЖАНИЕ

Шклярский Я.Э., Скамьин А.Н., Хименес Карризоса М. Слово редактора. Энергоэффектив-

ность в минерально-сырьевом комплексе.....................................................................................................
323

Энергоэффективность электропривода в МСК

Ганзуленко О.Ю., Петкова А.П. Энергоэффективность линейного реечного привода штан-

говых глубинных насосов.............................................................................................................................
325

Ершов М.С., Комков А.Н., Феоктистов Е.А. Комплексная модель регулируемого электро-

привода ротора буровой установки.............................................................................................................
339

Шишлянников Д.И., Зверев В.Ю., Звонарева А.Г., Фролов С.А., Иванченко А.А. Оценка 

энергоэффективности функционирования и увеличение наработки гидравлических приводов 
установок штанговых скважинных насосов в осложненных условиях эксплуатации.......................
349

Назарычев А.Н., Дяченок Г.В., Сычев Ю.А. Исследование надежности тягового электро-

привода карьерных самосвалов на основе анализа отказов его функциональных узлов ..................
363

Рахутин М.Г., Занг Куок Кхань, Кривенко А.Е., Чан Ван Хиеп. Оценка влияния темпера-

туры рабочей жидкости на потери мощности карьерного гидравлического экскаватора ...............
374

Энергоэффективность промышленных установок и предприятий в МСК

Бажин В.Ю., Устинова Я.В., Федоров С.Н., Шалаби М.Э.Х. Повышение энергетической 

эффективности руднотермических печей при плавке алюмокремниевого сырья ..............................
384

Клюев Р.В., Моргоева А.Д., Гаврина О.А., Босиков И.И., Моргоев И.Д. Прогнозирование 

планового потребления электроэнергии для объединенной энергосистемы с помощью машинного 
обучения ..........................................................................................................................................
392

Николаев А.В., Фёт Ш., Кычкин А.В. Использование кибернетического подхода к ценоза-

висимому управлению спросом на потребляемую подземным горно-добывающим предприятием 
электроэнергию........................................................................................................................................
403

Юшкова Е.А., Лебедев В.А. Повышение энергоэффективности вакуумной установки пере-

гонки мазута с помощью пинч-анализа......................................................................................................
415

Качество электроэнергии и возобновляемые источники в МСК

Завьялов В.М., Семыкина И.Ю., Дубков Е.А., Велиляев А.С. Система беспроводного заряда 

аккумуляторов для рудничного электровоза.............................................................................................
428

Скамьин А.Н., Добуш В.С., Жопри М.Х. Определение сопротивления электрической сети 

при расчете режимов с искажениями в напряжении................................................................................
443

Непша Ф.С., Варнавский К.А., Воронин В.А., Заславский И.С., Ливен А.С. Перспективы 

применения генерации на возобновляемых источниках энергии на угледобывающих предприятиях...................................................................................................................................................................

455

Автономные системы энергоснабжения в МСК

Червонченко С.С., Фролов В.Я. Повышение энергоэффективности автономной системы 

электроснабжения буровой установки при провалах напряжения........................................................
470

Шпенст В.А., Бельский А.А., Орел Е.А. Повышение энергоэффективности автономного 

электротехнического комплекса с возобновляемыми источниками энергии на основании адаптивной 
регулировки режимов работы ........................................................................................................
479

Записки Горного института. 2023. Т. 261

© Я.Э.Шклярский, А.Н.Скамьин, М.Хименес Карризоса, 2023

323

Слово редактора

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ В МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОМ КОМПЛЕКСЕ

Энергоэффективность и энергосбережение во все времена и особенно на современном этапе 

развития промышленности и экономики играли чрезвычайно важную роль. Независимо от того, 
какие страны и по каким критериям строят планы развития энергетики, энергоэффективность 
и энергосбережение всегда находятся в приоритете. В полной мере это относится и к минеральносырьевому 
комплексу, в котором потребление энергии в целом составляет большую долю от 
общего потребления. Добываемые в минерально-сырьевом комплексе ресурсы сами являются 
источником энергии. Энергетика развивается разнопланово. Множество научных работ, результаты 
которых отражены в публикациях, подтверждают актуальность исследований в области 
энергоэффективности. Но подход к отдельным решениям в минерально-сырьевой отрасли носит
специфический характер и достоин отдельного рассмотрения. В последнее время большое внимание 
уделяется «зеленой энергетике» и возобновляемым источникам энергии. Однако энергоэффективность 
в области традиционной генерации и потребления остается проблемой актуальной и решение 
ее находится в постоянном развитии. Одним из основных направлений повышения энергоэффективности 
является разработка автономных систем электро- и теплоэнергетики. Все эти 
проблемы отражены в специальном томе Записок Горного института, статьи разделены на четыре 
раздела: энергоэффективность электропривода в МСК; энергоэффективность промышленных 
установок и предприятий в МСК; качество электроэнергии и возобновляемые источники 
в МСК; автономные системы электроснабжения в МСК. Представленные статьи содержат ценный 
материал с точки зрения науки и практики и могут лечь в основу дальнейших исследований в области 
энергоэффективности.

Решению вопросов по энергоэффективности электропривода посвящен ряд статей. В статье 

О.Ю.Ганзуленко и А.П.Петковой (EDN HIGAOE) приведены результаты применения линейного реечного 
привода в составе привода штанговых глубинных насосов разработанной авторами конструкции, 
что позволяет уменьшить энергозатраты при добыче нефти в виде существенного увеличения 
КПД до 10 %. Cтатья М.С.Ершова, А.Н.Комкова и Е.А.Феоктистова (EDN YEEWZJ) посвящена созданию 
оригинальной математической модели системы асинхронный электропривод – колонка бурильных 
труб – долото – горная порода. Ценность исследований заключается в создании корректной 
модели, которая позволяет рассчитать энергоэффективность различных режимов бурения при 
существующем составе электротехнического комплекса. Статья Д.И.Шишлянникова, А.Г.Звонаре-
вой и др. (EDN XLRCWN) посвящена необходимости совершенствования привода штанговых скважинных 
насосов, эксплуатирующихся в условиях малодебитных и осложненных скважин в нефтедобыче. 
Предложены решения по повышению энергоэффективности гидравлических приводов 
штанговых скважинных насосов. Одним из важнейших факторов эффективной работы горно-обогатительного 
комбината является надежная работа карьерных самосвалов. В статье А.Н.Назары-
чева, Г.В.Дяченок и Ю.А.Сычева (EDN HCLPJB) определены основные механические внешние воздействия, 
определяющие степень возможных дефектов в электроприводе самосвала. Авторами 
предложены практические рекомендации по увеличению надежности работы отдельных узлов 
электропривода, что связано с энергоэффективностью в системе затрат на добычу и транспортировку 
полезного ископаемого. В статье М.Г.Рахутина и др. (EDN OKWKUF) исследуется влияние 
температуры рабочей жидкости на потери карьерного гидравлического экскаватора на примере 
экскаватора Komatsu PC750-7. На основе применения критерия оценки потерь мощности предлагается 
обоснованно выбирать тип рабочей жидкости и режимы работы гидросистемы. 

Тема энергоэффективности установок и предприятий представлена несколькими статьями. 

Статья В.Ю.Бажина и др. (EDN RTQXSE) посвящена результатам теоретического и экспериментального 
исследований процесса плавки алюмосиликатного сырья. Исследования направлены на создание 
алгоритма управления технологическим процессом. Статья Р.В.Клюева и др. (EDN FJGZTV) 

Записки Горного института. 2023. Т. 261
© Я.Э.Шклярский, А.Н.Скамьин, М.Хименес Карризоса, 2023

324

рассматривает прогнозирование планового потребления электроэнергии на любом этапе электроснабжения. 
В статье представлен новый подход к теме прогнозирования нагрузки, в частности на 
предприятиях МСК, предложено применение ансамблевых методов обучения, а также модели 
рекуррентной нейронной сети. В статье А.В.Николаева, Ш.Фёта и А.В.Кычкина (EDN CJGQKP) приведена 
кибернетическая модель управления спросом на электроэнергию на примере главной вентиляторной 
установки. Модель реализуется на платформе Интернета вещей и позволяет заблаговременно 
определять затраты на электроэнергию, вызванные работой главной вентиляторной 
установки. Статья Е.А.Юшковой и В.А.Лебедева (EDN LXDVDP) представляет оригинальное решение 
проблемы энергоэффективности вакуумной установки перегонки мазута с помощью пинч-анализа. 
В работе определена оптимальная потоковая теплоемкость установки, при которой обеспечивается 
увеличение ее КПД.

В разделе, посвященном улучшению качества электроэнергии и развитию применения возоб-

новляемых источников и аккумулирующих устройств, статья В.М.Завьялова и др. (EDN JSNTAQ) 
представляет оригинальное решение вопроса заряда аккумуляторных установок рудничного электровоза 
и имеет практический интерес. Статья А.Н.Скамьина и др. (EDN LPAYJO) посвящена нерешенной 
проблеме определения питающей сети не расчетным, а опытным путем, материал статьи 
является большим шагом к достижению поставленной цели. В статье Ф.С.Непши и др. 
(EDN LNSCEY) предложен оригинальный подход к решению проблемы применения возобновляемых 
источников энергии в горно-добывающей промышленности. 

Особо следует выделить раздел, посвященный автономным системам энергоснабжения, при 

внедрении которых возникают нерешенные задачи. Статья С.С.Червонченко и В.Я.Фролова
(EDN MGAPVA) посвящена решению актуальной задачи по обеспечению надежности электропитания 
удаленных потребителей. При аварийных режимах предлагается применение аккумуляторных 
батарей. В статье В.А.Шпенста и др. (EDN SNUKNA) предложен алгоритм работы автономного электротехнического 
комплекса с адаптивным регулированием с учетом режима потребления электроэнергии 
и аварийных ситуаций.

Ответственные научные редакторы тома: д-р техн. наук Я.Э.Шклярский, 

канд. техн. наук А.Н.Скамьин, д-р техн. наук М.Хименес Карризоса

Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338

© О.Ю.Ганзуленко, А.П.Петкова, 2023

EDN HIGAOE
DOI: 10.00000/PMI.2023.0

325

Статья опубликована в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0

Научная статья

Энергоэффективность линейного реечного привода 

штанговых глубинных насосов

О.Ю.ГАНЗУЛЕНКО, А.П.ПЕТКОВА
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

Как цитировать эту статью: Ганзуленко О.Ю., Петкова А.П. Энергоэффективность линейного реечного 
привода штанговых глубинных насосов // Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338. EDN HIGAOE
DOI: 10.00000/PMI.2023.0

Аннотация. В настоящее время для повышения объемов нефтедобычи и снижения экономических издержек 
при разработке низкодебитных месторождений актуальна разработка кустовым способом с использованием 
компактных мобильных приводов штанговых глубинных насосов (ШГН). Целью работы является анализ путей 
повышения энергоэффективности ШГН за счет снижения потерь механической и электрической энергии, выбор 
наиболее энергоэффективного компактного привода для разработки низкодебитных месторождений 
кустовым способом, кинематические и прочностные расчеты привода выбранного типоразмера, разработка 
адаптивной системы управления группой приводов при кустовой разработке скважин. По результатам выполненных 
расчетов наибольшим КПД механизма привода обладает линейный реечный привод. Приведены кинематические 
и прочностные расчеты линейного реечного привода с длиной хода 1120 мм и нагрузкой до 8 т. 
Показано, что применение систем прямого управления моментом и накопления кинетической энергии элементов 
привода ШГН и колонны штоков является эффективным средством снижения энергозатрат при добыче 
нефти из низкодебитных месторождений. Применение разработанной системы запаса и перераспределения потенциальной 
энергии штоков между ШГН, осуществляющими подъем нефти, позволило устранить колебания 
потребляемой мощности, снизить ее пиковое значение в три раза, пиковое значение потребляемого из сети тока 
в два раза, уменьшить потери во входном преобразователе и кабелях в три раза.

Ключевые слова: энергоэффективность; низкодебитные месторождения; балансирный станок-качалка; цепной 
вертикальный привод; гидравлический привод; линейный реечный привод; КПД

Поступила: 15.03.2023
Принята: 20.06.2023
Онлайн: 19.07.2023           Опубликована: 19.07.2023

Введение. На протяжении долгого времени нефтегазовая отрасль оставалась одним из прио-

ритетнейших направлений в экономическом и промышленном секторе России [1-3]. Для поддержания 
стабильного роста добычи углеводородных ресурсов необходимо как освоение новых месторождений, 
так и создание новых и совершенствование уже существующих технологий извлечения 
нефти. Однако с каждым годом поддерживать такой рост труднее, старые месторождения 
истощаются и требуют все более сложное и дорогостоящее оборудование для поддержания процесса 
добычи, а открытие новых месторождений с легкоизвлекаемыми запасами сокращается [4-6]. 
Поэтому большое внимание привлекают месторождения с трудноизвлекаемыми запасами (ТРИЗ). 
Согласно актуальным данным доля ТРИЗ в общем запасе нефти на май 2022 г. превысила 66 % [7], 
что говорит об их высокой значимости в энергетическом балансе страны. ТРИЗ можно разделить 
на следующие группы: высоковязкие нефти [8-10]; малопроницаемые и низкопористые коллектора [
4, 11, 12]; истощенные месторождения [5, 13, 14]; отдаленно расположенные месторождения 
[3, 15, 16]; низкопродуктивные пласты [17-19]. Последние пользуются большой популярностью 
в России в связи с наличием больших запасов нефти и более удобным географическим расположением [
20].

Для повышения объемов нефтедобычи и снижения экономических издержек разработка 

месторождений осуществляется кустовым способом [21-23]. Кустовая разработка не является 
решением проблемы вследствие применения штанговых глубинных насосов (ШГН), в которых 

ЗАПИСКИ ГОРНОГО ИНСТИТУТА

Journal of Mining Institute

Сайт журнала: pmi.spmi.ru

ISSN 2411-3336; е-ISSN 2541-9404

Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338
© О.Ю.Ганзуленко, А.П.Петкова, 2023

EDN HIGAOE

DOI: 10.00000/PMI.2023.0

326

Статья опубликована в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0

в качестве приводов используют балансирные и безбалансирные станки-качалки (С-К), малопригодные 
в разработке низкодебитных месторождений [24]. Рассмотрим и проанализируем методы 
повышения энергоэффективности разработок низкодебитных месторождений.

Применяемые в настоящее время в нефтедобыче механические приводы ШГН подразделя-

ются на балансирные и безбалансирные. В балансирных приводах (С-К) возвратно-поступательное 
перемещение точки подвеса штанг осуществляется качающегося рычага – балансира, соединенного 
кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) с валом трансмиссии [25]. В безбалансирных 
приводах возвратно-поступательное перемещение точки подвеса штанг осуществляется механизмами 
с использованием гибких элементов (цепей или канатов) [26]. Также известны гидравлические 
и линейные безредукторные приводы ШГН, приводы на основе линейных двигателей, линейные 
приводы на основе систем зубчатое колесо – рейка и ходовой винт – гайка [27, 28]. Очевидно, 
что КПД механизма зависит от уровня потерь в элементах конструкции привода и его кинематической 
схемы [26, 29, 30]. 

Штанговый глубинный насос получает механическую энергию от колонны штанг, соверша-

ющей возвратно-поступательное движение, которое сообщает ей привод насосной установки. Он 
преобразует электрическую энергию, подводимую к электродвигателю привода, в механическую. 
Таким образом, энергоэффективность работы ШГН напрямую зависит от величины потерь электрической 
и механической энергии в различных элементах конструкции привода. К основным следует 
отнести потери в механизме привода ШГН и электрические потери в двигателе привода 
и пуско-регулирующем оборудовании. 

Потребляемая приводом электроэнергия существенно зависит от колебаний мощности в цикле 

работы электродвигателя привода. Так, при работе С-К возникают существенные колебания потребляемой 
мощности, меняющейся в семь раз за один цикл работы насоса. Для используемых 
в качестве приводного двигателя асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором скачки 
мощности приводят не только к значительным перепадам напряжения в энергосистеме, но и к температурным 
и механическим перегрузкам двигателя. 

Применение реверсивных реечного линейного и цепного приводов приводит к дополнитель-

ным потерям в двигателе и в пускорегулирующем оборудовании при его пуске. Для снижения этих 
потерь в системе управления электродвигателем привода необходимо использовать преобразователи 
частоты и энергоэффективные алгоритмы управления. Кроме частотного управления двигателем, 
при совместной работе нескольких приводов насосов при кустовой разработке скважин 
можно использовать кинетическую энергию движущегося вниз штока при подъеме нефти [27]. 
Таким образом, энергоэффективность привода ШГН определяется потерями механической и электрической 
энергии в процессе эксплуатации. 

Целью работы является анализ путей повышения энергоэффективности штанговых глубин-

ных насосов за счет снижения потерь механической и электрической энергии, выбор наиболее 
энергоэффективного компактного привода для разработки низкодебитных месторождений кустовым 
способом, кинематические и прочностные расчеты привода выбранного типоразмера, разработка 
адаптивной системы управления группой приводов при кустовой разработке скважин. 

Методы и материалы. Методология работы включает следующие этапы:
• выбор компактного привода для низкодебитных месторождений с наибольшим КПД меха-

низма привода;

• кинематические расчеты привода выбранного типоразмера, позволяющие определить пара-

метры зубчатой передачи и предельно допустимые нагрузки и ограничения в скорости перемещения 
рейки (числе двойных ходов) для выбранного мотор-редуктора;

• прочностные расчеты на изгиб зубьев вал-шестерни, позволяющие выбрать материал и спо-

соб термической обработки вал-шестерни и зубчатой рейки и поверхностного упрочнения зубьев, 
вылерживающие нагрузку на шток до 80 кН;

• определение последовательности изготовления деталей и сборки привода, позволяющей из-

готовить разработанный привод с нагрузкой на шток до 80 кН; 

• разработка адаптивной системы управления (САУ) группой приводов на кусте скважин 

с системой рекуперации энергии движущегося вниз штока, позволяющей снизить энергопотребление 
приводов регулированием числа двойных ходов и хода штока. 

Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338

© О.Ю.Ганзуленко, А.П.Петкова, 2023

EDN HIGAOE
DOI: 10.00000/PMI.2023.0

327

Статья опубликована в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0

Оценка потерь механической энергии в приводах различной конструкции выполняется при 

помощи расчета их КПД. 

Расчет КПД механизма приводов ШГН. Выполнено сравнение приводов ШГН: на основе ба-

лансирного станка-качалки, цепного вертикального привода конструкции РНТЦ ВНИИнефть [25], 
разработанного в рамках настоящей работы линейного привода на основе системы рейка – зубчатое 
колесо, привода на основе системы винт – гайка, а также гидравлического привода. 

Для сопоставительного анализа КПД механической части приводов используем известные 

данные. Для расчета КПД механизма привода в качестве входной мощности будем рассматривать 
механическую мощность приводного двигателя, а в качестве выходной – механическую мощность, 
передаваемую полированному штоку. КПД привода равен произведению КПД его составляющих.

Кинематическая схема станка-качалки приведена на рис.1, а [30]. В его состав входят: головка 

балансира (1); балансир, расположенный на паре подшипников скольжения (2); шатун-кривошип (
3); опора шатуна-кривошипа (4); клиноременная передача (5, 6); трехступенчатый редуктор (
7), состоящий из трех пар цилиндрических зубчатых колес на подшипниках качения (8, 10, 11);
кривошипно-шатунный механизм (9), состоящий из пар скольжения шатун-балансир. 

КПД станка-качалки оценим по формуле



ПС
КШМ
ЦЗП
ПК
КРП
ММ
СК
η
η
η
η
η
η
η

k

,

Рис.1. Кинематическая схема балансирного станка-качалки (а), привода с подвижной кареткой (б), 

разработанного линейного реечного привода ШГН (в), привода с ходовым винтом без реверсирования 

приводного двигателя (г)

1
2
3

4
5
6

7
8
9
10
11

а
6

5

4

3
2

1

Р

М

9000 кг

в

г

3
4
5
6

7

1

2
8

9
7

5

1 2      3  4

б

6

10

11
12

Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338
© О.Ю.Ганзуленко, А.П.Петкова, 2023

EDN HIGAOE

DOI: 10.00000/PMI.2023.0

328

Статья опубликована в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0

где ηММ – КПД механической муфты, ηММ = 0,98; ηКРП – КПД клиноременной передачи, ηКРП = 0,96;
ηПК – КПД подшипников качения, ηПК = 0,992; ηЦЗП – КПД цилиндрической зубчатой передачи, 
ηЦЗП = 0,97; k – число ступеней редуктора, k = 3; ηКШМ – КПД кривошипно-шатунного механизма,
ηКШМ = 0,98; ηПС – КПД подшипников скольжения, ηПС = 0,985*.1После подстановки приведенных 
средних значений получим:




3

CK
η
0,98 0,96
0,992 0,97
0,98 0,99
0,81,








что хорошо согласуется с данными 0,80-0,85*.

Кинематическая схема цепного привода ШГН конструкции [25] представлена на рис.1, б: 

1 – рама; 2 – электродвигатель; 3 – редуктор; 4 – ведущий шкив; 5 – непрерывное гибкое звено 
(цепь); 6 – узел крепления; 7 – направляющий элемент; 8 – разомкнутое гибкое звено (цепь или 
тросы); 9 – колонна штанг; 10 – стойка; 11 – противовес; 12 – каретка. Привод включает в себя 
механическую муфту, одноступенчатый редуктор, цепную передачу, пару трения направляющий 
элемент – каретка, два подшипника качения, являющихся опорой ведущего шкива.

Формула для расчета КПД цепного привода имеет вид [25]:



ЦC
MM
ПК
ЦЗП
ЦП
ПС
ПК
η
 = η
η
η
η
η
η

k

,

где ηММ – КПД механической муфты, ηММ = 0,98; ηПК – КПД подшипников качения, ηПК = 0,992;
ηЦЗП – КПД цилиндрической зубчатой передачи, ηЦЗП = 0,97; ηЦП – КПД цепной передачи открытого 
исполнения, ηЦП = 0,92; ηПС – КПД подшипников скольжения, ηПС = 0,985.

После подстановки значений получим: 



1

ЦC
η
0,98 0,97 0,992
0,92 0,985 0,992
0,848







.

Кинематическая схема разработанного линейного реечного привода представлена на 

рис.1, в [31]. Привод содержит конический редуктор KAZ-97 фирмы SEW EURODRIVE, систему 
рейка – зубчатое колесо, опирающуюся на подшипник качения, подшипник редуктора (1 – основание-
опора; 2 – демпфер; 3 – корпус; 4 – рейка; 5 – механизм с редуктором и электродвигателем;
6 – крышка-направляющая). 

Формула для расчета КПД линейного реечного привода имеет вид [30]:

ЛРП
KР
ПК
ЦЗП
η
 = η η
η
,

где ηКР – КПД конического редуктора, ηКР = 0,965; ηПК – КПД подшипников качения, ηПК = 0,992;
ηЦЗП – КПД цилиндрической зубчатой передачи, ηЦЗП = 0,97 [25]. 

После подстановки значений получим: 

ЛРП
η
0,965 0,97 0,992
0,93




.

Конструкция привода на основе системы ходовой винт – гайка без реверсирования привод-

ного двигателя представлена на рис.1, г [27]: 1 – штанга; 2 – подшипник; 3 – мотор-редуктор; 4 –
ведомый вал; 5 – ходовой винт; 6 – гайка; 7 – опора.

Формула для расчета КПД передачи ходовой винт – гайка имеет вид [32]:

ХВГ
ПР
ПК
ВГ
η
 = η η
η ,

где ηПР – КПД планетарного редуктора, ηПР = 0,96; ηПК – КПД подшипников качения, ηПК = 0,992;
ηВГ – КПД ролико-винтовой передачи, ηВГ = 0,89 [33].

После подстановки значений получим: 

ХВГ
η
= 0,96 0,89 0,992
0,85



.

*1Детали машин. URL: http://www.detalmach.ru/lect22.htm?ysclid=ley83k1mnn254975055 (дата обращения 22.05.2023).

Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338

© О.Ю.Ганзуленко, А.П.Петкова, 2023

EDN HIGAOE
DOI: 10.00000/PMI.2023.0

329

Статья опубликована в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0

КПД гидравлического привода ШГН зависит от применяемой гидравлической схемы и от

уровня утечек. Ввиду сложности применяемых методик для сравнительной оценки используем известные 
значения ηГП = 0,91-0,75 в зависимости от уровня утечек [34].

На основе проведенных расчетов выбираем линейный реечный привод, имеющий наиболь-

ший КПД среди аналогов.

Далее для выбранного типоразмера линейного реечного привода с длиной хода 1120 мм 

и нагрузкой до 80 кН выполнен кинематический расчет, позволяющий определить параметры зубчатой 
передачи и предельно допустимые нагрузки и ограничения в скорости перемещения рейки 
(числе двойных ходов) для выбранного мотор-редуктора.

Кинематический расчет привода. Для расчетов используются максимальная длина хода рейки 

(L0 = 1120 мм), максимальная скорость движения рейки и нагрузки, действующие на шток (F = 60 
и 80 кН). Кинематический расчет позволяет определить линейную скорость перемещения рейки, 
число двойных ходов в минуту, выбрать диаметр ведущей шестерни, передаточное отношение передачи 
зубчатое колесо – рейка, произвести подбор мотор-редуктора.

Окружная скорость вращения шестерни равна линейной скорости перемещения рейки [33]:

ш
0

π
1000

Dn
V
V


,       
(1)

где D – диаметр шестерни, мм; n – частота вращения шестерни, мин–1.

Выбираем модуль зуба зубчатого колеса шестерни m = 8 мм. С целью уменьшения крутящего 

момента число зубьев берется минимально возможным Z = 14. 

Диаметр шестерни рассчитывается по формуле [33]

8 14
112
D
mZ

 

.
(2)

Частота вращения шестерни определяется из формулы (1):

0 1000

π

V
n
D



.
(3)

Согласно имеющимся для ШГН экспериментальным данным, скорость перемещения штока 

составляет от 0,25 до 0,5 м/с или от 15 до 30 м/мин.

Линейная скорость перемещения штока (рейки) определяется по формуле [33]

0
дх

0

2
1000
L n
V 
,                                                                    (4)

где L0 – длина хода рейки; nдх – число двойных ходов в минуту,

0

дх

0

1000.
2

V
n
L


(5)

Для скоростей перемещения рейки в диапазоне 0,25-0,5 м/с определим число двойных ходов 

в минуту (табл.1).

Таблица 1

Расчетные параметры привода с длиной хода L0 = 1120 мм

V0

n, мин–1
nдх, мин
F, кH
P1, кВт

м/с
м/мин

0,25
15
42,7
6,7
60
15

80
20

0,3
18
51,2
8
60
18

80
24

0,5
30
85,4
13,4
60
30

80
40

Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 325-338
© О.Ю.Ганзуленко, А.П.Петкова, 2023

EDN HIGAOE

DOI: 10.00000/PMI.2023.0

330

Статья опубликована в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0

Определяем мощность двигателя привода по формуле [33]

0

1
1000
V F
P 
, 
(6)

где F – действующая на шток сила, Н; V0 – скорость перемещения штока (рейки), м/с.

Для скоростей перемещения рейки из диапазона 0,25-0,5 м/с и нагрузки на шток F = 60-80 кН 

необходимая мощность двигателя привода представлена в табл.1. Значения мощности двигателя 
при V0 = 0,3 м/с и нагрузке F = 60 и 80 кН составляют 18 и 24 кВт соответственно.

Определяем крутящий момент мотор-редуктора по формуле [33]

2
DF
M 
.
(7)

При нагрузке 60 кН определяем крутящий момент М = 3360 Н/м.
Частота вращения шестерни n, равная частоте вращения выходного вала n2, рассчитывается 

по формуле [33]

i
n
n
1

2 
,
(8)

где n1 – частота вращения электродвигателя; i – передаточное число редуктора.

Тогда для V0 = 0,3 м/с и F = 60-80 кН при частоте вращения электродвигателя n1 = 1480 мин–1

передаточное число редуктора i = 28,9, что должно быть учтено при выборе мотор-редуктора.

Для данного типоразмера привода L0 = 1120 мм, F = 60-80 кН подобран мотор-редуктор 

SEWEURODRIVE KAZ-97 с n1 = 1480 мин–1, P1 = 22 кВт, i = 18,96, n2 = 78 мин–1. Для этого редуктора 
допускаемая радиальная нагрузка составляет 19,4 кН. Эксплуатационный коэффициент (сервис-
фактор) Sf = 1,35. Номинальный крутящий момент на выходе Mn2 = 3210 Н/м. Максимальный 
крутящий момент на выходе Mn2max = 4300 Н/м. Размерные характеристики редуктора – полый вал 
с d = 70 мм со шпонкой. 

Таким образом, использование двигателя мощностью 22 кВт возможно при ограничениях ско-

рости рейки в пределах 0,25-0,3 м/мин и максимальной допустимой нагрузке 73,3 кН. Скорость 
0,5 м/с при заданных нагрузках 60-80 кН возможна при использовании мотор-редуктора мощностью 
от 30 кВт. При скорости 0,3 м/с и нагрузке 80 кН минимальная мощность составляет 24 кВт, 
момент равен 4480 Н/м. Указанные параметры мотор-редуктора не позволяют работать при такой 
нагрузке. 

Затем выполняются расчеты на прочность при изгибе зубьев вал-шестерни, по результатам 

которых выбираются материал и способ термической обработки и поверхностного упрочнения 
зубьев. 

Расчет элементов привода на прочность. Расчет зубьев шестерни на прочность при изгибе 

производится по формуле

σ
F
F

F

w

Pk y
b m

, 
(9)

где P – окружное усилие, Н; kF – коэффициент распределения нагрузки; yF – коэффициент формы 
зуба, зависящий от числа зубьев, при Z = 14 yF  3,9; bw – ширина зубчатого венца, bw = 139,5 мм; 
m – модуль зуба зубчатого колеса, m = 8 мм.

Коэффициент распределения нагрузки рассчитывается по формуле [33]

β
F
F
F
k
k k 

,
(10)

где kF – коэффициент неравномерности распределения нагрузки по длине зуба, при практически 
симметричном расположении опор и отношении ширины bw к диаметру D (ψbd = 140/112 = 1,2)
kF = 1,14 (табл.2); kFv – коэффициент динамической нагрузки, при 7-й степени точности и окружной 
скорости до 3 м/с kFv = 1,15 (табл.3);
1,14 1,15
1,31.
F
k 

