正扭矩節(jié)能抽油機(jī)動(dòng)力特性模型及仿真優(yōu)化

梁宏寶，孟慶偉，孫旭東

（東北石油大學(xué)a.節(jié)能中心；b.機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ＊

正扭矩節(jié)能抽油機(jī)動(dòng)力特性模型及仿真優(yōu)化

梁宏寶a，孟慶偉b，孫旭東b

（東北石油大學(xué)a.節(jié)能中心；b.機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）＊

在保留常規(guī)游梁抽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完全消除抽油機(jī)減速器軸負(fù)扭矩，設(shè)計(jì)了新型正扭矩節(jié)能抽油機(jī)。介紹了正扭矩抽油機(jī)的節(jié)能原理，即采用二次平衡系統(tǒng)對(duì)扭矩曲線進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)凈扭矩為正值；應(yīng)用CAD與ADAMS軟件建立新型抽油機(jī)模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從理論上證明該新型節(jié)能抽油機(jī)可以完全消除負(fù)扭矩，提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。

節(jié)能抽油機(jī)；負(fù)扭矩；二次平衡；動(dòng)力學(xué)分析；仿真

現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)存在剛性結(jié)構(gòu)體積大、鋼鐵用量大、能量傳遞環(huán)節(jié)多、能耗大、效率低、油氣滲漏污染環(huán)境等問題。我國抽油井有20多萬口，年耗電約160億kW·h，鋼鐵和水泥用量共約2×106t。因此，解決抽油系統(tǒng)節(jié)能減排增效是緩解國內(nèi)能源安全緊張局勢(shì)的要求。

1 常規(guī)抽油機(jī)存在的基本問題

1.1 負(fù)扭矩［1］

游梁式抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷為周期性交變載荷，懸點(diǎn)載荷在減速器曲柄軸上的扭矩曲線與曲柄平衡重產(chǎn)生的扭矩曲線的疊加曲線，即曲柄軸上的凈扭矩曲線波動(dòng)很大，且出現(xiàn)負(fù)值，如圖1。

圖1 常規(guī)游梁機(jī)凈扭矩曲線

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩處于峰值位置及負(fù)扭矩區(qū)域時(shí)，抽油機(jī)配套電機(jī)的有功功率絕對(duì)值均比較大，說明電機(jī)在負(fù)扭矩狀態(tài)下發(fā)電且耗能較大，在峰值狀態(tài)能耗也很嚴(yán)重。常規(guī)游梁機(jī)帶有周期性交變載荷，而普通的三相異步電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩基本上恒定不變。為滿足峰值扭矩的要求，抽油機(jī)需要配用較大功率的電動(dòng)機(jī)，造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和工作效率降低，特別是負(fù)扭矩瞬間，電機(jī)發(fā)電效率更低。如圖2～3所示，當(dāng)電機(jī)輸出功率較小或?yàn)樨?fù)值時(shí)，電機(jī)負(fù)載利用率就處于低效區(qū)和無效區(qū)，電機(jī)效率較低，使抽油機(jī)系統(tǒng)效率低下。

圖2 游梁式抽油機(jī)電機(jī)有功功率實(shí)測(cè)曲線

圖3 實(shí)測(cè)游梁式抽油機(jī)減速器轉(zhuǎn)矩曲線

1.2 平衡重的效果差

游梁式抽油機(jī)在1個(gè)工作周期中，其負(fù)載在上沖程和下沖程是不平衡的，雖然在游梁式抽油機(jī)中采用平衡重來改善這種不平衡狀態(tài)，但由于油井的井下工況不同，且不斷變化，致使利用平衡重的方法來節(jié)能的效果不理想，而且平衡重的機(jī)械調(diào)整受到諸多現(xiàn)場(chǎng)條件的限制［2－3］。抽油機(jī)在下沖程的大部分時(shí)段，電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，從而使電機(jī)效率處于低效區(qū)或無效區(qū)，如圖4所示。同時(shí)，這種狀況的存在也加速了抽油機(jī)曲柄銷、減速機(jī)齒輪等抽油機(jī)設(shè)備的損壞，降低了抽油機(jī)的實(shí)際使用壽命。

圖4 伺服電機(jī)與常規(guī)電機(jī)效率曲線對(duì)比

2 新型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)原理

針對(duì)常規(guī)機(jī)存在基本問題，在盡可能保存原有常規(guī)游梁機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)能抽油機(jī)，如圖5所示。該新型抽油機(jī)由驢頭、游梁、底座、電機(jī)、減速系統(tǒng)、游梁平衡系統(tǒng)及二次平衡系統(tǒng)等組成。該抽油機(jī)平衡裝置包括一次平衡的游梁平衡和二次平衡系統(tǒng)組成，二次平衡裝置在連桿中間通過1個(gè)2︰1變速器加載1個(gè)二次平衡小曲柄，并通過變速器與大曲柄相連。二次平衡重通過變速帶以2倍于一次平衡重的速度做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二次平衡裝置在游梁平衡的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)扭矩曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)，完全消除負(fù)扭矩，并進(jìn)一步降低峰值扭矩。提高了該型抽油機(jī)的平衡度，又改善了曲柄銷的工作狀況，達(dá)到了節(jié)能的目的。

圖5 新型節(jié)能抽油機(jī)原理

3 節(jié)能原理

常規(guī)游梁式抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩等于懸點(diǎn)載荷扭矩Mx和曲柄平衡重扭矩M1的矢量和，即

但懸點(diǎn)載荷扭矩和曲柄平衡重扭矩疊加后凈扭矩存在負(fù)值。為了消除負(fù)扭矩，在一次平衡的基礎(chǔ)上加載1個(gè)二次平衡裝置，得到二次平衡扭矩與原有凈扭矩曲線疊加。改造后抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩為懸點(diǎn)載荷扭矩和曲柄平衡重扭矩及二次平衡扭矩M2的矢量和，即

通過在連桿加載二次平衡裝置，使游梁平衡重產(chǎn)生的扭矩隨著游梁擺角的變化而變化。當(dāng)游梁平衡重的重心與游梁中心軸連線成水平位置時(shí)，其平衡力臂最大，產(chǎn)生的扭矩也最大，正好可平衡抽油機(jī)懸點(diǎn)的最大載荷產(chǎn)生的最大扭矩；此時(shí)游梁平衡重產(chǎn)生的扭矩曲線峰值與懸點(diǎn)載荷產(chǎn)生的扭矩曲線峰值基本同步，且方向相反，兩者疊加后，使減速箱輸出軸扭矩變小或變化幅度減緩，降低了電機(jī)的輸出功率，提高了電機(jī)的利用率，達(dá)到節(jié)能降耗效果。

二次平衡重進(jìn)一步調(diào)節(jié)減速箱輸出軸扭矩，完全消除負(fù)扭矩，降低抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩峰值，使扭矩曲線盡可能平滑，實(shí)現(xiàn)恒功率，在大曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的半周內(nèi)有效地平衡輸出功率的最大值，降低了電機(jī)的輸出功率，減小了載荷對(duì)減速器、電機(jī)的沖擊，使電機(jī)恒做正功，提高了整個(gè)抽油機(jī)的系統(tǒng)效率，高效節(jié)能。

4 抽油機(jī)動(dòng)力模型

研究抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷和運(yùn)動(dòng)規(guī)律是研究抽油機(jī)技術(shù)和總體評(píng)價(jià)抽油機(jī)性能的核心［4］。如圖5所示，曲柄半徑為r，D點(diǎn)到游梁平衡重重心距離為K。

游梁的角速度為ω3，懸點(diǎn)速度v＝ω3sinθ1，游梁的角加速度ε3為

由于大曲柄與小曲柄通過1︰2變速器連接，因此小曲柄轉(zhuǎn)速是大曲柄軸的2倍，即

式中，ω7為小曲柄軸角速度；ω為大曲柄軸角速度。

則懸點(diǎn)加速度α為

游梁轉(zhuǎn)角θ3為

根據(jù)上述，可作出懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線，對(duì)于固定型號(hào)的正扭矩抽油機(jī)，只要給出曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度或沖次就可以得出懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性。

5 動(dòng)力特性計(jì)算

5.1 減速器扭矩

取游梁為研究對(duì)象，將諸力對(duì)游梁旋轉(zhuǎn)中心取力矩可得連桿力FL為

則連桿力FL在曲柄切向力的分力Fq為

曲柄平衡條件為

則減速器曲柄軸輸出扭矩M為

簡化后得

式中，F(xiàn)L為連桿所受的拉力，N；Fq為連桿力FL在曲柄切向力的分力，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，N；MCmax為二次平衡曲柄裝置在減速箱曲柄軸上產(chǎn)生的最大扭矩，N·m；Q2為二次平衡塊重力；R2為二次平衡塊重力旋轉(zhuǎn)半徑；τ0為抽油機(jī)曲柄在12點(diǎn)鐘位置時(shí)曲柄與二次平衡曲柄之間夾角；P為懸點(diǎn)載荷，N；Qy為游梁平衡重重力，N；R為曲柄銷軸到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；M為減速箱曲柄軸輸出扭矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎担琋·m；TF為扭矩因數(shù)，與游梁的角速度有關(guān)。

5.2 電機(jī)功率

電動(dòng)機(jī)功率與減速器從動(dòng)軸（曲柄軸）上的扭矩關(guān)系式為式中，Nr為電動(dòng)機(jī)功率，kW；n為曲柄軸轉(zhuǎn)速，r／min；η為傳動(dòng)效率。

6 動(dòng)態(tài)仿真及優(yōu)化

6.1 建立虛擬樣機(jī)［5－6］

利用機(jī)械專業(yè)三維軟件CAD與ADAMS對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。在專業(yè)CAD軟件中建立機(jī)構(gòu)的實(shí)體裝配模型，利用ADAMS與CAD軟件之間的接口，將模型導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中。在虛擬測(cè)試時(shí)作如下假設(shè)：

1） 曲柄以勻速旋轉(zhuǎn)。

2） 各個(gè)運(yùn)動(dòng)副都是理想的無間隙的運(yùn)動(dòng)副。

3） 抽油機(jī)所有部件包括底座和基礎(chǔ)都是剛性的。

虛擬樣機(jī)如圖6所示，利用樣機(jī)可以進(jìn)行后處理，查看測(cè)試結(jié)果，生成圖表、報(bào)告等直觀的測(cè)試資料。

圖6 抽油機(jī)虛擬樣機(jī)

6.2 仿真優(yōu)化

通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)游梁平衡重質(zhì)量、二次平衡重質(zhì)量及二次平衡曲柄與大曲柄之間夾角，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過三維仿真優(yōu)化得到減速器輸出軸扭矩曲線及減速器輸出軸功率曲線，如圖7～8所示?？梢钥闯觯涸撔滦统橛蜋C(jī)實(shí)現(xiàn)了扭矩正值化，扭矩峰值降低，輸出軸功率峰值降低且最小值提高到零值以上，最大值與最小值差值變小。

對(duì)比圖7與圖3～4可知：該新型節(jié)能抽油機(jī)電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)負(fù)載利用率大多數(shù)時(shí)間處于高效區(qū)及中效區(qū)，只有少數(shù)時(shí)間處于低效區(qū)，不存在無效區(qū)。從而提高了電機(jī)利用率，提高了抽油機(jī)系統(tǒng)效率。

圖7 減速器輸出軸扭矩曲線

圖8 減速器輸出軸功率曲線

7 結(jié)論

1） 建立了正扭矩節(jié)能抽油機(jī)位移、速度、加速度數(shù)學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)計(jì)算模型。

2） 通過仿真優(yōu)化，新型節(jié)能抽油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)扭矩正值化，使電機(jī)工作效率處在較高的水平，從而提高了抽油機(jī)系統(tǒng)效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。

［1］ 劉洪智，郭 東.異型游梁式抽油機(jī)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1997.

［2］ 何 帆，李 鍇，辛大勇，等.用彈簧儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)二次平衡的節(jié)能分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（3）：73－76.

［3］ 柯 偉，李才良，王啟顏，等.一種同軸二次曲柄平衡抽油機(jī)方案及性能分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（4）：7－10.

［4］ 蘇 欣，趙宏濤，袁宗明，等.基于模糊綜合評(píng)判法的地下儲(chǔ)氣庫方案優(yōu)選［J］.石油學(xué)報(bào)，2006，27（2）：125－128.

［5］ 劉克旺，張彥廷，魏 遼，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的游梁式抽油機(jī)參數(shù)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（7）：19－22.

［6］ 駱華鋒，欒慶德.游梁式抽油機(jī)實(shí)體建模及仿真分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（12）：22－24.

Balance of Energy Pumping of a New Compound

LIANG Hong－baoa，MENG Qing－weib，SUN Xu－dongb
（a.The Energy Conservation Center；b.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

On the basis of the advantages of conventional tour has been reserved，in order to eliminated pumping unit reducer shaft load torque completely，designing a new type of energy saving pumping unit.This paper introduces the energy saving principle of a new type oil pumping unit，to load the two balance system，adjusting to the torque curve，realize net torque value.And the pumping unit was studied，using both CAD and ADAMS to establish new pumping model，doing the dynamic simulation.As the theory，the new power saving pumping unit can completely eliminated negative torque，improve the efficiency of the pumping system，achieving the purpose of energy saving.

energy saving pumping unit；negative torsion moment；second balance；dynamic analysis；simulation

1001－3482（2012）07－0043－04

TE933.1

A

2012－01－22

黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目（GA09A503）

梁宏寶（1966－），男，黑龍江蘭西人，教授，博士，主要從事油田節(jié)能研究。