游梁式雙驢頭雙井抽油機動力性能分析

鄒龍慶，周 亮

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318） ①

游梁式雙驢頭雙井抽油機動力性能分析

鄒龍慶，周 亮

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318） ①

采用Solidworks軟件建立了某型抽油機的虛擬樣機，并建立了相應的運動和動力解析方程。通過Motion仿真得出了該抽油機運動參數(shù)和動力參數(shù)的變化規(guī)律。理論分析和仿真計算表明，該抽油機負扭矩明顯降低，節(jié)能效果良好。

游梁式抽油機；雙驢頭；三維動態(tài)仿真；動力特性

隨著我國油田的不斷深入開發(fā)，為了提高石油產(chǎn)量，開始鉆加密井，從而出現(xiàn)了一次加密井、二次加密井和三次加密井，使井距越來越近，甚至井距＜10m，這為使用1臺抽油機對2井口采油提供了條件。游梁式雙驢頭雙井抽油機就是為此而設計的［1］。該抽油機巧妙地將1臺常規(guī)游梁式抽油機和1臺前置式抽油機結合在一起，在常規(guī)游梁式抽油機的另一端增加1個驢頭，將1臺抽油機下沖程的無用功轉化成另1臺抽油機上沖程的有用功，2井口之間的采油過程相互交替進行，同時用2口井的載荷來平衡減速器輸出軸的扭矩。其部件結構與常規(guī)游梁式抽油機基本相同。由于游梁式雙井抽油機的設計幾乎節(jié)省了1臺抽油機的鋼材和1臺電動機，節(jié)能效果十分明顯。目前，這種抽油機已經(jīng)得到油田的重視，但是現(xiàn)階段缺乏理論研究。本文旨在通過運動分析、動力分析為其理論研究打下基礎。

1 結構特點

該抽油機采用伸縮游梁（如圖1），通過拉長和縮短游梁兩端，使游梁式雙井抽油機的懸點對中井口，適應井距的變化。采用變曲率驢頭（如圖2），通過調(diào)節(jié)驢頭上的調(diào)節(jié)螺母改變驢頭曲率使驢頭懸點與井口始終垂直，以適應游梁前臂長度的變化。底座采用旋轉裝置，當其中1口油井因故停產(chǎn)或作業(yè)時，可旋轉底座180°，變后置式抽油機為前置式抽油機繼續(xù)工作。游梁式雙驢頭雙井抽油機可以適應一定范圍內(nèi)不同井距、不同工況、不同載荷的油井。

圖1 伸縮游梁

圖2 變曲率驢頭

2 三維模型的建立

Solidworks軟件是目前應用最廣泛的三維設計軟件，擁有強大的3D繪圖能力，提供完善的三維CAD解決方案；尤其在裝配環(huán)境中可以方便地修改和設計零件，可以動態(tài)查看裝配體的所有運動并可以對動態(tài)零部件進行干涉檢查，非常適合零件較多的雙井抽油機的裝配體設計。本文對該型抽油機的仿真研究主要是針對驢頭懸點的運動規(guī)律和曲柄軸扭矩的大小，故在保證整機各部件配合的情況下對電機、減速箱、皮帶輪等作出簡化并去掉一些螺栓、螺母等與仿真結果無關的零件［2－4］。8型常規(guī)游梁式雙井抽油機模型如圖3所示。

圖3 雙井抽油機虛擬樣機

3 運動學分析

為分析雙井抽油機兩驢頭懸點的運動規(guī)律，建立如圖4所示坐標系。

圖4 雙井抽油機機構示意

式中，R為曲柄半徑長度，m；C為游梁支撐中心到連桿的距離，m；P為連桿長度，m；K為游梁支撐中心到曲柄銷中心的距離，m。

式（1）用復變矢量表示為

將式（2）兩邊對時間求導得

令方程兩邊的實部和虛部對應相等，可得

式中，θ＝ωt；θ1＝2π－θ；

由式（3）～（4）解得

且

所以游梁的角速度為

式中，α為K與x軸的夾角，rad；ξ為K與P的夾角，rad；β為C與K的夾角，rad；ω為曲柄的角速度，rad／s；θ1為曲柄與x軸夾角，以曲柄處于x軸為0°，沿曲柄旋轉方向度量，rad；θ2為P與x軸的夾角，rad；θ3為β的補角，rad。

由式（5）即可推得懸點的位移、速度、加速度。

Motion是完全內(nèi)嵌于Solidworks的運動學、動力學分析軟件，可以在實際生產(chǎn)之前確保設計的可行性，大幅降低制造物理原型的成本，并縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。為方便與常規(guī)游梁抽油機比較，雙井取典型工況沖程3m，沖次6min－1。圖5為驢頭1的懸點運動規(guī)律，圖6為驢頭2的懸點運動規(guī)律。由圖5～6可看出，其與常規(guī)游梁式抽油機懸點運動規(guī)律基本相同。

圖5 驢頭懸點1運動規(guī)律

圖6 驢頭懸點2運動規(guī)律

4 動力學分析

該抽油機的受力如圖7。減速箱曲柄軸扭矩是游梁式抽油機的基本參數(shù)之一，是懸點載荷和平衡重的合成扭矩。

游梁的力矩平衡式為

由式（6）可推得連桿受力，由連桿力可計算出曲柄軸扭矩為

圖7 雙井抽油機受力示意

式中，P1為第1井口懸點載荷，kN；P2為第2井口懸點載荷，kN；P3為連桿拉力，kN；M為曲柄軸輸出扭矩，kN·m；L1為游梁支點到第2井口的距離，m；L2為游梁支點到連桿的距離，m；β1為游梁與連桿之間的夾角；θ4為游梁與水平位置的夾角，rad；φ為曲柄轉角，rad；Qq為曲柄平衡重力，kN；r為曲柄旋轉半徑，m；α1為曲柄與連桿之間的夾角，rad。

由于P1和P2抽吸過程中油柱相差的重力相比常規(guī)游梁式抽油機重力差小很多，即連桿力小很多，故減速箱曲柄軸的扭矩相比常規(guī)游梁式抽油機更小，變化更平穩(wěn)。

圖8為仿真減速箱曲柄軸的輸出扭矩曲線，可以看出：在1個上下沖程過程中扭矩存在正負變化，同時負扭矩為1.2kN·m，說明雙井抽油機的負扭矩很小。

游梁式雙井抽油機的輸出軸扭矩比單井的小，故均方根扭矩也小于單井抽油機。影響減速箱壽命的主要因素是輸出軸的峰值扭矩和負扭矩，影響電動機功率的主要因素是均方根扭矩［5－7］。由以上分析可知，游梁式雙井抽油機在減速箱壽命和節(jié)能方面要優(yōu)于常規(guī)游梁抽油機。

圖8 曲柄軸扭矩曲線

5 結論

1） 游梁式雙井抽油機的運動學和動力學特性要優(yōu)于常規(guī)游梁式抽油機。

2） 該抽油機的曲柄軸輸出扭矩更平穩(wěn)，負扭矩現(xiàn)象較常規(guī)游梁式抽油機明顯減小，可延長減速箱的壽命。

3） 節(jié)省了制造材料。采用杠柱載荷相互平衡，節(jié)電效果更好。

［1］ 陳寶忠，甘德華.游梁式雙驢頭雙井抽油機節(jié)能分析［J］.撫順石油學院學報，1999，19（1）：60－62.

［2］ 甄希金，王 勇.抽油機的3D實體建模及其動力學特性的研究［J］.機械設計，2005，22（2）：55－57.

［3］ 劉克旺，張彥廷，魏 遼，等.基于虛擬樣機技術的游梁式抽油機參數(shù)分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：19－22.

［4］ 駱華鋒，欒慶德.梁式抽油機實體建模及仿真分析［J］.石油礦場機械，2008，37（12）：22－24.

［5］ 萬邦烈.采油機械的設計計算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988.

［6］ 湯敬飛，吳曉東，馬國瑞，等.調(diào)徑變矩抽油機懸點載荷計算［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：37－40.

［7］ 姜民政，董康興，孫振旭，等.抽油機系統(tǒng)地面裝置效率試驗研究［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：54－56.

Dynamic Performance Analysis of Double－Horse Heads Pumping Unit

ZOU Long－qing，ZHOU Liang
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Using Solidworks software established the type of the pumping unit virtual prototype， the movement and dynamic equations.Through the Motion simulation define，the variation rule of the movement parameters and dynamic parameters of the pumping unit.It is shown that the double－h(huán)orse heads pumping unit negative torque reduced significantly and energy saving promises well.

beam pumping unit；double－h(huán)orse heads；3Ddynamic simulation；dynamics

1001－3482（2012）08－0014－04

TE933.1

A

2012－02－10

黑龍江省科技攻關項目（GZ08A507）

鄒龍慶（1962－），男，遼寧復縣人，教授，博士，主要從事石油鉆采機械設計理論研究。