游梁式抽油機(jī)變速拖動載荷與平衡分析

王建萍，蘇 穎，劉彩玉，楊胡坤

（1.大慶油田 技術(shù)培訓(xùn)中心，黑龍江 大慶163255；2.大慶油田裝備制造集團(tuán)，黑龍江 大慶163255；3.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）①

在抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究方面，通常集中于抽油機(jī)本身的結(jié)構(gòu)改造或采用新型節(jié)能電動機(jī)，以期達(dá)到游梁式抽油機(jī)的節(jié)能目的。例如下偏杠鈴式抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)及節(jié)能電機(jī)［1－3］等，但已基本達(dá)到了抽油機(jī)本身節(jié)能的極限。

隨著電控技術(shù)的發(fā)展，使得游梁式抽油機(jī)的變速拖動成為可能。這種技術(shù)的應(yīng)用來源于電機(jī)，已在數(shù)控抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)中應(yīng)用。利用現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)電機(jī)在工作過程中的動態(tài)變頻調(diào)速，由此可以實現(xiàn)游梁式抽油機(jī)變速拖動。2012年，這種變速拖動技術(shù)開始在國內(nèi)進(jìn)行試驗，并取得了一定的應(yīng)用效果。變速拖動在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用尚缺乏理論分析基礎(chǔ)，例如游梁式抽油機(jī)懸點運(yùn)動規(guī)律對抽油機(jī)懸點載荷的影響、平衡效果等。

游梁式抽油機(jī)變速拖動對抽油機(jī)的動力學(xué)分析提出了新的研究課題。在常規(guī)條件下，游梁式抽油機(jī)的分析方法均是以曲柄運(yùn)動規(guī)律為起始研究點，分析抽油機(jī)懸點載荷特性、抽油機(jī)的平衡特性等。但是在變速驅(qū)動下，必須在事先確定了游梁式抽油機(jī)懸點運(yùn)動特性后方可研究曲柄的運(yùn)動規(guī)律或電動機(jī)的工作特性。因此，必須提出一種新的研究方法進(jìn)行游梁式抽油機(jī)變速拖動節(jié)能技術(shù)研究。

本文以游梁式抽油機(jī)懸點為基點，提出了游梁式抽油機(jī)在常規(guī)運(yùn)動、梯形運(yùn)動及三角形運(yùn)動3種運(yùn)動速度下的懸點載荷、轉(zhuǎn)矩因數(shù)、平衡效果及曲柄轉(zhuǎn)速的計算方法。綜合游梁式抽油機(jī)懸點載荷及平衡效果，得出3種方案中較好的為懸點梯形速度運(yùn)動曲線。

1 初始條件

以CYJ10－3－37 HB型抽油機(jī)井為例，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，井況參數(shù)如表2所示。

表1 CYJ10－3－37HB型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 井況參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

抽油機(jī)懸點載荷為

式中：Ps為懸點靜載荷；Pa為懸點慣性載荷；Pv為懸點振動載荷；Pf為摩擦載荷。

式（1）已經(jīng)說明：在抽油機(jī)上、下沖程過程中，當(dāng)抽油機(jī)井況參數(shù)確定后，抽油機(jī)懸點靜載荷Ps不會發(fā)生改變，即與抽油機(jī)懸點運(yùn)動規(guī)律無關(guān)；在分析計算抽油機(jī)懸點載荷中，由于P f影響因素復(fù)雜，往往忽略P f；Pa與懸點上、下沖程過程中加速度有關(guān)。根據(jù)G.bus對抽油機(jī)懸點振動載荷的一維波動方程計算方法，抽油機(jī)懸點振動載荷的最大值與桿、管彈性變形結(jié)束后的懸點速度有關(guān)。因此，有效改變抽油機(jī)懸點運(yùn)動規(guī)律，可以抑制抽油機(jī)的懸點慣性載荷和振動載荷，即改變抽油機(jī)懸點加速度和桿、管彈性變形結(jié)束后的懸點速度。

抽油機(jī)幾何分析模型如圖1所示。抽油機(jī)常規(guī)分析過程中，當(dāng)抽油機(jī)沖次確定后就確定了游梁式抽油機(jī)曲柄的運(yùn)動規(guī)律，從而可以通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)計算分析抽油機(jī)懸點運(yùn)動規(guī)律，可以進(jìn)一步分析計算抽油機(jī)的懸點載荷和抽油機(jī)的平衡特性。

圖1 抽油機(jī)幾何分析模型

在抽油機(jī)變速驅(qū)動過程中，本文采取比較法，假設(shè)抽油機(jī)在變速驅(qū)動過程中，抽油機(jī)懸點運(yùn)動規(guī)律存在梯形速度曲線和三角形速度曲線。在分析過程中，假設(shè)抽油機(jī)上、下沖程時間相等，根據(jù)文獻(xiàn)［4］懸點最大速度為

通過計算機(jī)編程技術(shù)，由此可以確定在變速驅(qū)動條件下抽油機(jī)懸點的運(yùn)動規(guī)律，然后再根據(jù)抽油機(jī)幾何結(jié)構(gòu)尺寸反向求曲柄的運(yùn)動規(guī)律。

2.1 運(yùn)動分析

2.1.1 速度曲線

以抽油機(jī)常規(guī)分析為基礎(chǔ)，確定在一定幾何結(jié)構(gòu)條件下抽油機(jī)懸點沖程，根據(jù)前文所述，即可確定在變速驅(qū)動下抽油機(jī)懸點不同特性的速度曲線，如圖2所示。

圖2 懸點速度對比曲線

2.1.2 位移曲線

在變速運(yùn)動中，當(dāng)懸點速度曲線計算得到后，根據(jù)位移與速度關(guān)系，有

式中：v為懸點速度；t為時間。

由此在變速的拖動下，懸點的位移曲線如圖3所示。

圖3 懸點位移對比曲線

2.1.3 加速度曲線

同理，在變速拖動條件下，當(dāng)已知懸點速度運(yùn)動規(guī)律后，懸點加速度計算公式為

則抽油機(jī)在變速拖動條件下的加速度對比曲線如圖4所示。

圖4 懸點加速度對比曲線

2.1.4 曲柄角速度分析

顯然，游梁式抽油機(jī)在常規(guī)拖動中忽略電動機(jī)滑差率及帶傳動彈性滑動的影響，抽油機(jī)曲柄軸的轉(zhuǎn)速為恒值。當(dāng)懸點速度為梯形或三角形曲線時，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)反向求取曲柄轉(zhuǎn)速，如圖5所示。

圖5 曲柄角速度對比曲線

2.1.5 轉(zhuǎn)矩因數(shù)分析

在抽油機(jī)常規(guī)分析中，結(jié)合圖1，當(dāng)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，轉(zhuǎn)矩因數(shù)為［5］式中：A為前臂長；C為后臂長；R為曲柄工作半徑；α為連桿與曲柄的夾角；β為游梁與連桿的夾角。

常規(guī)分析中，轉(zhuǎn)矩因數(shù)相對于曲柄轉(zhuǎn)角或沖程時間的值是一定的，即當(dāng)抽油機(jī)幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定后，不管何種沖次，抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線都是固定不變的。但是當(dāng)電動機(jī)變速拖動抽油機(jī)時，雖然曲柄轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩因數(shù)值不發(fā)生改變，但以時間所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩因數(shù)值將發(fā)生改變，此時，抽油機(jī)在變速拖動條件下計算方法應(yīng)采取式（6）進(jìn)行計算，即

式中：ω為曲柄角速度，rad/s。

轉(zhuǎn)矩因數(shù)對比曲線如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)矩因數(shù)對比曲線

2.2 懸點載荷特性

關(guān)于抽油機(jī)懸點載荷的計算方法在其他文獻(xiàn)中已經(jīng)進(jìn)行了介紹，本文不再作進(jìn)一步的闡述，僅給出抽油機(jī)在常規(guī)拖動和變速拖動條件下的懸點動力示功圖，如圖7所示。

圖7 懸點動力示功圖對比

結(jié)合圖7中在不同條件下示功圖曲線，不同載荷值如表3所示。

表3 不同拖動懸點載荷值

仿真計算結(jié)果表明：以抽油機(jī)常規(guī)拖動為基礎(chǔ)，梯形拖動交變載荷差值降低率為13.38%，最大載荷降低率為6.53%，三角形拖動交變載荷差值降低率為5.86%，最大載荷降低率為3.4%。顯然當(dāng)懸點速度曲線為梯形時，抽油機(jī)懸點交變載荷和最大載荷降低幅度均較大。

2.3 平衡特性

游梁式抽油機(jī)曲柄平衡計算方法采用式（7）進(jìn)行分析［5］，即

式中：M為曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩；Mcmax為曲柄最大平衡轉(zhuǎn)矩；B為抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重；τ為曲柄相位角。

經(jīng)過迭代算法，以常規(guī)拖動平衡重峰值轉(zhuǎn)矩為基準(zhǔn)，得到3種不同驅(qū)動條件的曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩，如圖8所示。

圖8 曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩曲線對比

由圖8可知：相對于常規(guī)拖動，梯形拖動時凈轉(zhuǎn)矩負(fù)值得到了減少，有利于降低電機(jī)拖動的無功功率，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。三角形拖動時凈轉(zhuǎn)矩負(fù)值有所增加，因此在游梁式抽油機(jī)變速拖動過程中不宜選擇懸點速度為三角形拖動。關(guān)于具體的節(jié)能優(yōu)勢應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步結(jié)合拖動電機(jī)的工作性能進(jìn)行分析。

3 結(jié)論

1） 在變速拖動下，游梁式抽油機(jī)運(yùn)動學(xué)計算采取以懸點速度分析為起點，逐步分析抽油機(jī)懸點運(yùn)動規(guī)律、曲柄運(yùn)動規(guī)律及懸點載荷的計算。當(dāng)曲柄運(yùn)動規(guī)律確定后，結(jié)合抽油機(jī)的傳動參數(shù)，可以確定電動機(jī)的變頻特征。

2） 綜合比較3種懸點速度特性，在懸點速度為梯形曲線時，相對于常規(guī)拖動，抽油機(jī)懸點最大載荷可降低6.53%，交變載荷降低13.38%，降載明顯。

3） 在同等平衡轉(zhuǎn)矩條件下，梯形拖動時凈轉(zhuǎn)矩負(fù)值得到了減少，有利于降低電機(jī)拖動的無功功率，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。但具體的節(jié)能效果有待分析。

［1］ 郭慶榮，李全，曹佳，等.塔架式抽油機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（12）：29－32.

［2］ 張喜順，吳曉東，吳迪，等.利用實測功率曲線預(yù)測下偏杠鈴抽油機(jī)示功圖［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（12）：60－62.

［3］ 鐘力，陳天為.抽油機(jī)用雙功率電機(jī)的設(shè)計及試驗研究［J］.石油礦場機(jī)械，2004，33（6）：85－87.

［4］ 郭公喜，葉志強(qiáng).直線電機(jī)驅(qū)動抽油機(jī)的試驗研究［J］.石油礦場機(jī)械，2005，34（4）：17－20.

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