抽油機(jī)電液伺服加載系統(tǒng)

， 　(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng)　471003)

引言

抽油機(jī)是我國(guó)石油開(kāi)采作業(yè)的主要機(jī)械設(shè)備，它的性能直接影響到油田的經(jīng)濟(jì)效益。抽油機(jī)往往工作在環(huán)境比較惡劣的條件下，因此在抽油機(jī)投入作業(yè)之前都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的性能測(cè)試。如果采用作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，需要大量運(yùn)輸成本和研究經(jīng)費(fèi)，為解決以上困難設(shè)計(jì)模擬抽油機(jī)工作的加載系統(tǒng)。抽油機(jī)加載具有特殊性，一方面要按照懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律加載，另一方面要克服位移帶來(lái)的干擾。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)工作情況和示功圖的分析，提出了一種位移閉環(huán)力反饋控制電液伺服系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)加載。

1　抽油機(jī)加載介紹

抽油機(jī)工作過(guò)程分為上下兩個(gè)沖程交替進(jìn)行，上沖程時(shí)活塞上行，游動(dòng)閥受油管內(nèi)活塞以上液柱的壓力作用而關(guān)閉，并排出活塞沖程一段液體。由于泵筒內(nèi)壓力下降，固定閥被油套環(huán)行空間液柱壓力頂開(kāi)，井內(nèi)液體進(jìn)入泵筒內(nèi)，充滿(mǎn)活塞上行所讓出的空間。下沖程時(shí)活塞下行，由于泵筒內(nèi)液柱受壓，壓力增高，而使固定閥關(guān)閉?；钊^續(xù)下行，泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高，當(dāng)泵筒內(nèi)壓力超過(guò)油管內(nèi)液柱壓力時(shí)，游動(dòng)閥被頂開(kāi)，液體從泵筒內(nèi)經(jīng)空心活塞上行進(jìn)入油管。因此抽油機(jī)在工作中具有較復(fù)雜的力變化情況，如圖1所示。

圖1　抽油機(jī)正常工作示功圖

根據(jù)抽油機(jī)示功圖可以看出抽油機(jī)加載系統(tǒng)主要存在兩個(gè)核心要求：首先抽油機(jī)加載裝置能按照懸點(diǎn)的位移-力變化規(guī)律對(duì)其加載；其次在控制加載力的同時(shí)應(yīng)按照抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律形成示功圖曲線(xiàn)。這種加載系統(tǒng)的最大難點(diǎn)在于位移的干擾性，即加載系統(tǒng)的多余力。

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

抽油機(jī)加載系統(tǒng)工作參數(shù)具有其特殊性，抽油機(jī)工作直線(xiàn)行程達(dá)8 m，最大載荷達(dá)20 t，上下行程中載荷變化范圍較大，其上行程載荷在5～20 t之間變化，下行程載荷在0～20 t之間變化，最大每分鐘交變次數(shù)為35。

通過(guò)分析采用液壓缸作為加載執(zhí)行元件，配合滑輪進(jìn)行工作，以減少液壓缸的行程。抽油機(jī)加載系統(tǒng)由于隨抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此會(huì)導(dǎo)致加載時(shí)刻受到運(yùn)動(dòng)干擾，這種干擾稱(chēng)為多余力。為了克服這種干擾，設(shè)計(jì)了一種抽油機(jī)電液伺服加載系統(tǒng)，引用位置輔助同步補(bǔ)償校正的方法。該方法首先采用位置閉環(huán)系統(tǒng)，模擬抽油機(jī)沖程動(dòng)作。除此之外采用了位移閉環(huán)、力反饋以及性能較好的伺服閥組成輔助控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)力的加載。

抽油機(jī)電液伺服加載系統(tǒng)如圖2所示，主泵2、3為供油泵，實(shí)現(xiàn)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，泵1為輔助泵實(shí)現(xiàn)加載系統(tǒng)的控制油路。由于上下沖程中壓力變化較大，并且交變次數(shù)較高，系統(tǒng)選用蓄能器減少能耗。

2.2　液壓系統(tǒng)說(shuō)明

上沖程時(shí)，液壓缸被抽油機(jī)拖拽運(yùn)動(dòng)，上腔排油，通過(guò)控制上腔壓力即排油背壓，控制上沖程加載載荷?？紤]行程較大采用滑輪機(jī)構(gòu)拉動(dòng)液壓缸，根據(jù)滑輪機(jī)械結(jié)構(gòu)原理，得滑輪機(jī)構(gòu)系統(tǒng)拉力:

F拉=2F懸

式中：F拉為拉桿受力，即活塞桿受力，N；F懸為懸繩器受力，N。

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)示功圖分析，抽油機(jī)在上沖程時(shí)，達(dá)到最大負(fù)載時(shí)，取系統(tǒng)壓力：

p=25 MPa

則液壓缸活塞桿無(wú)桿端面積：

抽油機(jī)工作過(guò)程中沖程較大，交變次數(shù)大，因此要求加載液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，加速度能達(dá)到對(duì)應(yīng)較大的值，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用差動(dòng)液壓缸，則：

式中，D為液壓缸無(wú)桿腔直徑,mm；d為液壓缸有桿腔直徑,mm。

圖2　電液伺服加載系統(tǒng)

帶入A=0.01568 m2計(jì)算得到d=141.3 mm，則D=199.8 mm

取圓整后：D=200 mm，d=140 mm

則圓整后活塞無(wú)桿端面積：

返算的系統(tǒng)最高壓力：

3　基于A(yíng)MESim軟件的液壓系統(tǒng)仿真

3.1　液壓系統(tǒng)搭建

為了縮短研究周期、降低研究成本及風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行了液壓加載系統(tǒng)性能仿真研究，液壓系統(tǒng)的仿真可以對(duì)系統(tǒng)的工作性能提供了更具體的理論數(shù)據(jù)，為加載系統(tǒng)的制造及改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

仿真利用AMESim中成熟的元件模塊進(jìn)行建模，液壓缸的運(yùn)動(dòng)軌跡模仿抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)，驢頭式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為往返運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度和加速度都在不停改變，在保證位移的情況下合理加減速。本系統(tǒng)加載仿真模型如圖3所示。模型對(duì)系統(tǒng)原理圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用單泵，設(shè)置泵的排量轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足要求省去了蓄能器，這種簡(jiǎn)化對(duì)系統(tǒng)的工作性能的仿真并無(wú)影響。伺服方向閥的控制信號(hào)由輸入信號(hào)和位移監(jiān)測(cè)信號(hào)決定，通過(guò)比較環(huán)節(jié)，PID控制器實(shí)現(xiàn)液壓缸位移運(yùn)動(dòng)的控制。通過(guò)分析抽油機(jī)示功圖，得到位移和加載力的關(guān)系通過(guò)位移—力函數(shù)和輸出力監(jiān)測(cè)反饋，控制比例溢流閥，實(shí)現(xiàn)加載力控制。

圖3　加載系統(tǒng)仿真模型

在元件模塊的AMESim/Parameter參數(shù)模式中，根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算設(shè)定系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

3.2　仿真結(jié)果分析

仿真中設(shè)定液壓缸運(yùn)動(dòng)情況為正弦函數(shù)曲線(xiàn)， 使其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠以低速度和加速度伸出，逐漸加速然后減速平穩(wěn)到運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)，之后液壓缸桿相似運(yùn)動(dòng)方式收回完成一次沖程。仿真情況如圖4所示，圖中實(shí)線(xiàn)1為給定運(yùn)動(dòng)信號(hào)，虛線(xiàn)2為反饋位置信號(hào)，液壓缸在8 s內(nèi)完成一個(gè)沖程，伸出和收回各占用4 s，分析圖中曲線(xiàn)可以看出液壓缸位置能及時(shí)跟隨輸入信號(hào)改變，起始階段由于外力阻力作用液壓缸實(shí)際運(yùn)動(dòng)滯后于給定運(yùn)動(dòng)偏差量為1/40即2.5%，運(yùn)行至2 s時(shí)液壓缸能有效跟隨控制信號(hào)運(yùn)動(dòng)，收回時(shí)由于系統(tǒng)阻力影響收回位移滯后于控制量偏差最大為2/40即5%，中間運(yùn)行過(guò)程能準(zhǔn)確跟隨正弦函數(shù)變化，滿(mǎn)足加載位置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要求。

表1　仿真主要參數(shù)

圖4　液壓缸位移曲線(xiàn)

仿真系統(tǒng)中加載力的控制根據(jù)示功圖，采集液壓缸位置信號(hào)進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，作為給定加載力信號(hào)，采集實(shí)際液壓缸輸出力作為反饋控制信號(hào)，通過(guò)PID模塊處理控制比例溢流閥實(shí)現(xiàn)加載力的控制。如圖5為對(duì)應(yīng)液壓缸加載情況的變化，橫坐標(biāo)為位移，縱坐標(biāo)為加載力信號(hào)，實(shí)線(xiàn)3為設(shè)定力變化情況，虛線(xiàn)4為加載力變化情況。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)液壓缸處于零力狀態(tài)，加載力給定有一個(gè)初始值使溢流閥建立一個(gè)較小壓力，克服系統(tǒng)慣性和摩擦阻力，使液壓缸可以平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，之后逐步增加加載力， 根據(jù)力學(xué)基本模型合力=阻力+慣性

力，隨著液壓缸的位移加速度逐漸減小，因此輸出力和控制力之間差值逐漸減小，兩條線(xiàn)逐漸靠近。最終加載力線(xiàn)4為19970～20010 N之間，最大偏差為30/20000 即0.15%，滿(mǎn)足加載系統(tǒng)要求。

圖5　液壓缸加載力

4　結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)抽油機(jī)工況分析，提出了一種電液控制的抽油機(jī)加載系統(tǒng)，能夠模擬抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置和力的變化。加載系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制和入力函數(shù)反饋控制，控制液壓缸的位移運(yùn)動(dòng)和加載力，模擬抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)和負(fù)載力。該系統(tǒng)能有效用于檢測(cè)抽油機(jī)的工作情況，減少抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)故障幾率，降低生產(chǎn)成本。

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