并聯(lián)式抽油機的計算機仿真模擬

趙 元, 王曉方

(沈陽工學院 機械與運載學院,遼寧 撫順,113122)

并聯(lián)式抽油機的計算機仿真模擬

趙 元, 王曉方

(沈陽工學院 機械與運載學院,遼寧 撫順,113122)

借鑒機構創(chuàng)新的基本思想和并聯(lián)機構理論,將常規(guī)型游梁式抽油機和異相型游梁式抽油機并聯(lián)組合在一起,創(chuàng)立了抽油機聯(lián)機配對使用方案.按此方案，一臺抽油機的驢頭懸點到達最低點時.另一臺抽油機的驢頭懸點恰好在最高點.即把其中一臺抽油機的抽油桿在自重作用下下落而產生的能量通過曲柄傳給另一臺抽油機,以提升抽油桿和液柱.實現(xiàn)了能量的充分利用和正向傳遞,基本解決了游梁式抽油機能耗大、效率低、能量倒流等的問題.采用UG軟件對創(chuàng)新設計的游梁式抽油機進行了計算機仿真模擬，進一步確定只有兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機組合,才能實現(xiàn)運動與動力的匹配,進而實現(xiàn)能量的正向轉移和充分利用.

機構創(chuàng)新; 聯(lián)機配對; 抽油機; 能量倒流; 仿真模擬

由于抽油機具有結構簡單、制造容易、使用維修方便的特點，因此到目前為止仍是開采石油的主要設備[1].尤其是在油田露天工作的條件下,抽油機可以實現(xiàn)全天候工作,且性能可靠、使用壽命長.但是抽油機也存在著能量消耗大、工作效率低的缺點,特別是在下沖程時,抽油桿在自重的作用下出現(xiàn)了能量倒流,使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)[2-3].為了解決這些問題,從節(jié)能角度著手研制了異相型和前置型抽油機;從平衡及節(jié)能角度著手研制了變平衡力矩抽油機、自動平衡抽油機和隨動平衡抽油機.然而這些研究始終停留在原有抽油機的條件下所進行的功能和結構改進上,沒能很好地解決抽油機存在的主要問題[4-6].

為了更好地解決抽油機存在的問題,實現(xiàn)降低采油成本和節(jié)能的目的,借鑒機構創(chuàng)新的思維模式,采用并聯(lián)機構組合的理論,擬定了游梁式抽油機聯(lián)機配對方案.并對并聯(lián)式抽油機進行了理論分析和計算機仿真模擬,初步確定了采用何種規(guī)格的抽油機并聯(lián)組合才能實現(xiàn)能量的正向轉移和充分利用.

1 并聯(lián)機構理論

兩個以上單一機構并列布置,稱為并聯(lián)機構組合.根據(jù)動力輸入、輸出的方式不同,并聯(lián)機構組合分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型并聯(lián),如圖1所示.

圖1 并聯(lián)機構理論Fig.1 Parallel mechanism theory

2 抽油機并聯(lián)機構組合

依據(jù)并聯(lián)機構理論,將異相型游梁式抽油機和常規(guī)型游梁式抽油機按照Ⅲ型并聯(lián)的方法組合成一臺新的抽油機.它使用一臺電動機和一個減速器作為機器的輸入,分別由異相型游梁式抽油機和常規(guī)型游梁式抽油機兩端輸出,如圖2所示.

圖2 抽油機并聯(lián)機構組合Fig.2 Pumping runit parallel mechanism combination

當常規(guī)型游梁式抽油機在上沖程提升抽油桿

和液柱時,減速器曲柄傳遞正扭矩;這時異相型游梁式抽油機卻為下沖程,抽油桿在自重的作用下下落,出現(xiàn)能量倒流,減速器曲柄產生了負扭矩,兩者恰好在峰值處抵消.同理,當異相型游梁式抽油機為上沖程時,常規(guī)型游梁式抽油機的動作與異相型游梁式抽油機為下沖程時的動作同.這種抽油機并聯(lián)機構組合,是把其中一臺抽油機由于抽油桿自重下落產生的能量倒流,通過曲柄傳遞給了另一臺抽油機,以提升抽油桿和液柱,實現(xiàn)能量的充分利用和正向轉移.再加上由于取消了曲柄上的配重,減輕了整機的質量,并且在曲柄旋轉一周的時間內,完成了兩個工作行程,因此節(jié)省了能量,提高了效率,降低了采油成本.

3 建立數(shù)學模型

抽油機并聯(lián)機構組合應有嚴格的運動協(xié)調關系.依據(jù)該機構組合的運動簡圖(圖3),利用幾何學和運動學的有關理論,建立如下數(shù)學模型.

圖3 抽油機并聯(lián)機構組合機構簡圖Fig.3 Pumping oil machine combination mechanism of parallel mechanism

3.1 角位移

根據(jù)平面四桿機構相對運動關系的理論,得到抽油機1和抽油機2的游梁擺動的角位移ψ1,ψ2的有關方程式，分別為

式中:θ為曲柄的轉動角度,它是以r1和r2端部連線與lK1處于平行位置時作為零度,沿曲柄旋轉方向度量的角度.φ1,φ2分別為垂線與lK1、垂線與lK2所夾的銳角.θ′=180°-κ+θ(根據(jù)圖3可以求得)為曲柄轉角為θ時,r1和r2端部連線相對于lK2的角度,也是沿曲柄旋轉方向度量得角度;κ為lK1與lK2所夾的銳角,可由余玄定理求得:

當抽油機1和抽油機2的規(guī)格型號以及它們之間的相對位置確定后,各桿的長度均為常量,角度κ，φ1，φ2也是常量,只有θ與θ′是變量.設曲柄轉動的角速度為ω,則θ=ωt.即θ與θ′均為時間t的函數(shù),則游梁擺動角位移ψ1與ψ2也是時間t的函數(shù),為

3.2 角速度

ψ1與ψ2對時間t求一階導數(shù),得到游梁擺動的角速度χ1，χ2:

3.3 角加速度

ψ1與ψ2對時間t求二階導數(shù),得到游梁擺動的角加速度ε1，ε2:

4 抽油機并聯(lián)機構組合的計算機仿真模擬

抽油機并聯(lián)機構組合是應用機構并聯(lián)理論創(chuàng)新設計的一種抽油機.理論依據(jù)可靠,工作原理可行.然而采用哪兩種規(guī)格的游梁式抽油機進行組合,才能實現(xiàn)能量的正向轉移和充分利用,需要做進一步的研究與探討.

根據(jù)抽油機并聯(lián)機構組合的工作原理和數(shù)學模型,采用UG軟件對兩種不同規(guī)格的游梁

式抽油機組合進行計算機仿真模擬.

4.1 不同規(guī)格抽油機的并聯(lián)組合

采用一大一小兩種規(guī)格的游梁式抽油機進行仿真模擬.小規(guī)格的是常規(guī)型游梁式抽油機,大規(guī)格的是異相型游梁式抽油機,仿真模擬視頻截圖如圖4所示.

圖4 不同規(guī)格的抽油機并聯(lián)組合Fig.4 Parallel combination of pumping units with different specifications

從仿真模擬的結果來看,不同規(guī)格的游梁式抽油機組合,無法實現(xiàn)兩種抽油機的運動與動力匹配,也就不能實現(xiàn)能量的正向轉移和充分利用.

若小規(guī)格的是異相型游梁式抽油機,大規(guī)格的是常規(guī)型游梁式抽油機,情況也是如此,在此不再贅述.

4.2 相同規(guī)格抽油機的并聯(lián)機構組合

采用兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機進行仿真模擬.兩種都是小規(guī)格的與兩種都是大規(guī)格的情況相同,仿真模擬視頻截圖如圖5所示.

圖5 相同規(guī)格的抽油機并聯(lián)組合Fig.5 Parallel combination of pumping units of the same spefication

從仿真模擬的結果來看,兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機組合,可以實現(xiàn)兩種抽油機的運動與動力匹配,進而實現(xiàn)能量的正向轉移和充分利用.

5 結論

為了解決游梁式抽油機能量消耗大、生產效率低以及能量倒流等問題,達到降低采油成本和節(jié)能的目的,借鑒了機構創(chuàng)新的思維模式,采用了并聯(lián)機構組合的理論,將異相型游梁式抽油機和常規(guī)型游梁式抽油機并聯(lián)組合在一起,擬定了抽油機聯(lián)機配對方案.實現(xiàn)了其中一臺抽油機的驢頭懸點到達最低點時,另一臺抽油機的驢頭懸點恰好在最高點,即把其中一臺抽油機的抽油桿依靠自重下落而產生的能量倒流,通過曲柄傳遞給了另一臺抽油機，用來提升抽油桿和液柱,完成了能量的正向傳遞和充分利用.

為了進一步確定哪兩種規(guī)格的游梁式抽油機組合才能實現(xiàn)上述目的,采用UG軟件對抽油機并聯(lián)機構組合進行計算機仿真模擬.從仿真模擬的結果來看,只有兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機并聯(lián)組合才能實現(xiàn)兩種抽油機的運動與動力匹配,進而實現(xiàn)能量的正向轉移和充分利用.

這種抽油機并聯(lián)機構組合方式理論依據(jù)可靠,工作原理可行.同時,由于取消了曲柄上的配重,減輕了整機的質量,并且在曲柄旋轉一周的時間內,完成了兩個工作行程,節(jié)省了能量,提高了效率,降低了采油成本.特別是它不淘汰原有設備,不用重復投資,只需在原有設備的基礎上進行部分改造即可達到目的.

[1] 鄔亦炯.抽油機[M].北京；石油工業(yè)出版社,1994.

WU Yijiong.Oil pumping machine[M].Beijing: Petroleum Industry Press,1994.

[2] 王曉方.國內外采油工業(yè)的現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨向研究[J].中國礦業(yè)，2005(5)：4-6.

WANG Xiaofang.Research in the present and developing status of the oil producing internationally[J].China Mining Magazine,2005(5):4-6.

[3] 王曉方.游梁式抽油機并聯(lián)機構組合的研究[D].沈陽；沈陽工業(yè)大學，2003.

WANG Xiaofang.The research on combination of parallel mechanism for floating frame oil pumping[D].Shenyang； Shenyang University of Technology,2003.

[4] 王曉方.游梁式抽油機并聯(lián)機構組合研究[J].遼寧工程技術大學學報，2005(3)：417-419.

WANG Xiaofang. Research in unite mechanism for floating frame oil pumping machine[J].Journal of Liaoning Technical University,2005(3):417-419.

[5] 李康舉，王曉方. 機械設計基礎[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，2012.

LI Kangju,WANG Xiaofang. Fundamentals of machine design[M].Beijing: China Light Industry Press, 2012.

[6] 張慧平，張建榮，張小軍. UG NX基礎教程[M].北京:人民郵電出版社, 2014.

ZHANG Huiping, ZHANG Jianrong, ZHANG Xiaojun. NX UG basic tutorial[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2014.

Computer simulation on parallel pumping units

Zhao Yuan, WANG Xiao-fang

( College of Mechanical and Vehicle Engineering , Shenyang Institute of Technology , Fushun 113122, China)

By combining the conventional beam-pumping and heterogeneous beam-pumping units in parallel, the pumping unit online-matching scheme is established based on the mechanism innovation and parallel mechanism theories. In this respect, the horsehead of one pumping unit reaches the lowest point, whilst that of the other one reaches the highest point. Alternatively, the backflow of falling energy from pumping rod weight is transferred to the other one via a crank. This can lift the pumping rod and liquid column for forward transferring and efficient energy usage, and resolve such problems as high energy consumption, low efficiency, energy backflow of beam pumping unit. Subsequently, the computer simulation is conducted using UGTM. Consequently, it is found that, only when the same specification is employed for the beam-pumping unit combination, the kinematic and dynamic matching, as well as forward transferring and full energy usage, can be realized.

mechanism innovation; online matching; pumping unit; energy backflow; computer simulation

2010年遼寧省教育廳科學研究項目計劃(L2010481)

趙 元,(1980-),男,副教授，碩士.E-mail:wxfmed@sohu.com

TE 355.5

A

1672-5581(2016)05-0432-04