測試抽油機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

郭登明，汪隨，胡航行，周靖力

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

測試抽油機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

郭登明，汪隨，胡航行，周靖力

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為測試抽油機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)在采油現(xiàn)場應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一種柔性無游梁抽油機(jī)試驗(yàn)裝置用于測試電機(jī)的節(jié)能特性，推導(dǎo)了該試驗(yàn)裝置的運(yùn)動(dòng)及受力特性公式,優(yōu)化了試驗(yàn)裝置的幾何參數(shù)，繪制了其在試驗(yàn)功率達(dá)到30、37、45kW時(shí)的凈扭矩特性曲線，并在試驗(yàn)功率為45kW的工況下將該試驗(yàn)裝置與常規(guī)游梁式抽油機(jī)直接掛載的扭矩特性曲線進(jìn)行對比。結(jié)果表明，該試驗(yàn)裝置在上述3種試驗(yàn)功率下的凈扭矩特性曲線一致，且與常規(guī)游梁式抽油機(jī)直接掛載的凈扭矩特性曲線相近，能較為真實(shí)地模擬抽油機(jī)現(xiàn)場工況，可用于開關(guān)磁阻電機(jī)的節(jié)能特性測試。該研究結(jié)果對開關(guān)磁阻電機(jī)在油田現(xiàn)場的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

開關(guān)磁阻電機(jī)；抽油機(jī)；節(jié)能；試驗(yàn)裝置

游梁式抽油機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、易損件少、可靠性高、耐久性好、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)，一直處于有桿采油設(shè)備的主導(dǎo)地位，約占機(jī)采總數(shù)的75%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油田生產(chǎn)成本的1/3為電能消耗。目前我國抽油機(jī)用電機(jī)的總裝機(jī)容量在3.5×106kW以上，年耗電超過1×1010kW·h，而且電機(jī)普遍負(fù)載率小、效率低，嚴(yán)重影響油田的綜合開發(fā)效益[1]。永磁同步電機(jī)、高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、雙功率電機(jī)等在油田中的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛和成熟，有一定的節(jié)能效果[2，3]。開關(guān)磁阻電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，低負(fù)載系統(tǒng)效率高，節(jié)電性能好，使用壽命長等諸多優(yōu)良特性，但在抽油機(jī)中的應(yīng)用并不廣泛。開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)若能發(fā)揮在抽油機(jī)上，將大大推動(dòng)抽油機(jī)的節(jié)能改造，也為將來的智能數(shù)字化抽油機(jī)的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。在大批量使用開關(guān)磁阻電機(jī)之前，必須對該電機(jī)的節(jié)電性能進(jìn)行測試。文獻(xiàn)[4]采用負(fù)載電機(jī)模擬抽油機(jī)的載荷特性并測試開關(guān)磁阻電機(jī)的性能指標(biāo)，這種方法并不能真實(shí)地反映采油現(xiàn)場抽油機(jī)的實(shí)際工況。筆者設(shè)計(jì)出一種能較為真實(shí)地模擬抽油機(jī)實(shí)際工況的試驗(yàn)裝置，通過調(diào)節(jié)掛重和曲柄轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)，達(dá)到測試開關(guān)磁阻電機(jī)性能的目的。該試驗(yàn)裝置亦可用于其他類型電機(jī)的性能測試。

1 試驗(yàn)裝置方案設(shè)計(jì)

某電機(jī)廠根據(jù)油田現(xiàn)場抽油機(jī)用電機(jī)的使用情況，擬定試驗(yàn)的開關(guān)磁阻電機(jī)額定功率為30、37、45kW等3種規(guī)格。為達(dá)到功率要求，設(shè)計(jì)了一種柔性無游梁抽油機(jī)裝置，其結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。電機(jī)通過減速箱帶動(dòng)曲柄作低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿一端連接曲柄，另一端連接柔性繩，并通過雙滑輪將曲柄的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為掛重的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。其中，掛重模擬現(xiàn)場工況的懸點(diǎn)載荷。

2 試驗(yàn)裝置的運(yùn)動(dòng)分析及動(dòng)力計(jì)算

將抽油機(jī)的游梁和驢頭簡化為滑輪和鋼絲繩的組合，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。圖2中的符號定義如下：I為滑輪軸承中心O1到減速器輸出軸中心O的水平距離，m；(H-G)為滑輪軸承中心O1到減速器輸出軸中心O的垂直距離，m；C點(diǎn)為鋼絲繩與滑輪的切點(diǎn)；P為曲柄銷中心B點(diǎn)與C點(diǎn)的距離，m；β為鋼絲繩所在直線與O1C所在直線的夾角，(°)；J為曲柄銷中心B點(diǎn)與O1點(diǎn)的距離，m；K為機(jī)架長度，即點(diǎn)O1到點(diǎn)O的距離，m；r為滑輪半徑，m；R為曲柄回轉(zhuǎn)半徑，m；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，(°)；α為曲柄所在直線與連桿所在直線的夾角，(°)；τ為曲柄偏置角，(°)；φ為線段O1O與豎直方向的夾角，(°)；ρ為∠BO1O的大小，(°)；χ為∠BO1C的大小，(°)；W′為懸點(diǎn)載荷，N。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖 圖2 試驗(yàn)裝置運(yùn)動(dòng)簡圖

2.1 幾何計(jì)算公式

1)P的計(jì)算公式為：

(1)

2)α的計(jì)算公式為：

α=β+(χ-ρ)-(θ-φ)

(2)

2.2 運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式推導(dǎo)

1)懸點(diǎn)速度Vt的計(jì)算公式為：

(3)

式中，n為曲柄轉(zhuǎn)速，r/min。

2)懸點(diǎn)加速度at的計(jì)算公式為[5]：

(4)

式中，ω為曲柄的角速度，rad/s。

2.3 主要構(gòu)件受力計(jì)算公式推導(dǎo)

整機(jī)的力學(xué)模型如圖3所示。

1)掛重W0的計(jì)算公式為：

(5)

式中，W0為掛重，N；W為額定懸點(diǎn)載荷，kN；amax為上沖程的最大加速度，m/s2，向上為正。

圖3 試驗(yàn)裝置受力簡圖

2)連桿拉力FL的計(jì)算公式為：

(6)

忽略滑輪摩擦力、鋼絲繩彎曲和彈性變形等因素。

3)工作扭矩TW、平衡扭矩TR、凈扭矩TN的計(jì)算公式為[5]：

TW=FLRsinα

(7)

TR=Msin(θ-τ)

(8)

TN=TW-TR

=FLRsinα-Msin(θ-τ)

(9)

式中，M為曲柄最大平衡扭矩，N·m；τ為偏置角，(°)。

4)電機(jī)功率P的計(jì)算公式為：

(10)

3 試驗(yàn)裝置的參數(shù)確定及模擬試驗(yàn)結(jié)果

3.1 幾何參數(shù)

表1 試驗(yàn)裝置的幾何參數(shù)

該試驗(yàn)裝置可通過調(diào)整掛重和曲柄轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)功率。為保證TN滿足條件，通過調(diào)試M、τ、I、(H-G)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，確定出相關(guān)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

取電機(jī)效率0.6為參考值，在保證TN滿足條件的情況下，調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速和掛重，使得測試功率分別達(dá)到30、37、45kW，結(jié)果如表2所示。

表2 測試不同功率電機(jī)時(shí)試驗(yàn)裝置的掛重及曲柄轉(zhuǎn)速

3.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試驗(yàn)裝置的懸點(diǎn)速度、加速度曲線

將上述計(jì)算公式及數(shù)據(jù)輸入到Excel數(shù)據(jù)表中進(jìn)行處理，得出曲柄旋轉(zhuǎn)一周的懸點(diǎn)速度、加速度曲線，如圖4所示；試驗(yàn)裝置在3種功率下的凈扭矩曲線如圖5所示；試驗(yàn)功率在45kW時(shí)的各扭矩曲線如圖6所示。

3.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果與常規(guī)游梁式抽油機(jī)計(jì)算結(jié)果的對比

為驗(yàn)證該試驗(yàn)裝置是否能較為真實(shí)地模擬抽油機(jī)的現(xiàn)場工況，筆者同樣推導(dǎo)出常規(guī)游梁式抽油機(jī)的扭矩計(jì)算公式，代入尺寸及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，其中曲柄半徑為1.0m，連桿長度為3.2m，游梁后臂長為2.1m，游梁前臂長為3.0m，掛重為92780N，曲柄轉(zhuǎn)速為10r/min，抽油機(jī)計(jì)算功率為45.0W，用此來測試功率為45kW時(shí)的電機(jī)性能。用Excel表格繪出凈扭矩曲線圖如圖7所示。

圖5 試驗(yàn)裝置在3種功率下的凈扭矩曲線 圖6 試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)功率45kW時(shí)的各扭矩曲線

圖7 常規(guī)游梁式抽油機(jī)直接掛載的凈扭矩曲線

比較圖6和圖7可以看出，在測試功率相同時(shí)，試驗(yàn)裝置與常規(guī)抽油機(jī)直接掛載的扭矩特性相近，在一個(gè)曲柄旋轉(zhuǎn)周期中均出現(xiàn)2次最大正扭矩值。不同點(diǎn)在于，試驗(yàn)裝置由于簡化了游梁和驢頭，忽略了滑輪摩擦力、鋼絲繩彎曲和彈性變形，也未考慮抽油桿柱震動(dòng)載荷、井下摩擦力等，計(jì)算出的扭矩相對于實(shí)際抽油機(jī)略微偏小，計(jì)算功率也偏小。

4 結(jié)論

1)采用柔性無游梁試驗(yàn)裝置，其懸點(diǎn)速度、加速度曲線符合抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從試驗(yàn)裝置凈扭矩曲線與常規(guī)游梁式抽油機(jī)直接掛載的曲柄凈扭矩曲線對比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)裝置能較為真實(shí)地模擬抽油機(jī)在采油現(xiàn)場的實(shí)際工況。將其用于測試開關(guān)磁阻電機(jī)節(jié)能特性、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定特性都是可行的。

2)改變掛重、曲柄轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可使測試功率分別達(dá)到30、37、45kW。

3)試驗(yàn)裝置可用于室內(nèi)測試抽油機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的性能，對現(xiàn)場開關(guān)磁阻電機(jī)的使用具有相應(yīng)的指導(dǎo)意義，試驗(yàn)裝置也可用于其他類型電機(jī)的性能測試。

[1]馮子明,張金東,顧慧珊,等.抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)節(jié)能特性的試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械,2013,42(7):55～58.

[2]戴洪森.大慶油田抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)及其應(yīng)用效果分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2013,10(31):98～100.

[3]胡亮,馬海,劉建國. 河南油田抽油機(jī)節(jié)能電機(jī)應(yīng)用效果分析[J].內(nèi)蒙古石油化工,2015,(14):62～63.

[4]母丹.抽油機(jī)節(jié)能改造項(xiàng)目中開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[5]游梁式抽油機(jī)，SY/T 5044-2003[S].

[編輯] 趙宏敏

2016-11-15

湖北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(T200906)。

郭登明(1963-)，男，碩士，教授，現(xiàn)從事石油機(jī)械與設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究工作。

汪隨(1993-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事石油機(jī)械與設(shè)計(jì)方面的研究工作,1846609187@qq.com。

TE933

A

1673-1409(2017)01-0044-04

[引著格式]郭登明，汪隨，胡航行，等.測試抽油機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(1)：44～47.