一種無游梁液壓抽油機的仿真與實驗研究

陳靖超　袁銳波　劉永亮

摘要： 設(shè)計了一種無游梁式液壓抽油機的原理并研究其工作平衡方法，建立了AMESim仿真模型，分析了回路和蓄能器在系統(tǒng)中的作用，通過仿真與實驗結(jié)合的方式證明設(shè)計的無游梁式液壓抽油機平衡方式的準確性。

Abstract： The principle of a beamless hydraulic pumping unit is designed and the working balance method is studied. The AMESim simulation model is established， the function of circuit and accumulator in the system is analyzed， and the accuracy of the beamless hydraulic pumping unit balance is proved by combination of simulation and experiment.

關(guān)鍵詞： 液壓抽油機；平衡度；AMESim

Key words： hydraulic pumping unit；balance degree；AMESim

中圖分類號：TE933 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0126-04

0 引言

無游梁式液壓抽油機具有沖程、沖次可以無級調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等特點，所以液壓抽油機越來越多地被應(yīng)用在了石油開采中。

本文建立了無游梁式液壓抽油機的AMESim仿真模型，對液壓系統(tǒng)進行研究，并通過現(xiàn)場的實驗研究分析了液壓抽油機的平衡性。

1 無游梁式液壓抽油機的工作原理

1.1 無游梁式液壓抽油機的結(jié)構(gòu)

圖1表示無梁式液壓抽油機的結(jié)構(gòu)簡圖。該液壓抽油機液壓系統(tǒng)組成部分包括液壓管道、液壓閥、集成塊、液壓泵、油箱、異步電機、蓄能器等，機械結(jié)構(gòu)主要包括爬梯、復(fù)合液壓缸、光桿連接器、支架、底座等。

1.2 液壓抽油機的工作原理

抽油機是由異步電機驅(qū)動液壓泵把電能轉(zhuǎn)化為液壓能，由液壓閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)所需的壓力和流量以及執(zhí)行機構(gòu)復(fù)合液壓缸的速度和輸出力，帶動抽油桿上下往復(fù)運動。

2 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖2所示為本文所研究的液壓抽油機主要由以下幾個回路組成。

圖2中各數(shù)字代表構(gòu)件含義如表1所示。

2.1 換向回路

下行程中，換向閥10在右位工作。此時液壓泵2輸出的高壓油經(jīng)過液控單向閥8流入復(fù)合液壓缸的19.3腔，19.2腔的液壓油經(jīng)過液控單向閥9流回油箱。由于19.3腔液壓油壓力高于19.2腔，上行程時高壓油經(jīng)過液控單向閥9流入復(fù)合液壓缸的19.2腔，19.3腔的低壓油經(jīng)過液控單向閥8流回油箱。

2.2 平衡回路

下沖程時液壓缸19.4腔中的液壓油進入蓄能器7，蓄能器7吸收存儲抽油桿下降時的重力勢能和液壓泵所做的功，由于有初始壓力，可以平衡液壓缸19.3負載腔的壓力。上行程時，蓄能器7釋放存儲的能量，與19.2負載腔的壓力一起克服抽油桿與油液的重量，推動液壓缸上行。在一個周期中，蓄能器7能存儲能量起到平衡的作用，并在上行程時充當輔助動力的作用。

2.3 補油回路

當抽油機運行到上下死點的瞬間，高壓油通過順序閥15向蓄能器14充液。上沖程時，換向閥11換向，與主油路相通，蓄能器14向主油路供油。抽油機上行速度大于下行速度，充滿系數(shù)增大，效率提高。當主油路有壓力波動時，補油回路也能吸收沖擊。

3 負載平衡計算

3.1 液壓缸的力平衡方程

液壓缸受力示意圖如圖3所示，現(xiàn)定義如下參數(shù)：

圖3中各參數(shù)代表含義如表2所示。

上沖程時，懸點載荷最大為FM，此時液壓缸的力平衡方程式為：F+FL=FM（1）

下沖程時，懸點載荷最小為Fm，此時液壓缸的力平衡方程式為：F-FL=Fm （2）

3.2 蓄能器狀態(tài)方程

本論文研究的液壓抽油機液壓系統(tǒng)中使用皮囊式蓄能器，其理想氣體狀態(tài)方程為[1]：

由于蓄能器一次充放液的時間小于1分鐘，時間較短，因此能夠看為是絕熱過程，故上式中的多變指數(shù)取n=1.4，此外，為提高蓄能器的利用率，可以令P0=0.9P1。

3.3 系統(tǒng)計算[2][3]

現(xiàn)已知抽油機的最大沖程和最大沖次分別為3m和6次/min，抽油機的懸點最小載荷為30kN，懸點最大載荷為100kN，并且綜合上式從而得到以下參數(shù)。

4 整個液壓系統(tǒng)在AMESIM中的建模[4]

模型的搭建。如圖4所示為整個液壓系統(tǒng)的AMESim模型。

參數(shù)設(shè)置。根據(jù)上文分析，液壓抽油機上行程負載為100kN，上行程為30kN。液壓系統(tǒng)的仿真時間設(shè)置為60s，采樣間隔設(shè)置為0.01s。

仿真結(jié)果與分析：

4.1 平衡回路蓄能器的工作狀態(tài)

由圖5可知，在下行程時，液壓缸下腔的高壓油流入蓄能器，上沖程時蓄能器中的液壓油又流入液壓缸的下腔，如圖所示，下沖程中蓄能器的流量只是在換向的瞬間有輕微的波動，但不影響液壓缸的穩(wěn)定性。

4.2 補油回路工作狀態(tài)

圖6中1端口為在上下行程中進入到補油回路中蓄能器的流量曲線。從圖中可以看出在抽油機的上下死點時，高壓油會流入蓄能器進行能量存儲并進行緩沖。

4.3 平衡回路蓄能器充氣壓力對平衡度的影響

如圖7和圖8所示仿真結(jié)果：隨著蓄能器充氣壓力的增大，抽油機上行時的負載壓力增大，抽油機下行時的負載壓力減小。經(jīng)過對圖像計算，當蓄能器的充氣壓力為135bar時，抽油機的平衡度達到最大值0.998，并且高于理論計算值0.972。endprint

5 現(xiàn)場試驗研究

在實驗現(xiàn)場根據(jù)一系列國家標準進行施工[5-8]，根據(jù)現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)，繪制出液壓抽油機一個周期的拉力曲線如圖9所示。

拉力曲線可以看出，液壓抽油機在換向的時候有細微的振動，與仿真結(jié)果相似，但不影響該機的運行和性能，該機在工作時基本勻速，運行平穩(wěn)，達到了設(shè)計要求。

由圖10分析得出上下行程負載對時間的積分，求出平衡度達到0.933。相比常規(guī)游梁式抽油機具有很大提升。

6 總結(jié)

①設(shè)計了一種液壓抽油機平衡的基本方法，經(jīng)過計算負載平衡度為0.972。比傳統(tǒng)抽油機有了很大的提高。②為了提高蓄能器利用率令蓄能器最佳充氣壓力為P0=0.9P1。③液壓系統(tǒng)的仿真的結(jié)果和數(shù)值分析的結(jié)果總體一致。為新型抽油機的設(shè)計提供了理論依據(jù)。④通過分析仿真結(jié)果得出結(jié)果與計算結(jié)果基本一致，在抽油機換向瞬間會有輕微的震動。⑤通過現(xiàn)場實驗研究得到本文研究的液壓抽油機平衡度為0.933，具有很高的平衡度。

參考文獻：

[1]Jyrki T. Kajaste，Heikki O. J. Kauranne，Asko U. Ellman，Matti T. Pietola.The Effect of Parameter Uncertainty on the Reliability of Pressure Accumulator Simulations. ASME Conf. Proc. 2002. 2002.

[2]劉長年.ASC液壓抽油機全局參數(shù)的匹配方法[J].石油礦場機械，2003（2）：25-27.

[3]鄔亦炯.抽油機[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994：101-107.

[4]付永領(lǐng)，祁曉野AMEsim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[5]阿里木漢.抽油機發(fā)展趨勢研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2011（09）.

[6]GB/T3766-2001，液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].

[7]方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].鉆采工藝，2011（02）.

[8]Q/YNX 002—2014，無梁式液壓抽油機[S].endprint