基于Matlab的W7型抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析*

伊 鵬，魏航信，楊 康，呂冰欣

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

抽油機(jī)是最常用的采油設(shè)備,占采油設(shè)備的80%以上,而常規(guī)游梁式抽油機(jī)是全世界石油開(kāi)采的主導(dǎo)機(jī)型,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用等許多優(yōu)點(diǎn),但其能耗高、調(diào)參作業(yè)復(fù)雜繁重、制造成本高等缺點(diǎn)也日益突出[1-2]。因此改進(jìn)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)方法顯得越來(lái)越重要[3]。為了滿足長(zhǎng)慶低滲透油田的地質(zhì)特點(diǎn)，尤小榮等人[2]在W8、W6型常規(guī)復(fù)合平衡抽油機(jī)的基礎(chǔ)上成功研制出CYJW7-2.5-18HF(簡(jiǎn)稱W7)型非標(biāo)抽油機(jī)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用了彎梁變矩平衡與曲柄平衡相結(jié)合的方式，有效地削減峰值扭矩，改善了抽油機(jī)的平衡狀況，降低了能耗、提高了效率[4]?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,該抽油機(jī)在進(jìn)行調(diào)參作業(yè)時(shí)節(jié)省人力,在惡劣工況下的平衡率仍可達(dá)到85%以上,節(jié)電效果顯著,性能價(jià)格比高[5]。

1 機(jī)構(gòu)及原理

1.1 彎游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

彎游梁抽油機(jī)其主要結(jié)構(gòu)在于把游梁后臂制造成彎曲形，并在尾部增加數(shù)量和位置可調(diào)的游梁平衡部分，和曲柄平衡共同構(gòu)成復(fù)合平衡方式，提高平衡效果。通過(guò)加強(qiáng)平衡效果改善受力狀況達(dá)到節(jié)的目的[6]。彎游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)1.懸繩器 2.吊繩 3.驢頭 4.游梁 5.支架 6.游梁靜支撐 7.橫梁 8.連桿 9.尾游梁裝置 10.曲柄銷裝置 11.曲柄裝置12.減速器 13.剎車裝置 14.底座 15.膠帶 16.電動(dòng)機(jī)17.電控箱

1.2 彎游梁式抽油機(jī)性能特點(diǎn)

彎游梁式抽油機(jī)特殊的多組合式游梁和曲柄平衡配置,可以與懸點(diǎn)載荷進(jìn)行較好的平衡,有效地減小輸出凈扭矩的波動(dòng)值,達(dá)到減小動(dòng)力配置、提高效率和降低能耗之目的。此外,可以使抽油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件受力大幅度減小,提高抽油機(jī)的工作可靠性[7]。

2 W7-2.5-18HF抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 抽油機(jī)幾何尺寸分析

圖2為彎游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

圖2 彎游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖中量符號(hào)說(shuō)明：A為游梁前臂長(zhǎng)度；M為游梁支點(diǎn)到彎點(diǎn)長(zhǎng)度；N為游梁彎點(diǎn)到連桿節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度；P為連桿長(zhǎng)度；R為曲柄長(zhǎng)度；I為游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的水平距離；H為游梁支撐中心到底座底部的高度；G為減速器輸出軸到底座底部的高度；J為曲柄銷中心到游梁支撐中心之間的距離；K為極距，即游梁支撐中心到減速器輸出軸的中心距離；χ為C與J的夾角；ρ為K與J的夾角；Ψ為C與K的夾角；Ψb為驢頭在下死點(diǎn)位置的ψ角；Ψt為驢頭在上死點(diǎn)位置的ψ角；β為C與P的夾角，稱為傳動(dòng)角；α為R與P的夾角；θ為曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑R處于6點(diǎn)鐘位置作為零度，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量；λ為游梁彎曲角度；φ為零度線與K的夾角，由零度線到K沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量；D為曲柄旋轉(zhuǎn)方向指數(shù)(規(guī)定以懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)處，曲柄背向支架旋轉(zhuǎn)D=1；曲柄指向支架旋轉(zhuǎn)D=-1。

如圖2，在三角形1中，由反正切定理可得：

在三角形2中，由勾股定理可得：

在三角形3中，由余弦定理及正弦、反正弦定理可分別求得：

在三角形4中，由反余弦定理可得：

在三角形5中，由余弦定理可得：

再由角度幾何關(guān)系可得：

ψ=χ+ρ，α=2π-β-ψ-(θ+φ)

當(dāng)抽油機(jī)驢頭位于下死點(diǎn)位置時(shí)，其幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3 驢頭下死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)圖中R、P、K、C構(gòu)成的三角形應(yīng)用反余弦定理，可得：

同理可得抽油機(jī)驢頭位于上死點(diǎn)時(shí)的，應(yīng)用反余弦定理[8]：

2.2 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)分析

曲柄轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，懸點(diǎn)相對(duì)于下死點(diǎn)位移為：

SA=A(ψb-ψ)

曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度：

式中：n為抽油機(jī)沖次。

由速度瞬心法可以導(dǎo)出懸點(diǎn)速度：

懸點(diǎn)速度對(duì)時(shí)間t的一階導(dǎo)數(shù)即為懸點(diǎn)加速度[8]：

3 Matlab編程仿真

CYJW7-2.5-18HF幾何技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 W7型抽油機(jī)技術(shù)參數(shù)

將上表中A=2.5 m；C=1.3 m；P=3.45 m；I=1.9 m；G=2 m；R=0.609 m；λ=160°；D=1附入Matlab程序中，運(yùn)行仿真后得到圖4。

圖4 曲柄正轉(zhuǎn)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線

將D=-1重新附入程序中，其余參數(shù)不發(fā)生變化，運(yùn)行仿真后如圖5。

圖5 曲柄反轉(zhuǎn)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線

分別將R=0.609 m、0.498 m、0.379 m；N=5 min-1、3.5 min-1、2.5 min-1；D=1，附入程序，其余參數(shù)不變。運(yùn)行仿真如圖6。

4 結(jié) 論

(1) 圖4中，當(dāng)曲柄背向機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)彎游梁抽油機(jī)具有不對(duì)稱性。將圖4、5的位移曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，曲柄背向和面向機(jī)架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，驢頭均處于上死點(diǎn)位置時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度分別為大于和小于180°。在工程中需要抽油機(jī)在上沖程所用時(shí)間較長(zhǎng)，而下沖程時(shí)間較短。因此在W7型抽油機(jī)在油田應(yīng)用時(shí)，應(yīng)讓曲柄背向機(jī)架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2) 參考圖6，發(fā)現(xiàn)當(dāng)W7型抽油機(jī)的曲柄長(zhǎng)度為0.609 m時(shí)，抽油機(jī)沖程為最大2.5 m，但加速度曲線在驢頭處于上死點(diǎn)位置時(shí)存在突變。

圖6 不同技術(shù)參數(shù)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線

此過(guò)程中驢頭懸點(diǎn)與抽油桿柱均存在剛性沖擊，不利于抽油機(jī)的作業(yè)。而抽油機(jī)的曲柄長(zhǎng)度為0.498 m和0.379 m時(shí)，加速度曲線比較光滑，此時(shí)抽油機(jī)對(duì)應(yīng)的沖程分別為2 m和1.5 m。因此本W(wǎng)7型抽油機(jī)適應(yīng)在小沖程，供液能力不足的井場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。

[1] 鄔亦炯,劉卓鈞,趙貴祥,等.抽油機(jī)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[2] 張曉東,賈國(guó)超.關(guān)于我國(guó)抽油機(jī)發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(1):24-27.

[3] 楊 霞.基于Pro/E抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真模擬[J].現(xiàn)代機(jī)械,2011(3):57-58.

[4] 尤小榮,王麗珺,樊 勇,等.CYJW7-2.5-18HF彎梁變矩抽油機(jī)的研制[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2010,25(5):58-59.

[5] 章 敬,李 偉,李紹奇,等.CYJ5-1.8-18HY型整體彎游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008(9):82-85.

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