新型擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

任 濤，南振江，孫 文

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

0 引言

目前我國油田的地面采油設(shè)備主要采用游梁式抽油機(jī)，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、操作維護(hù)方便以及在惡劣的自然環(huán)境中能夠長期可靠安全運(yùn)行等特點(diǎn)，使其在油田開采中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于該抽油機(jī)載荷不均勻系數(shù)CLF偏大，使得曲柄軸上的凈扭矩峰值過大、波動(dòng)過大，同時(shí)能耗也隨之變大[1]。

目前游梁式抽油機(jī)主要存在以下三方面問題：①載荷波動(dòng)性偏大；②電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率過高；③抽油機(jī)能耗偏大。

為了解決游梁式抽油機(jī)存在的問題，近幾年來人們對游梁式抽油機(jī)進(jìn)行了很多的技術(shù)改造研究，開發(fā)了雙驢頭式抽油機(jī)、下偏杠鈴式抽油機(jī)和彎游梁式抽油機(jī)等節(jié)能型抽油機(jī)[2]，這些抽油機(jī)在減小載荷不均勻性、減小電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率和降低能耗方面確實(shí)取得了一定的成果，但仍然有很大的提升空間。影響能耗高低的主要因素之一為抽油機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，開發(fā)一種最適合抽油機(jī)抽油工況的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅能降低抽油機(jī)的能耗，而且還能最大限度地降低載荷的波動(dòng)性，這樣，電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率就會(huì)隨之大大降低，電動(dòng)機(jī)的工作效率也會(huì)隨之提高。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)就是符合抽油機(jī)抽油工況要求的較佳傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之一[3]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

圖1為擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，為了最大化地節(jié)約制造成本和適應(yīng)抽油機(jī)的工作環(huán)境，底座和前后支架采用角鋼焊接而成，導(dǎo)軌采用標(biāo)準(zhǔn)的火車導(dǎo)軌上下拼裝而成。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由曲柄、滑塊、擺動(dòng)導(dǎo)桿和機(jī)架構(gòu)成。曲柄上鉸接有滑塊，導(dǎo)桿上安裝有可供滑塊滾動(dòng)的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌是滾動(dòng)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的一端鉸接在機(jī)架上，另一端和驢頭連接。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鉸接在曲柄上的滑塊在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)軌以機(jī)架為支點(diǎn)做上下擺動(dòng)，導(dǎo)桿前端連接的驢頭帶動(dòng)鋼繩、繩桿連接器和抽油桿做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1-底座;2-后支架;3-后橫梁;4-擺動(dòng)導(dǎo)桿;5-曲柄; 6-曲柄平衡重;7-減速器;8-前橫梁;9-驢頭;10-鋼繩; 11-繩桿連接器;12-抽油桿;13-前支架；14-電動(dòng)機(jī)； 15-傳動(dòng)帶

2 抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是指在不考慮力作用的前提下，分別對機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度變化進(jìn)行分析，以確定所得的數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要包括懸點(diǎn)的位移、速度和加速度分析。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

新型擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)用解析法對擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，就可求出導(dǎo)桿的位移、速度和加速度。圖2為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。曲柄AB為主動(dòng)件，長度為l1，以一定的角速度ω1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；導(dǎo)桿BC為從動(dòng)件，由滑塊將曲柄、導(dǎo)桿相連接?；瑝K在導(dǎo)桿上的位置距C點(diǎn)距離為S，曲柄和導(dǎo)桿角位移分別為φ1、φ2。曲柄旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A與導(dǎo)桿擺動(dòng)中心點(diǎn)C之間的距離為e，且滿足e

根據(jù)圖2，將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)看成封閉的矢量三角形，由封閉多邊形ABC可寫出機(jī)構(gòu)各桿所構(gòu)成的封閉矢量方程式：

CA+AB=CB.

(1)

曲柄角位移方程：

φ1=ω1t.

(2)

B點(diǎn)的坐標(biāo)：

(3)

將矢量方程投影到x軸和y軸上，得：

l1cosφ1=Scosφ2.

(4)

e+l1sinφ1=Ssinφ2.

(5)

由式(4)、式(5)可得B點(diǎn)相對于C點(diǎn)的位移S及導(dǎo)桿的角位移φ2分別為：

(6)

(7)

將式(7)對時(shí)間t求導(dǎo)即可得到擺動(dòng)導(dǎo)桿的角速度表達(dá)式為：

(8)

式(8)為擺動(dòng)導(dǎo)桿BC角速度函數(shù)ω2的表達(dá)式。

將式(8)關(guān)于時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)，即可求得導(dǎo)桿的角加速度為：

(9)

式(9)為擺動(dòng)導(dǎo)桿BC角加速度函數(shù)的表達(dá)式。

2.2 位移、速度及加速度曲線

MATLAB采用了交互式程序設(shè)計(jì)語言編輯模式，用戶在命令窗口內(nèi)輸入需要執(zhí)行的命令語句，即可獲得計(jì)算結(jié)果。MATLAB通過建立M文件的方式實(shí)現(xiàn)程序方式工作[4]。在M文件中將以上公式進(jìn)行編輯，寫成程序，即可得到擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度曲線。

3 ADAMS軟件仿真分析

ADAMS軟件是以多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論為基礎(chǔ)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件,可以構(gòu)建復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī),真實(shí)地仿真其運(yùn)動(dòng)過程[5]。因此，本文將采用ADAMS軟件對特定的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究，以期獲得該機(jī)構(gòu)的位置、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)[6]。ADAMS 的三維建模能力較弱，因此運(yùn)用Pro/E軟件建立擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)的三維實(shí)體模型，然后再導(dǎo)入到ADAMS 軟件中進(jìn)行分析。

圖2擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)圖3懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖像

數(shù)學(xué)模型

首先建立零件之間的相互關(guān)系，支架固定在地面上，導(dǎo)軌與支架之間、曲柄與減速器之間、滾輪與曲柄之間都為旋轉(zhuǎn)副連接，滾輪與導(dǎo)軌之間為移動(dòng)副連接，設(shè)置減速器輸出軸的角速度為36°/s，仿真步數(shù)設(shè)置為360。最后進(jìn)行仿真分析，得到懸點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線，如圖4所示。

圖4 仿真得到的懸點(diǎn)位移、速度和加速度

對比圖3與圖4懸點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線，可以看出懸點(diǎn)的位移、速度和加速度曲線變化規(guī)律完全一致，說明所設(shè)計(jì)的擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)符合設(shè)計(jì)要求。

4 擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)與常規(guī)抽油機(jī)的對比分析

圖5為相同沖程、沖次的情況下，常規(guī)型抽油機(jī)與擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度曲線對比圖。

懸點(diǎn)加速度決定了慣性載荷的大小，加速度越小，懸點(diǎn)的動(dòng)力性能就越好。從圖6我們可以看出：①擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)初始加速度小于常規(guī)型抽油機(jī)的加速度，說明在初始階段，擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油桿受到的慣性載荷小于常規(guī)型抽油桿受到的慣性載荷，根據(jù)采油工程原理，上行程時(shí)加速度過大會(huì)導(dǎo)致泵汲效果的降低，因此，擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)具有比常規(guī)型抽油機(jī)較好的泵汲效果；②擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)加速度在上下沖程中更加平緩，滿足動(dòng)載荷逐漸增加或減小的原則，更有利于抽油機(jī)的工作。

圖5 兩種抽油機(jī)加速度對比圖

5 結(jié)束語

(1) 運(yùn)用Pro/E軟件強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)能力進(jìn)行擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用解析法建立擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，求解導(dǎo)桿的位移、速度和加速度并借助MATLAB軟件繪制其曲線。

(2) 將Pro/E軟件繪制的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行仿真分析，測得驢頭上懸繩器的位移、速度和加速度曲線，對比仿真曲線與理論計(jì)算的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線，結(jié)果表明二者完全一致。

(3) 對比擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)和常規(guī)型抽油機(jī)加速度曲線，結(jié)果表明：擺動(dòng)導(dǎo)桿式抽油機(jī)加速度更小、曲線更平緩，更符合采油泵汲理論和抽油機(jī)設(shè)計(jì)要求，能更進(jìn)一步地降低抽油機(jī)的能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

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