滾筒式抽油機(jī)加動載荷模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

劉永平，崔潤中，許 杰，廖福林，鄧海青

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050)

隨著油田中后期開采程度的加深，油井含水量逐漸上升，動液面不斷下降，出現(xiàn)水淹井現(xiàn)象。我國油田有許多是稠油井，這要求抽油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)長沖程、低沖次，提高采油率[1]。抽油機(jī)換向裝置的工作方式直接影響著抽油機(jī)的工作效率。在文獻(xiàn)[2]中提出了一種新型非圓齒輪行星輪系換向裝置的滾筒式抽油機(jī)。為了研究該抽油機(jī)的負(fù)載特性，并能在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行抽油機(jī)的載荷模擬試驗(yàn)，有必要設(shè)計(jì)一套能夠加動態(tài)載荷的模擬試驗(yàn)裝置。抽油機(jī)的加載具有特殊性，一方面要按照懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行動態(tài)載荷加載，另一面要克服位移的干擾。關(guān)于抽油機(jī)加載的基本試驗(yàn)方法，國內(nèi)已做過一些研究[3-6]，現(xiàn)有的試驗(yàn)加載方法存在設(shè)備復(fù)雜，以及與實(shí)際抽油過程差異較大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真等不足。為此，設(shè)計(jì)了一套能夠滿足試驗(yàn)要求的加載系統(tǒng)，后期搭建了試驗(yàn)平臺，對換向裝置做了有效的試驗(yàn)測試分析，驗(yàn)證了非圓齒輪行星系統(tǒng)換向裝置可實(shí)現(xiàn)高精度的換向傳動目的，也為后續(xù)抽油機(jī)換向裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)和提高效率提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 抽油機(jī)加載系統(tǒng)

根據(jù)換向裝置和模擬加載系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，以及在低成本的同時保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、調(diào)試及維修簡便的試驗(yàn)要求，并參考文獻(xiàn)[2]的相關(guān)技術(shù)，結(jié)合系統(tǒng)的整體情況對加載方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 抽油機(jī)負(fù)載介紹

抽油機(jī)的抽油過程分為上下兩個沖程，交替進(jìn)行。上沖程時活塞上行，游動閥受油管內(nèi)活塞以上液柱的壓力作用而關(guān)閉，并排出活塞沖程一段液體。由于泵筒內(nèi)壓力下降，固定閥被油套環(huán)形空間內(nèi)液柱壓力頂開，井內(nèi)液體進(jìn)入泵筒內(nèi)，充滿活塞上行所讓出的空間。下沖程時，活塞下行，由于泵筒內(nèi)液柱受壓，壓力增高，而使固定閥關(guān)閉。活塞繼續(xù)下行，泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高，當(dāng)泵筒內(nèi)壓力超過油管內(nèi)液柱壓力時，游動閥被頂開，液體從泵筒內(nèi)經(jīng)空心活塞上行進(jìn)入油管[7]。因此，抽油機(jī)在工作中具有較復(fù)雜的力變化情況，如圖 1 所示。

圖1 抽油泵的工作原理

根據(jù)圖2抽油機(jī)示功圖可以看出，抽油機(jī)加載試驗(yàn)系統(tǒng)主要存在兩個核心要求：①抽油機(jī)加載裝置能按照懸點(diǎn)的位移-力變化規(guī)律對其加載；②在控制加載力的同時，應(yīng)按照抽油機(jī)的運(yùn)動規(guī)律形成示功圖曲線。

圖2 抽油機(jī)正常工作示功圖

1.2 滾筒式抽油機(jī)加載試驗(yàn)系統(tǒng)組成

滾筒式抽油機(jī)是由電機(jī)驅(qū)動，通過新型換向裝置傳動，通過滾筒和天輪引導(dǎo)鋼絲繩牽引抽油桿做上下運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽油過程。該抽油機(jī)采用了非圓行星輪行換向裝置。設(shè)計(jì)的滾筒式抽油機(jī)加動載荷試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。該試驗(yàn)裝置是根據(jù)實(shí)際抽油機(jī)的尺寸，按1∶4的比例縮小而設(shè)計(jì)的。為了模擬油井及其抽油過程中的載荷，設(shè)計(jì)了模擬井筒、法碼和油路系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)可以測取懸點(diǎn)的拉力、位移、速度，得到示功圖。

1—油箱；2—比例溢流閥；3—自重砝碼；4—懸繩器；5—拉力傳感器；6—模擬井筒；7—滾筒；8—桁架；9—天輪；10—鋼絲繩；11—配重；12—電纜；13—電動機(jī)；14—換向及減速裝置；15—轉(zhuǎn)速傳感器。

1.3 模擬井筒加載方案設(shè)計(jì)

在確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性的情況下，盡可能地模擬出實(shí)際抽油情況。本文設(shè)計(jì)了模擬井筒動態(tài)加載方案，如圖4所示。

試驗(yàn)所用滾筒式抽油機(jī)模型是按1∶4比例縮小設(shè)計(jì)的，同樣，該加載方案根據(jù)實(shí)際抽油設(shè)備尺寸，按1∶4的比例縮小。根據(jù)縮小后的比例選取液壓缸做模擬井筒。采用吊掛砝碼的方式增加抽油桿的自重力，實(shí)現(xiàn)抽油過程中的下行程。在懸繩器處安裝拉力傳感器，通過型號為SBT951力值顯示控制儀，將拉力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。在換向裝置的輸出端，采用型號為MK8020G的編碼器，采集輸出軸的轉(zhuǎn)速信號，并實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。通過自編軟件，將負(fù)載的電信號和轉(zhuǎn)速的電信號處理為實(shí)時曲線圖或?qū)崟r數(shù)據(jù)。通過MATLAB和Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到實(shí)時的示功圖。

模擬井筒的油路如圖4。在下行程時，電磁閥打開，單向比例調(diào)速閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)吸油過程；在上行程時，電磁閥關(guān)閉，單向比例調(diào)速閥打開，實(shí)現(xiàn)排油過程。通過控制單向比例調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)對載荷的調(diào)控。

圖4 模擬井筒及油路結(jié)構(gòu)

2 動態(tài)參數(shù)模型及仿真分析

2.1 系統(tǒng)仿真數(shù)學(xué)模型

試驗(yàn)裝置的電機(jī)與齒輪箱輸入軸的傳動比ip=4∶1，齒輪箱輸出軸與滾筒之間的傳動比il=1∶2，滾筒半徑rg=160 mm。包括非圓行星輪換向裝置在內(nèi)的其他參數(shù)見文獻(xiàn)[8]。建立滾筒式抽油機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)學(xué)模型。

輸出角速度ω1：

(1)

式中：ωH為輸入角速度，恒定。

懸點(diǎn)速度v：

v=ip·ωH·rg·il

(2)

換向裝置輸出擺角φ1：

(3)

由式(3)得懸點(diǎn)位移S：

S=φ1·rg·il·ηl

(4)

式中：ηl為鏈輪的傳動效率。

對以上理論數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行處理，可得到理論動態(tài)模型。用SolidWorks軟件對抽油機(jī)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，將換向裝置及加載裝置三維模型導(dǎo)入Adams軟件中，建立滾筒式抽油機(jī)整體虛擬樣機(jī)[9]。根據(jù)滾筒式抽油機(jī)模擬裝置實(shí)際工作狀況和試驗(yàn)設(shè)備，在輸入端添加旋轉(zhuǎn)副。為減小振動對換向裝置工作穩(wěn)定性的影響[8]，此次仿真將虛擬樣機(jī)中轉(zhuǎn)速大小設(shè)為電機(jī)在5 Hz時，換向裝置輸入端的轉(zhuǎn)速為10 (°)/s，仿真時間分別設(shè)置為60 s，計(jì)算步數(shù)設(shè)置為500步。參數(shù)設(shè)置完畢后，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得到該裝置的虛擬仿真運(yùn)動情況。

2.2 仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)束后，在Adams軟件結(jié)果Postprocessor模塊可以查看仿真的計(jì)算結(jié)果，分別得出滾筒式抽油機(jī)換向裝置輸出軸擺角、角速度以及抽油機(jī)加載裝置的懸點(diǎn)位移、懸點(diǎn)速度仿真曲。用MATLAB軟件對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得出懸點(diǎn)運(yùn)動的理論值曲線，并逐個對其進(jìn)行分析。

圖5為換向裝置輸出軸的擺角及其角速度，從圖5a可知，該換向裝置的擺角呈周期性變化，輸出擺角的最大值φmax=49.2°，最小值φmin=-49.2°。

a 輸出軸擺角位移

b 輸出軸角速度

經(jīng)過鏈傳動到滾筒和鋼絲繩，可仿真出抽油機(jī)系統(tǒng)懸點(diǎn)位移和懸點(diǎn)速度曲線，如圖6所示。圖7為懸點(diǎn)位移和懸點(diǎn)速度的理論曲線。從圖6a及圖7a可知，系統(tǒng)仿真出的懸點(diǎn)位移曲線與理論懸點(diǎn)位移曲線一致，抽油行程為430 mm，沖次為1.5 min-1。由圖6b及圖7b可知，懸點(diǎn)速度基本一致。由于齒輪傳動過程中的機(jī)械振動，導(dǎo)致模擬仿真時懸點(diǎn)速度有輕微的波動。由圖6b可知，懸點(diǎn)速度最大為71.26 mm/s。由圖5b曲線所表現(xiàn)的特性可知，該方案運(yùn)動過程中有急回特性，即在工作行程時速度慢，在空行程時速度快。

通過仿真結(jié)果與理論值比較可知，該試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)動方案可行，并且符合實(shí)際抽油機(jī)運(yùn)動情況。

a 懸點(diǎn)位移

b 懸點(diǎn)速度

a 懸點(diǎn)位移

b 懸點(diǎn)速度

3 試驗(yàn)測試與分析

3.1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)所采用的抽油機(jī)模型的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 CYJJH-430型滾筒式抽油機(jī)模型的技術(shù)參數(shù)

采用三相異步電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動，用HXB8000-G3-4T-2.2變頻器和PLC控制對電機(jī)實(shí)施頻率控制。在懸點(diǎn)處安裝拉力感應(yīng)器，通過DY220顯示控制器實(shí)時對拉力信號進(jìn)行信號采集與輸送。將采集的拉力信號傳輸?shù)阶跃幊绦蛑羞M(jìn)行處理，可以得到拉力與時間關(guān)系的變化曲線圖以及實(shí)時數(shù)據(jù)。如圖8為動態(tài)負(fù)載信號采集處理軟件的操作界面。

圖8 動態(tài)負(fù)載信號處理軟件界面

建立好試驗(yàn)平臺，在各監(jiān)測裝置安裝檢查無誤后，啟動電機(jī)并將電機(jī)頻率調(diào)至5 Hz穩(wěn)定工作狀態(tài)，選擇合適的位置作為存儲記錄的特征點(diǎn)，拉力傳感器對懸點(diǎn)載荷進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集存儲，并將存儲信號傳輸至采集卡及信號調(diào)理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。后期將懸點(diǎn)載荷與時間關(guān)系的數(shù)據(jù)同懸點(diǎn)位移與時間關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步擬合處理。

3.2 懸點(diǎn)示功圖

將加載裝置測得的實(shí)時負(fù)載和位移數(shù)據(jù)采用最小二乘擬合處理[10]，得到實(shí)測示功圖，如圖9所示。

圖9 實(shí)測示功圖

將擬合處理后的實(shí)測示功圖與模擬仿真計(jì)算出的示功圖作對比，如圖10所示，可知：實(shí)測結(jié)果與模擬仿真計(jì)算出的懸點(diǎn)示功圖基本符合，基本能反應(yīng)出抽油機(jī)的實(shí)際工作狀況。在設(shè)計(jì)負(fù)載范圍及設(shè)計(jì)沖次內(nèi)，抽油機(jī)在整個抽油工作過程中相對平穩(wěn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)在工作行程時速度慢，空行程時速度快的急回特性，提高了抽油效率，與預(yù)期設(shè)計(jì)該新型抽油機(jī)應(yīng)達(dá)到的抽油效果基本一致，驗(yàn)證了該新型非圓齒輪行星輪系換向裝置能夠應(yīng)用于實(shí)際抽油工作中。

圖10 理論示功圖與實(shí)測示功圖

4 結(jié)論

1) 根據(jù)滾筒式抽油機(jī)的實(shí)際工作原理，設(shè)計(jì)了一套負(fù)載試驗(yàn)裝置，真實(shí)地還原了抽油機(jī)實(shí)際工作的負(fù)載情況。

2) 對提出的新型抽油機(jī)換向裝置和負(fù)載裝置進(jìn)行了建模，并結(jié)合實(shí)際工作參數(shù)對抽油機(jī)模擬裝置做了運(yùn)動仿真，得出實(shí)際條件下機(jī)構(gòu)的擺角、角速度以及懸點(diǎn)位移和懸點(diǎn)速度的變化情況，并做了詳細(xì)分析。

3) 建立了實(shí)際的試驗(yàn)平臺，對整個抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)加載試驗(yàn)。對試驗(yàn)得出的實(shí)測示功圖與預(yù)測計(jì)算出的示功圖進(jìn)行了比對，得出該負(fù)載試驗(yàn)裝置能夠反映抽油機(jī)負(fù)載特性，為抽油機(jī)加載試驗(yàn)提供了一種方便可靠的試驗(yàn)裝置。

4) 通過試驗(yàn)分析得知，非圓行星輪換向裝置能夠應(yīng)用于抽油機(jī)系統(tǒng)中，且可以達(dá)到工作平穩(wěn)和急回特性的目的，提高了抽油效率。