维普资htp:w. http://www.cqvip.com 62 钻采工艺 2003年 钻采机 调径变矩型节能抽油机工作性能仿真研究* 刘富1,刘清友2,王海兰2 (1新疆采油工艺研究院2西南石油学院) 摘要:介绍新型调径变矩节能型抽油机的结构特点和工作原理,建立了该抽油机的几何学、运动学模型及 工作性能仿真模型,在此基础上开发了调径变矩型抽油机的工作性能仿真软件,从而实现了对该抽油机运动规律、 曲柄轴输出扭矩和抽油机平衡效果等工作性能的仿真分析计。弄清了该抽油机的工作原理和节能机理,为进 步实现对该抽油机的结构优化合理配置抽油机、提高抽油系统工作效率和开发新型高性能抽油机提供了理论依 据和科学方法。 关键词:调径变矩;节能抽油机;模型建立;仿真研究 中分类号:TE8331文献标识码:A文章编号:1006-768X(2003)01-062-03 目前,我国各大油田机械采油系统的能耗费用速箱运动时,四杆机构开始工作。不同时刻,悬点载 已经成为影响采油成本的主要因素之一抽油机作荷不同,作用到减速箱曲柄轴上的扭矩不同,由于曲 为整个抽油系统的重要设备之一,提高其工作效率柄转角变化时,游梁转角也不断变化,导致平衡配重 降低能耗对整个抽油系统效率的提高和油田开发成箱的平衡半径也随之改变,游梁平衡重作用到曲柄 本的降低有着举足轻重的作用,因此,世界各国都在上的扭矩随转角改变而改变,适时地改变了作用在 开展节能抽油机的方面的研究和新产品开发工作。曲柄轴上的扭矩,从而使抽油机处于最佳动态平衡 调径变矩型节能抽油机是我国自行研制并具有效果。另一方面,调节游梁后臂与吊臂的夹角,可以 自主知识产权的新型节能抽油机,该抽油机具有低增大或减小游梁平衡半径的变化范围,更好地适应 成本采购低成本改造、低费用运行低强度操作、高油井生产情况,实现良好的动态平衡。 效能产出的四低一高特点,比现有游梁式抽油机吨 油耗电、年维护费分别下降30%、66%,使用1台该 节能抽油机,年节约资金可达4.6万元。该机采用 调径变矩装置和调冲程自锁机构等技术,动态平衡 率达90%以上,运动特性良好,可靠性高,操作过程 简便、安全,可有效提高泵效和使用寿命。由于该抽 油机经济与社会效益显著,技术处于国内领先水平, 12 已经广泛地应用于国内油田。 调径变矩型抽油机 结构特点及工作原理 调径变矩型抽油机的结构特点是在普通游梁式1驴头;2游梁3连杆横4支架5游梁支承;6吊臂;7围栏8底 抽油机的基础上采用特殊的调径装置,即在游梁后座;9电动机;10减速器;11曲柄;12工作平台;13连杆:14悬绳器 臂末端增加一吊臂装置,吊臂与游梁后臂用销连接,调径变矩型抽油机模型的建立及分析 其夹角可调,因而称之为调径变矩型抽油机,结构如 图1所示。吊臂末端设有配重箱,通过增减配重块, 由图2可见,该抽油机实质上就是在游梁式抽 使抽油机达到良好的平衡效果。增减平衡配重块操油机基础上改造而成的,根据游梁式抽油机几何模 作简单方便,节省了大量人力、物力。当电机带动减型的建立方法,建立了该抽油机几何模型,假设曲柄 中国石油天然气集团公司资助项目(项目编号2000621-3) 收稿日期:2002-08-29;修回日期:2002-12-05 作者简介:刘富教授级高级工程师现任新疆采油工艺研究院院长,西南石油学院在读博士,长期从事石油开采、工艺、装备、技术及管理 工作。地址:(63700)四川南充西南石油学院机电工程学院
· 62 · 钻 采 工 艺 2003正 调 径变矩型节能抽油机 工作性能仿真研 究* 刘 富 ，刘清友2，王海兰2 (1新疆采油工艺研究院 2西南石油学院) 摘 要 ：介绍 新型调径变 矩节能型抽油 机的结构 特点 和工 作原 理 ，建立 了该抽 油 机 的几何学 、运动 学模 型及 工作性 能仿真模 型 ，在此基 础上开发 了调径变矩型抽 油机的工作性 能仿真软件 ，从 而实 现 了对 该抽 油机运 动规律 、 曲柄轴输出扭矩和抽油机平衡效果等工作性能的仿真分析计算。弄清了该抽油机的工作原理和节能机理 ，为进一 步实现 对该抽油机 的结构优化 、合理配 置抽 油机 、提高抽 油 系统工 作效 率 和开发新 型 高性 能抽 油机提 供 了理论 依 据和科 学方法 。 关 键词 ：调径 变矩 ；节 能抽油机 ；模型建 立 ；仿 真研 究 中图分类号 ：TE833．1 文献标识码 ：A 文章 编号 ：1006—768X(2003)01—062—03 目前 ，我 国各大油 田机械采油 系统 的能耗 费用 已经成 为影响采油成本的主要 因素之一。抽油机作 为整个抽油系统的重要设备之一 ，提高其工作效率 、 降低能耗对整个抽油系统效率 的提高和油田开发成 本的降低有着举足轻重的作用 ，因此 ，世界各 国都在 开展节能抽油机的方面的研究和新产品开发工作 。 调径变矩型节能抽油机是我国 自行研制并具有 自主知识产权的新 型节能抽油机 ，该抽 油机具有低 成本采购 、低成本改造 、低费用运行 、低强度操作 、高 效能产出的四低 一高特点 ，比现有游 梁式 抽油机吨 油耗电 、年维护费分别下降 30％、66％，使 用 1台该 节能抽油机 ，年节 约资金可达 4．6万元 。该机采用 调径变矩装置和调 冲程 自锁机构等技术 ，动态平衡 率达 90％以上 ，运动特性 良好 ，可靠性高 ，操作过程 简便 、安全 ，可有效提高泵效和使用寿命。由于该抽 油机经济与社会效益显著 ，技术处于国内领先水平 ， 已经广泛地应用于国内油 田。 调径变矩 型抽 油机 结构 特点及 工作原理 调径变矩型抽油机的结构特点是在普通游梁式 抽油机的基础上采用 特殊的调径装置 ，即在游 梁后 臂末端增加一吊臂装置 ，吊臂与游梁后臂用销连接 ， 其 夹角可调 ，因而称之为调径变矩型抽油机 ，结构如 图 1所示。吊臂末端设有配重箱，通过增减配重块， 使抽油机达到 良好的平衡效果 。增减平衡配重块操 作简单方便 ，节省了大量人力 、物力 。当电机带动减 速箱运动时 ，四杆机构开始工作。不同时刻 ，悬点载 荷不同 ，作用到减速箱曲柄轴上的扭矩不 同，由于曲 柄转角变化时 ，游梁转角也不断变化 ，导致平衡配重 箱 的平衡半径也随之改变 ，游梁平衡重作用到曲柄 上的扭矩随转角改变而改变 ，适 时地改变 了作用在 曲柄轴上的扭矩 ，从而使抽 油机处 于最佳动态平衡 效果。另一方面 ，调节游梁后臂与 吊臂的夹角 ，可 以 增大或减小游梁平衡 半径的变化范 围，更好地适应 油井生产情况 ，实现 良好的动态平衡 。 图 1 调径变矩型抽 油机结构示 意图 1驴头 ；2游梁 ；3连杆横梁 ；4支架 ；5游梁支 承 ；6吊臂 ；7围栏 ；8底 座 ；9电动机 ；10减速器 ；11曲柄 ；12工作平 台；13连杆 ；14悬绳器 调径变矩型抽油机模型的建立及分析 由图 2可见 ，该抽油机 实质上就是在游梁式抽 油机基础上改造而成 的，根据游梁式抽油机几何模 型的建立方法 ，建立 了该抽油机几何模型 ，假设曲柄 - g-中国石 油天然 气集团公 司资助项 目(项 目编号 2000621—3) 收稿 日期 ：2O02—08—29；修 回日期 ：2002—12—05 作者简介 ：刘富 ，教授级高级 工程师 ，现任新疆采油工艺研究 院院长 ，西南石 油学院在读博士 ，长期从事石 油开采 、工艺 、装备 、技术及 管理 工作 。地址 ：(637001)~llJl南充西南石 油学院机电工程学院。 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯http://www.cavip.com 第26卷第1期 钻采工艺 顺时针旋转,则有{ 似于原游梁抽油机扭矩的计算方法建立了调径变矩 型抽油机扭矩计算模型: M=TF[P-(Q, +B)cos0:+ 2Q,] 其中TF、K由如下公式计算得到 Te=V-A R Sing K=L 式中:7=7-2-6);y=amc(+L2-L2 调径变矩型抽油机平衡分析 调径变矩型抽油机属于典型的游梁平衡方式 图2调径变矩型抽油机几何模型简图 与常规抽油机不同的是,游梁平衡的平衡半径是随 0=T-arctg( I/Hg) 8, 0+日 着曲柄转角的改变而变化。根据3种平衡准则,建 KRcos(2-81) 立平衡分析模型 C1+P2-RA C12+严2-P2 2C,P)x=arccos( (1)上、下冲程内电动机在曲柄轴处的平均输出 (-0)) 功率相等M0=2“Md0 C12+K2-(P-R)2 Y6=arccos( (2)上、下冲程内的净扭矩最大值相等 M M C12+K2-(P+R)2 2C,K (3)曲柄轴的均方根扭矩最小 a=(B+y)-(0-6) Mda= M 1.悬点位移计算 以光杆处在最低位置时(即下死点)作为抽油机 由3种平衡分析模型,建立计算最佳游梁平衡 运动的起始点,此时曲柄旋转角度为零 重的模型,实现抽油机平衡的仿真计算。在相同的 游梁摆动角位移为δ,最大角位移称为游梁摆载荷规律下,3种平衡准则得出的结果不完全相同。 角δ:8;=y-b,B=y1- 评判3种平衡效果的好坏需要综合峰值扭矩、负值 悬点位移:S1=2(A+C1)·sin(8;/2) 扭矩和均方根扭矩参数。影响减速箱寿命的因素是 悬点最大位移:S=2(A+C1)·sin(δ/2) 输出轴的峰值扭矩和负扭矩,影响电动机功率的因 2.悬点速度计算 素是均方根扭矩。峰值扭矩越小,减速箱的工作条 利用速度瞬心法可得,游梁摆动的角速度 件越好,而负扭矩越大(指绝对值),减速箱工作条件 WB=Rosina( C1 sinp) 更恶劣,对于电机,均方根扭矩越小,消耗的电机功 悬点速度v=Aab= ROsina/(C1sin 率也越小,从而达到节能的目的。对于调径变矩型 3.悬点加速度计算 抽油机,平衡准则3的均方根扭矩最小,电机消耗功 游梁摆动的角加速度ε6可以由角速度ωb对时率最小,节能效果显著。同时,峰值扭矩最小,负扭 间t求导得到。 矩值也较小,因而是最佳的平衡方案,在此平衡方案 R 下计算出的游梁平衡重是最佳的游梁平衡重。 sinBcosasiny-c sina cospsin e (sinp) 调径变矩型抽油机工作性能 悬点加速度为:a=Aeb 仿真程序设计及实例分析 抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算模型 1.仿真思路 本设计的仿真思路是首先建立该节能抽油机的 抽油机曲柄轴扭矩是指抽油杋在减速器输岀轴几何学、运动学、力学模型,再建立仿真模型,编制仿 上实际产生的扭矩。其大小和悬点载荷冲程长度、真软件,求解得到最优结果。即当悬点载荷变化,电 抽油机结构参数及抽油机的平衡效果有关。由于采动机带动减速器曲柄,从而带动四连杆机构工作时, 用调径变矩装置实现对抽油机的平衡,因此,采用类描述悬点运动规律以及减速箱曲柄扭矩变化,确定
第 26卷 第 1期 钻 采 工 艺 ·63 · 顺时针旋转 ，则有[] ．2 ， j p l＼ ／ ． I 图 2 调 径 变 矩 型 抽 油 机 J"Lfq模 型 衙 图 = 一arctg(I／Hg) Ok=2 一 +0 ‘，：、 ~=arecOS( ) 喇 os( ) lD= sin( sin( 一 ：… 。( ) ： —lD X／ft=arecOSc 口=(口+， )一( 一 ) 1．悬点位移计算 以光杆处在最低位置时(即下死点)作为抽油机 运动 的起始点 ，此时曲柄旋转角度为零 。 游梁摆动角位移为 ，最大 角位移称 为游梁摆 角 ： =， 一 ， = 一 悬点位移 ：S 2(A+C1)·sin( ／2) 悬点最大位移 ：s=2(A+c)·sin(艿／2) 2．悬点速度计算 利用速度瞬心法可得 ，游梁摆动的角速度 COb=R~osina／(C1sinf1) 悬点速度 V= 6：ARmsina／(C1sinf1) 3．悬点加速度计算 游梁摆动的角加速度 ￡6可以 由角速度 036对 时 间 t求导得到。 ×K ， n卢cos 一 sinacosflsi E6 — — — — 。 — 一 悬点加速度为 ：02= 抽油机减速箱 曲柄轴扭矩计算模型 抽油机曲柄轴扭矩是指抽油机在减速器输出轴 上实际产生的扭矩 。其大小和悬点载荷 、冲程长度 、 抽油机结构参数及抽油机的平衡效果有关。由于采 用调径变矩装置实现对抽油机的平衡 ，因此 ，采用类 似于原游梁抽油机扭矩的计算方法建立 了调径变矩 型抽油机扭矩计算模型 ： l， l， 2 = TF[P一(Qy+)cos8+等Qy詈] 其 中 、 由如下公式计算得到： Tr- V = ： Ltcos 式中：】7： 萼 )；y：眦。∞( ) 调径变矩 型抽油机 平衡 分析 调径变矩型抽油机属于典 型的游梁平衡方式 ， 与常规抽油机不 同的是 ，游梁平衡 的平衡半径是随 着 曲柄转角的改变而变化 。根据 3种平衡准则 ，建 立平衡分析模型 ： (1)上 、下冲程内电动机在 曲柄轴处的平均输 出 · r疗 1 r疗 +2 功率相等 1j口2M1dO= j口 M2dO (2)上 、下冲程 内的净扭矩最大值相等 1 = a】c2 (3)曲柄轴的均方根扭矩最小 r2re l MdO= mi 由 3种平衡分析模型 ，建立计算 最佳游 梁平衡 重的模型 ，实现抽油机平衡 的仿真计算 。在相 同的 载荷规律下 ，3种平衡准则得 出的结果不完全相同。 评判 3种平衡效果 的好坏需要综合峰值 扭矩 、负值 扭矩和均方根扭矩参数 。影响减速箱寿命 的因素是 输出轴 的峰值扭矩和负扭矩 ，影响电动机功率的因 素是均方根扭矩 。峰值扭矩越小 ，减速箱的工作条 件越好 ，而负扭矩越大(指绝对值)，减速箱工作条件 更恶劣 ，对于电机 ，均方根扭矩越小 ，消耗的电机功 率也越小 ，从而达到节能 的 目的。对于调径变矩 型 抽油机 ，平衡准则 3的均方根扭矩最小 ，电机消耗功 率最小 ，节能效果显著 。同时 ，峰值扭矩最小 ，负扭 矩值也较小 ，因而是最佳 的平衡方案 ，在此平衡方案 下计算出的游梁平衡重是最佳的游梁平衡重。 调 径变矩型抽 油机工作性 能 仿真程序设计 及实例分析 1．仿真思路 本设计的仿真思路是首先建立该节能抽油机的 几何学 、运动学 、力学模型 ，再建立仿真模 型，编制仿 真软件 ，求解得到最优结果。即当悬点载荷变化 ，电 动机带动减速器曲柄 ，从而带动四连杆机构工作时 ， 描述悬点运动规律 以及减速箱 曲柄扭矩变化 ，确定 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯htp/ww. cqvip. om 钻采工艺 年 最佳平衡方案,使抽油机更高效地工作。 析,结果如下 2.仿真实例 变矩型抽油机部分参数悬点最大负荷:80kN 以CYJQ10-5-48HY调径变矩型抽油机和结构不平衡重:1kN;配重箱质量:1462kg;单个平 CY10-3-37HB普通游梁式抽油机为例,在悬点承衡块质量:25kg;平衡块个数:50;冲数:9次/min 受相同载荷、相同冲次的情况下,进行仿真对比分 矩变矩型 图3悬点运动规律曲线(位移、速度、加速度) 调径变矩 图4减速箱曲柄轴扭矩曲线(平衡与非平衡) 调径变矩型 图5最佳平衡扭矩 仿真结果分析及结论 大改善了减速箱工作条件,延长了其使用寿命。电 机消耗的功率也大大降低,就此型抽油机而言,比普 对调径变矩型抽油机和普通型游梁式抽油机仿通型节约能耗约40%,证明了调径变矩型抽油机是 真结果进行对比分析图3中调径变矩型抽油机悬种性能优越的节能型抽油机。 点运动规律曲线较之普通型更平缓,最大速度与加 调径变矩型抽油机整体性能优越,节能明显,操 速度都比普通型小,这说明在相同的悬点载荷和冲作维护方便,有良好的推广应用价值和市场潜力。 次下,调径变矩型抽油机承受的冲击要小,这有利于 延长抽油机的使用寿命;图4中,在给定的平衡情况 参考文献 下,调径变矩型抽油机减速箱曲柄轴最大最小扭矩[1]邬亦炯刘卓均等抽油机石油工业出版社,194年 分别为3967、-34.08kN·m,而普通型为70.79 3月 54.52kN·m,减速箱工作条件明显优于普通型抽2]董世民张士军抽油机设计计算与计算机实现石油 油机;在图5中,调径变矩型抽油机在平衡准则3下 工业出版社,1994年5月 达到最佳平衡,即电机消耗功率最小而普通型在准3)刘洪智郭东异型游梁式抽油机石油工业出版社, 则2时达到最佳平衡。最佳平衡时,调径变矩型抽 1997年2月 油机曲柄轴扭矩最大值为27.09kNm,负扭矩为 [4]郑卫东,等抽油机运转过程的计算机仿真及应用新 疆石油学院学报,2000年1月 1805kN·m,均方根扭矩为15.53kNm,而普通型3[s]孙晓斌肖人斌变参数四杆机构的设计及应用华中 种扭矩值分别为54.83、-53.95、36.26kN·m,调径 理工大学学报,2000年12月 变矩型抽油机峰值扭矩比普通型降低50%以上,大 (编辑:刘英)
· 64 · 钻 采 工 艺 2003正 最佳平衡方案 ，使抽油机更高效地工作 。 2．仿 真 实例 以 CYJQ10—5—48HY调 径 变矩 型 抽 油 机 和 CYJ10—3—37HB普通游梁式抽油机 为例 ，在悬点承 受相 同载荷 、相 同 冲次 的情况 下 ，进行仿 真对 比分 析 ，结果如下 ： 变矩 型抽油机部分参数 ：悬点最大负荷 ：8OlcN； 结构不平衡重 ：1kN；配重箱质量 ：1462kg；单个平 衡块质量 ：25kg；平衡块个数 ：50；冲数 ：9次／min。 ＼V ＼曹 誓／捌 ＼V 图 3 悬点运 动规律 曲线 (位移 、速度 、加 速度 ) 饵 二 一口 ／1＼ 7 ，／， 瞢通型 ＼ 图 4 减速箱 曲柄 轴扭矩 曲线 (平衡 与非平衡 ) 仿真 结果分析及 结论 图 5 最佳 平衡扭 矩 对调径变矩型抽油机和普通型游梁式抽油机仿 真结果进行对 比分析 ：图 3中，调径变矩型抽油机悬 点运动规律 曲线较之普通型更平缓 ，最 大速度与加 速度都 比普通型小 ，这说 明在相 同的悬点 载荷 和冲 次下 ，调径变矩型抽油机承受 的冲击要小 ，这有利于 延长抽油机 的使用寿命 ；图 4中 ，在给定的平衡情况 下 ，调径变矩型抽油机减速箱 曲柄轴最大 、最小扭矩 分别为 39．67、一34．O8kN·m，而普通型 为 7O．79、 一 54．52kN·m，减速箱工作条件 明显优于普通型抽 油机 ；在 图 5中，调径变矩 型抽油机在平衡准则 3下 达到最佳平衡 ，即电机消耗功率最小 ，而普通型在准 则 2时达到最佳平衡。最佳平衡时 ，调径变矩型抽 油机曲柄轴扭矩最大值为 27．09lcN·m，负扭矩为 一 18．05kN·m，均方根扭矩为 15．53kN·m，而普通型 3 种扭矩值分别 为 54．83、一53．95、36．26lcN·m，调径 变矩型抽油机峰值扭 矩比普通型降低 50％以上 ，大 八 ／^＼／＼ ＼k． ／／瞢叠V ＼V ／． 大改善 了减速箱工作条件 ，延长 了其使用 寿命 。电 机消耗 的功率也大大降低 ，就此型抽油机而言 ，比普 通型节约能耗约 40％，证 明了调径变矩型抽油机是 一 种性能优越的节能型抽油机 。 调径变矩型抽油机整体性能优越 ，节能明显 ，操 作维护方便 ，有 良好 的推广应用价值和市场潜力。 参考 文献 [1] 邬亦炯 ，刘 卓均 ，等 ．抽 油机 ．石油 工业 出 版社 ，1994年 3月 [2] 董世民 ，张士军 ．抽 油机设 计计 算 与计 算机 实 现 ．石油 工业 出版社 ，1994年 5月 [3] 刘洪 智 ，郭 东 ．异 型 游梁 式 抽 油 机 ．石 油工 业 出 版社 ， 1997年 2月 [4] 郑卫东 ，等 ．抽油 机运转 过 程 的计算 机仿 真 及应 用 ．新 疆石油学 院学报 ，2OO0年 1月 [5] 孙晓斌，肖人斌 ．变参数四杆机构的设计及应用 ．华中 理 工大学学报 ，2OO0年 l2月 (■辑 ：刘英 ) f ● l l { 《 } t l i} 《 } ； | ： 维普资讯 http://www.cqvip.com