偏心連桿平衡抽油機測試系統(tǒng)的研發(fā)

張要賀,李東明,王 毅

(湖南有色重型機器有限責(zé)任公司, 湖南長沙 410000)

偏心連桿平衡抽油機測試系統(tǒng)的研發(fā)

張要賀,李東明,王 毅

(湖南有色重型機器有限責(zé)任公司, 湖南長沙 410000)

針對 CYL25A偏心連桿平衡抽油機研制了一測試系統(tǒng),該測試系統(tǒng)通過對平衡塊的位置、電機電流和鏈條拉力的實時監(jiān)測和記錄,反映抽油機的性能和運行狀況。數(shù)據(jù)處理時應(yīng)用了Mat Lab軟件,繪出了相應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系曲線,并進行了相應(yīng)的分析。數(shù)據(jù)采集卡是試驗臺硬件構(gòu)成的主要部分,所需采集的各參數(shù)信號類型都要與之相匹配,因此編碼器和稱重儀輸出的信號要經(jīng)過調(diào)理轉(zhuǎn)換為電壓信號。

偏心連桿;平衡抽油機;測試系統(tǒng);硬件設(shè)計;數(shù)據(jù)處理

CYL25A偏心連桿平衡抽油機是湖南有色重型機器有限責(zé)任公司研發(fā)的新型抽油機。項目以原有鏈式倍程抽油機為基礎(chǔ),并結(jié)合我公司創(chuàng)新提出的偏心連桿平衡原理而開發(fā)的新型節(jié)能抽油機產(chǎn)品。為了檢測抽油機在各種復(fù)雜環(huán)境下的運行狀況和適應(yīng)工況的動態(tài)平衡調(diào)節(jié)能力,設(shè)計了一測試系統(tǒng)來監(jiān)測和記錄抽油機的關(guān)鍵參數(shù)。在測試系統(tǒng)中用液壓油缸替代工作載荷,通過調(diào)節(jié)油缸壓力大小來模擬真實的工作負載的變化,以檢測抽油機的各種性能。

1 偏心連桿抽油機工作原理及其特點

抽油機是有桿抽油系統(tǒng)的地面動力傳動設(shè)備,主要為抽油桿提供連續(xù)、可靠的往復(fù)抽油動作。當抽油桿上移時,懸點承受抽油桿自重、柱塞上部液柱重量以及一定量沉沒壓力的作用,此時由抽油機拖動抽油桿上行,抽油機對抽油桿做正功;抽油機轉(zhuǎn)過拐點后,懸點被釋放,抽油桿在油中受重力的作用下行并拖動懸點下移,平衡塊開始上行,抽油機進入儲能階段[1～3]。

CYL25A偏心連桿平衡抽油機的功能與其他抽油機相同,其工作原理比較簡單,由動滑輪柄支撐動滑輪順時針循環(huán)轉(zhuǎn)動,并拖動鏈條做伸縮變換。動滑輪座與平衡座固定在主機底座上,2個機座在水平方向上錯開安裝,成 1個偏心值,這個偏心值的設(shè)定是本抽油機的關(guān)鍵所在。抽油機在底座上的位置可以調(diào)整,平衡塊和配重也是可調(diào)的,此外偏心值的調(diào)整可以很方便的改變抽油機的輸出參數(shù),以適應(yīng)各種工作環(huán)境,最終達到高效節(jié)能的目的。

抽油機沖程的變更通過調(diào)節(jié)動滑輪的回轉(zhuǎn)半徑來實現(xiàn),具體需要調(diào)節(jié)動滑輪柄的伸出長度。在本機中,動滑輪柄的伸出長度連續(xù)可調(diào),其最大和最小伸出長度對應(yīng)的沖程分別為 2.5 m和 1.5 m。

CYL25A型抽油機主要具有以下技術(shù)特點:

(1)平衡效果好,節(jié)能顯著;

(2)調(diào)整范圍大,能適應(yīng)較大工況范圍的油井作業(yè);

(3)調(diào)節(jié)方便人性化;

(4)運行可靠性高。

2 偏心連桿抽油機測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

CYL25A型抽油機的測試系統(tǒng)主要是監(jiān)測抽油機的供電電流和豎直桿的拉力,從而來檢驗整個系統(tǒng)的工作性能是否能夠滿足設(shè)計要求。此外,該系統(tǒng)還可以用于抽油機正常作業(yè)時的實時監(jiān)測。選用采集卡對所需信號進行采集和儲存,電流信號選用電流傳感器,拉力信號的獲得則通過稱重儀,整個測試系統(tǒng)的硬件如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

選用的數(shù)據(jù)采集卡為阿爾泰的 USB2816,輸入的電壓信號為 0～5 V,選用信號調(diào)理器將編碼器和稱重儀的輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,且為 0～5 V,稱重儀的工作原理如圖2所示[4]。

圖2 稱重儀的工作原理

使用前首先要依據(jù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)的不同,按照 Kt=K′ε′的原理對稱重儀的靈敏系數(shù)進行調(diào)節(jié),本儀器在設(shè)計時規(guī)定:當靈敏系數(shù)為 2.00時,標定值為 15000μ ε,因此在已知 K′的情況下可得:

式中 ,ε′——微應(yīng)變量;

K′——靈敏系數(shù)。

3 數(shù)據(jù)的采集及處理

采集卡讀取的數(shù)據(jù)格式為.USB,因此需要轉(zhuǎn)換成MATLAB軟件能直接處理的.TXT文件格式,Sys Microsoft基礎(chǔ)類應(yīng)用程序可以實現(xiàn)這一要求。數(shù)據(jù)采集卡的采集數(shù)據(jù)的頻率很高,而抽油機的運動速度較低,平衡塊每分鐘旋轉(zhuǎn) 3圈,因此沒必要用到采集的所有數(shù)據(jù),這就需要對采集的數(shù)據(jù)進行取樣[5,6]。為了更好的反映出抽油機運行的真實情況,采用等間距取樣,即每 1000個點取 1個。

使用下面的程序?qū)Τ橛蜋C調(diào)整前后所采集的數(shù)據(jù)進行處理,結(jié)果見圖3和圖4。

程序設(shè)計:

clear; %初始化,清除此前數(shù)據(jù)

A=load(’d:＊ ＊ ＊ .txt’); %將采集數(shù)據(jù)裝入矩陣 A

A(:,1)=[]; %刪除矩陣A的第一列元素

B=A(1:1000:end,:); %formulate new array

A=B; %形成新矩陣

B=A(:,1); %取出矩陣 A的第一列元素存入矩陣B

C=B＊360/5000; %將電壓量轉(zhuǎn)化為角度存入矩陣C中

A(:,1)=C; %用角度替代電壓量

B=A(:,2); %取出矩陣 A的第二列元素存入矩陣B

C=B＊12.5/5000; %將測試電壓量轉(zhuǎn)化為真實電流值存入矩陣 C中

A(:,2)=C; %用真實電流值替代測量電壓量

B=A(:,3); %取出矩陣 A的第三列元素存入矩陣B

C=B＊20/5500; %將測試電壓量轉(zhuǎn)化為力存入矩陣C中

A(:,3)=C; %用力的大小替代測量電壓量

A=A’; %矩陣 A轉(zhuǎn)置

x=A(1,:); %角度作為曲線的橫坐標

y=A(2,:); %電流強度作為一條曲線的縱坐標

y1=A(3,:); %拉力大小作為另一條曲線的縱坐標

plotyy(x,y,x,y1); %繪曲線圖

xlabel(’旋轉(zhuǎn)角度/度’);%設(shè)置x坐標軸

ylabel(’電流強度/A’);%設(shè)置y坐標軸

圖3 抽油機調(diào)整前拉力、電流位置

圖4 抽油機調(diào)整后電流、拉力位置

4 測試結(jié)果分析

在測試系統(tǒng)中,用液壓油缸的壓力來模擬真實載荷,通過調(diào)節(jié)油缸的壓力來測試抽油機在多種工作負載下的運行狀況和平衡調(diào)節(jié)的能力。抽油機調(diào)整前所得的實驗結(jié)果 (見圖3)與理論設(shè)計存在較大差異,但曲線的形狀和變化趨勢基本符合設(shè)計要求。調(diào)整前測試數(shù)據(jù)與理論設(shè)計最主要的區(qū)別在鏈條的拉力上,按照理論設(shè)計,其曲線應(yīng)為斜線相連接的 2段水平的直線段,分別表示加載和卸載后的拉力。實測曲線加載后的部分能很好的反映理論設(shè)計,而卸載后實測拉力曲線變化很快,在鏈條運動方向轉(zhuǎn)換的瞬間拉力陡降,出現(xiàn)了極小值甚至為零的情況,與理論設(shè)計相差很大。針對以上測試結(jié)果對抽油機和液壓系統(tǒng)進行了相應(yīng)的調(diào)整,所得的測試結(jié)果(見圖4)比較接近理論設(shè)計的要求。所測參數(shù)更加穩(wěn)定,消除了瞬間變化較大的不利情況,抽油機的工作性能更加可靠。

抽油機調(diào)整前后的測試結(jié)果說明,對 CYL25A偏心連桿平衡抽油機進行測試,不但能對其運行狀況進行實時的檢測,還可以對影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)進行記錄,為抽油機以后的改進提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1] 周振春,鄧立新,王艷華.游梁式抽油機節(jié)能技術(shù)及最新進展[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報,2005,(1).

[2] 張 焱,李 驥.JPCYJC型叢式井智能長沖程抽油機設(shè)計[J].石油礦山機械,2005,(3).

[3] 路 懿.有桿式抽油機增程機構(gòu)的平面連桿綜合法[J].石油學(xué)報,2000,(2).

[4] 何 利.現(xiàn)代測試系統(tǒng)模型及體系結(jié)構(gòu)研究[D].西安:電子科技大學(xué),2001.

[5] 甘俊英,陸桂芳.MATLAB在計算機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].五邑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1996,(2).

[6] 智立甫.基于MATLAB的智能控制系統(tǒng)仿真研究[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.

2010-08-02)

張要賀 (1983-),男,河南濮陽人,研究生,主要從事牙輪鉆機鉆進控制方面的研究,Email:zyh1030@gmail.com。