正扭矩節能抽油機動力特性模型及仿真優化

梁宏寶，孟慶偉，孫旭東

（東北石油大學a.節能中心；b.機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318） ＊

正扭矩節能抽油機動力特性模型及仿真優化

梁宏寶a，孟慶偉b，孫旭東b

（東北石油大學a.節能中心；b.機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318）＊

在保留常規游梁抽油機優點的基礎上，完全消除抽油機減速器軸負扭矩，設計了新型正扭矩節能抽油機。介紹了正扭矩抽油機的節能原理，即采用二次平衡系統對扭矩曲線進行調整，實現凈扭矩為正值；應用CAD與ADAMS軟件建立新型抽油機模型，進行動態仿真，從理論上證明該新型節能抽油機可以完全消除負扭矩，提高抽油機系統效率，達到了節能的目的。

節能抽油機；負扭矩；二次平衡；動力學分析；仿真

現有游梁式抽油機存在剛性結構體積大、鋼鐵用量大、能量傳遞環節多、能耗大、效率低、油氣滲漏污染環境等問題。我國抽油井有20多萬口，年耗電約160億kW·h，鋼鐵和水泥用量共約2×106t。因此，解決抽油系統節能減排增效是緩解國內能源安全緊張局勢的要求。

1 常規抽油機存在的基本問題

1.1 負扭矩［1］

游梁式抽油機的懸點載荷為周期性交變載荷，懸點載荷在減速器曲柄軸上的扭矩曲線與曲柄平衡重產生的扭矩曲線的疊加曲線，即曲柄軸上的凈扭矩曲線波動很大，且出現負值，如圖1。

圖1 常規游梁機凈扭矩曲線

當電機轉矩處于峰值位置及負扭矩區域時，抽油機配套電機的有功功率絕對值均比較大，說明電機在負扭矩狀態下發電且耗能較大，在峰值狀態能耗也很嚴重。常規游梁機帶有周期性交變載荷，而普通的三相異步電動機輸出的轉速和扭矩基本上恒定不變。為滿足峰值扭矩的要求，抽油機需要配用較大功率的電動機，造成電動機功率因數和工作效率降低，特別是負扭矩瞬間，電機發電效率更低。如圖2～3所示，當電機輸出功率較小或為負值時，電機負載利用率就處于低效區和無效區，電機效率較低，使抽油機系統效率低下。

圖2 游梁式抽油機電機有功功率實測曲線

圖3 實測游梁式抽油機減速器轉矩曲線

1.2 平衡重的效果差

游梁式抽油機在1個工作周期中，其負載在上沖程和下沖程是不平衡的，雖然在游梁式抽油機中采用平衡重來改善這種不平衡狀態，但由于油井的井下工況不同，且不斷變化，致使利用平衡重的方法來節能的效果不理想，而且平衡重的機械調整受到諸多現場條件的限制［2－3］。抽油機在下沖程的大部分時段，電動機實際運行在發電狀態，從而使電機效率處于低效區或無效區，如圖4所示。同時，這種狀況的存在也加速了抽油機曲柄銷、減速機齒輪等抽油機設備的損壞，降低了抽油機的實際使用壽命。

圖4 伺服電機與常規電機效率曲線對比

2 新型抽油機結構原理

針對常規機存在基本問題，在盡可能保存原有常規游梁機優點的基礎上，設計了一種新型節能抽油機，如圖5所示。該新型抽油機由驢頭、游梁、底座、電機、減速系統、游梁平衡系統及二次平衡系統等組成。該抽油機平衡裝置包括一次平衡的游梁平衡和二次平衡系統組成，二次平衡裝置在連桿中間通過1個2︰1變速器加載1個二次平衡小曲柄，并通過變速器與大曲柄相連。二次平衡重通過變速帶以2倍于一次平衡重的速度做圓周旋轉運動，二次平衡裝置在游梁平衡的基礎上，進一步對扭矩曲線進行調節，完全消除負扭矩，并進一步降低峰值扭矩。提高了該型抽油機的平衡度，又改善了曲柄銷的工作狀況，達到了節能的目的。

圖5 新型節能抽油機原理

3 節能原理

常規游梁式抽油機曲柄軸凈扭矩等于懸點載荷扭矩Mx和曲柄平衡重扭矩M1的矢量和，即

但懸點載荷扭矩和曲柄平衡重扭矩疊加后凈扭矩存在負值。為了消除負扭矩，在一次平衡的基礎上加載1個二次平衡裝置，得到二次平衡扭矩與原有凈扭矩曲線疊加。改造后抽油機曲柄軸凈扭矩為懸點載荷扭矩和曲柄平衡重扭矩及二次平衡扭矩M2的矢量和，即

通過在連桿加載二次平衡裝置，使游梁平衡重產生的扭矩隨著游梁擺角的變化而變化。當游梁平衡重的重心與游梁中心軸連線成水平位置時，其平衡力臂最大，產生的扭矩也最大，正好可平衡抽油機懸點的最大載荷產生的最大扭矩；此時游梁平衡重產生的扭矩曲線峰值與懸點載荷產生的扭矩曲線峰值基本同步，且方向相反，兩者疊加后，使減速箱輸出軸扭矩變小或變化幅度減緩，降低了電機的輸出功率，提高了電機的利用率，達到節能降耗效果。

二次平衡重進一步調節減速箱輸出軸扭矩，完全消除負扭矩，降低抽油機曲柄軸凈扭矩峰值，使扭矩曲線盡可能平滑，實現恒功率，在大曲柄轉動的半周內有效地平衡輸出功率的最大值，降低了電機的輸出功率，減小了載荷對減速器、電機的沖擊，使電機恒做正功，提高了整個抽油機的系統效率，高效節能。

4 抽油機動力模型

研究抽油機的懸點載荷和運動規律是研究抽油機技術和總體評價抽油機性能的核心［4］。如圖5所示，曲柄半徑為r，D點到游梁平衡重重心距離為K。

游梁的角速度為ω3，懸點速度v＝ω3sinθ1，游梁的角加速度ε3為

由于大曲柄與小曲柄通過1︰2變速器連接，因此小曲柄轉速是大曲柄軸的2倍，即

式中，ω7為小曲柄軸角速度；ω為大曲柄軸角速度。

則懸點加速度α為

游梁轉角θ3為

根據上述，可作出懸點的位移、速度、加速度曲線，對于固定型號的正扭矩抽油機，只要給出曲柄旋轉的角速度或沖次就可以得出懸點的運動特性。

5 動力特性計算

5.1 減速器扭矩

取游梁為研究對象，將諸力對游梁旋轉中心取力矩可得連桿力FL為

則連桿力FL在曲柄切向力的分力Fq為

曲柄平衡條件為

則減速器曲柄軸輸出扭矩M為

簡化后得

式中，FL為連桿所受的拉力，N；Fq為連桿力FL在曲柄切向力的分力，沿曲柄旋轉方向為正值，N；MCmax為二次平衡曲柄裝置在減速箱曲柄軸上產生的最大扭矩，N·m；Q2為二次平衡塊重力；R2為二次平衡塊重力旋轉半徑；τ0為抽油機曲柄在12點鐘位置時曲柄與二次平衡曲柄之間夾角；P為懸點載荷，N；Qy為游梁平衡重重力，N；R為曲柄銷軸到曲柄旋轉中心的距離，m；M為減速箱曲柄軸輸出扭矩，沿曲柄旋轉方向為正值，N·m；TF為扭矩因數，與游梁的角速度有關。

5.2 電機功率

電動機功率與減速器從動軸（曲柄軸）上的扭矩關系式為式中，Nr為電動機功率，kW；n為曲柄軸轉速，r／min；η為傳動效率。

6 動態仿真及優化

6.1 建立虛擬樣機［5－6］

利用機械專業三維軟件CAD與ADAMS對抽油機進行動態仿真。在專業CAD軟件中建立機構的實體裝配模型，利用ADAMS與CAD軟件之間的接口，將模型導入ADAMS環境中。在虛擬測試時作如下假設：

1） 曲柄以勻速旋轉。

2） 各個運動副都是理想的無間隙的運動副。

3） 抽油機所有部件包括底座和基礎都是剛性的。

虛擬樣機如圖6所示，利用樣機可以進行后處理，查看測試結果，生成圖表、報告等直觀的測試資料。

圖6 抽油機虛擬樣機

6.2 仿真優化

通過調節抽油機游梁平衡重質量、二次平衡重質量及二次平衡曲柄與大曲柄之間夾角，對抽油機進行優化。經過三維仿真優化得到減速器輸出軸扭矩曲線及減速器輸出軸功率曲線，如圖7～8所示。可以看出：該新型抽油機實現了扭矩正值化，扭矩峰值降低，輸出軸功率峰值降低且最小值提高到零值以上，最大值與最小值差值變小。

對比圖7與圖3～4可知：該新型節能抽油機電機工作時，電機負載利用率大多數時間處于高效區及中效區，只有少數時間處于低效區，不存在無效區。從而提高了電機利用率，提高了抽油機系統效率。

圖7 減速器輸出軸扭矩曲線

圖8 減速器輸出軸功率曲線

7 結論

1） 建立了正扭矩節能抽油機位移、速度、加速度數學模型及動力學特性相關計算模型。

2） 通過仿真優化，新型節能抽油機可以實現扭矩正值化，使電機工作效率處在較高的水平，從而提高了抽油機系統效率，達到了節能的目的。

［1］ 劉洪智，郭 東.異型游梁式抽油機［M］.北京：石油工業出版社，1997.

［2］ 何 帆，李 鍇，辛大勇，等.用彈簧儲能裝置實現抽油機二次平衡的節能分析［J］.石油礦場機械，2009，38（3）：73－76.

［3］ 柯 偉，李才良，王啟顏，等.一種同軸二次曲柄平衡抽油機方案及性能分析［J］.石油礦場機械，2009，38（4）：7－10.

［4］ 蘇 欣，趙宏濤，袁宗明，等.基于模糊綜合評判法的地下儲氣庫方案優選［J］.石油學報，2006，27（2）：125－128.

［5］ 劉克旺，張彥廷，魏 遼，等.基于虛擬樣機技術的游梁式抽油機參數分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：19－22.

［6］ 駱華鋒，欒慶德.游梁式抽油機實體建模及仿真分析［J］.石油礦場機械，2008，37（12）：22－24.

Balance of Energy Pumping of a New Compound

LIANG Hong－baoa，MENG Qing－weib，SUN Xu－dongb
（a.The Energy Conservation Center；b.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

On the basis of the advantages of conventional tour has been reserved，in order to eliminated pumping unit reducer shaft load torque completely，designing a new type of energy saving pumping unit.This paper introduces the energy saving principle of a new type oil pumping unit，to load the two balance system，adjusting to the torque curve，realize net torque value.And the pumping unit was studied，using both CAD and ADAMS to establish new pumping model，doing the dynamic simulation.As the theory，the new power saving pumping unit can completely eliminated negative torque，improve the efficiency of the pumping system，achieving the purpose of energy saving.

energy saving pumping unit；negative torsion moment；second balance；dynamic analysis；simulation

1001－3482（2012）07－0043－04

TE933.1

A

2012－01－22

黑龍江省科技攻關項目（GA09A503）

梁宏寶（1966－），男，黑龍江蘭西人，教授，博士，主要從事油田節能研究。