滑輪增程式液壓抽油機液壓系統設計研究

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(中國石油大學 (華東)機電工程學院， 山東 青島 266580)

引言

目前在我國油田采油作業中游梁抽油機作為有桿采油機械的主力軍，但隨著油田開采的持續，游梁式抽油機暴露出功耗高、沖程沖次調節困難、不適應稠油開采等問題[1]。本研究結合國內外抽油機發展現狀和趨勢，設計了一種沖程大、沖數低且沖程沖次無級可調的滑輪增程式液壓抽油機。

設計的滑輪增程式液壓抽油機的原理：一是利用液壓缸的往復直線運動帶動抽油桿做往復直線運動[2]，從而實現抽油機抽油過程的上下往復運動；二是利用動滑輪的增程作用，使抽油機的沖程長度是液壓缸行程的兩倍，從而實現長沖程而減少了液壓缸的實際行程；三是利用機械配重和蓄能器復合平衡，將與機械配重相等的懸點載荷轉移到機架上，可以有效的減小液壓平衡蓄能器的容量，降低液壓抽油機制造成本。滑輪增程液壓抽油機的原理如圖1所示。上行程：在液壓力的作用下復合液壓缸活塞向上運動， 從而帶動動滑輪10向上運動，動滑輪10的向上運動通過高強度皮帶6(或者鋼絲繩)來驅動懸點向上運動，同時機械配重塊在自重作用下也向下運動，通過皮帶5作用于懸點，對懸點有向上的作用力，復合液壓缸和機械平衡塊共同來提升懸點載荷，從而實現抽油機上行抽油運動。下行程：下行程過程與上行程相同也主要有兩部分作用力來共同作用，一部分為復合液壓缸的作用力，另一部分為機械平衡重的自身重力。當懸點到達上死點時，在復合液壓缸液壓力和機械平衡重力的共同作用下，復合液壓缸的活塞桿下行，帶動動滑輪10下行，從而使聯接懸點以活塞桿兩倍的速度下行。同時復合液壓缸的活塞下行將復合液壓缸下腔中的油液壓入液壓系統中的蓄能器，從而將下行程中懸點載荷和液壓系統所做的功儲存在蓄能器中，將機械平衡重提升到高點儲存勢能。

1.配重塊 2.后固定天輪 3.前固定天輪 4.機架 5.機械配重聯接皮帶 6.舉升液壓缸聯接皮帶 7.復合液壓缸a腔室 8.復合液壓缸b腔室 9.復合液壓缸c腔室 10.動滑輪總成圖1 滑輪增程式液壓抽油機原理

1 液壓系統設計

滑輪增程式液壓抽油機的懸點載荷由復合液壓缸的活塞桿驅動，懸點的運動規律與活塞桿的運動規律直接相關，其液壓傳動系統如圖2所示。它由主回路、剎車回路、消振回路、液壓平衡回路等組成。

1.1 復合液壓缸的設計

復合液壓缸采用的是B油口和C油口不同時接液壓泵的出口，而是B油口連接蓄能器組，C油口連接液壓泵出口。這樣復合缸的b腔作為一個壓力轉換器，在抽油機下行程時將抽油桿柱的重力勢能轉化為液壓能存儲在蓄能器中，等上行程時用來舉升懸點載荷，其原理如圖3所示。

1.2 液壓回路的設計

1) 主回路的設計

所設計的液壓抽油機主要執行部件是一個復合液壓缸，其主回路就是由方向控制閥控制，同時在液壓系統中設計了蓄能器作為液壓平衡的儲能部件，液壓系統的主回路如圖2-Ⅱ框圖所示。它由復合液壓缸12、三位四通先導式電磁換向閥10、液控單向閥11、19(液壓鎖)和系統的變量液壓泵4、安全閥7、蓄能器9等組成。

1、6、17.單向閥 2、4.變量雙聯葉片泵 3、5.過濾器 7.安全閥 8、14、16、23.截止閥 9、13.蓄能器 10.先導式電磁換向閥 11、19.液控單向閥 12.復合液壓缸 15、22.壓力表 18、20.二位二通換向閥 21.節流閥 24.溢流閥 25.油池 26.冷卻器 27.加熱器28.溫度計29.液位計 30.二位三通換向閥 31.分流閥 32.制動液壓缸圖2滑輪增程式液壓抽油機液壓系統圖

圖3 復合液壓缸的原理圖

2) 剎車回路的設計

為了抽油機在修井時能夠停留在任意位置，添加了主動剎車系統。主動剎車系統是通過液壓回路實現的。當觸發剎車信號時液壓油進入制動液壓缸，推動制動液壓缸的活塞驅動剎車片壓緊動力皮帶，從而實現剎車。主動剎車液壓系統如圖2-Ⅳ框圖所示，它由2個制動液壓缸32、分流閥31和三位三通換向閥30組成。

3) 消振回路的設計

由于抽油機在實際工作中從上死點向下運動的瞬間懸點載荷并不等于最小值Fm，而是等于懸點的最大值FM，這個力大于作用在活塞上的向上的力，因此，在懸點載荷的驅動下液壓缸活塞迅速下行，液壓缸活塞下行使與蓄能器連通的液壓缸b腔室中的液壓油進入蓄能器，使蓄能器的壓力升高。同時懸點載荷迅速下降，因此作用在復合液壓缸活塞上的力又大于懸點載荷，從而使懸點向上移動一段距離，這就使懸點出現了一次擺動，之后懸點才會進入正常的下行程運動。與上死點的情況類似，在下死點瞬間由于懸點載荷為最小值Fm，作用在復合液壓缸活塞上的力大于Fm，從而使懸點向上移動一段距離。活塞體上移使蓄能器壓力降低，同時懸點載荷不斷增大，又使懸點載荷大于作用在活塞體上的力，從而懸點位移也發生擺動，之后懸點才會進入正常的上行程運動。為了消除擺動，特設計了消振回路。消振回路由一個二位二通換向閥20和一個節流閥21并聯而成，如圖2-Ⅰ框圖所示。消振回路的工作原理是懸點在上下死點之間運動時，二位二通換向閥20開啟，系統回油。當懸點在上死點或者下死點換向的瞬間，換向閥關閉，系統只通過節流閥21回油，因此復合液壓缸的回油腔產生很大的背壓，從而抵消復合液壓缸活塞體上的作用力與懸點載荷之間的不平衡，使懸點平穩的運動，不再出現擺動。

4) 液壓平衡回路的設計

所設計的液壓抽油機采用液壓平衡和機械平衡相結合的復合式平衡方法。機械平衡與常規的機械平衡結構相同，液壓平衡主要由復合液壓缸12、蓄能器13、單向閥17、二位二通電磁換向閥18、定量液壓泵2、溢流閥24組成，如圖2-Ⅲ框圖所示。液壓平衡回路的原理是，當復合液壓缸活塞上行時，與蓄能器連通的腔體積變大，蓄能器釋放出儲存的液壓油幫助舉升懸點；當復合液壓缸活塞下行時，與蓄能器連通的腔體體積變小，液壓油被壓入蓄能器存儲起來，用來在上行程舉升懸點載荷。同時為了防止由于系統的泄漏蓄能器的壓力減小從而不能滿足系統工作要求，利用液壓泵2在適當的時候為蓄能器補油。

2 液壓系統仿真分析

利用AMESim軟件[3]對滑輪增程式液壓抽油機的液壓系統進行了仿真分析。依據設計的滑輪增程式液壓抽油機的液壓傳動系統圖，利用AMESim中各元件庫中的模型搭建液壓抽油機的液壓系統的簡化模型如圖4所示。

圖4 液壓抽油機的液壓系統模型

按照所建的AMESim模型對抽油機的液壓系統進行仿真，仿真時間為180 s，仿真結果用曲線表示。對所設計的滑輪增程式液壓抽油機來說我們主要分析的是懸點的位移、速度、加速度。根據所設計的液壓抽油機的結構，所施加給復合液壓缸的載荷為懸點載荷與機械配重差值的兩倍，施加在復合液壓缸上的載荷曲線如圖5所示。利用AMESim軟件在圖5所示載荷作用下，沖程為6 m，沖次為4的工況下進行仿真，得到液壓抽油機的有關參數曲線。圖6為懸點位移曲線，圖7為懸點速度曲線，圖8所示為懸點加速度曲線。

圖5 復合液壓缸載荷曲線

圖6 懸點位移曲線

圖7 懸點速度曲線

圖8 懸點加速度曲線

從仿真所得的曲線中可以看出抽油機懸點近似做勻速運動，只有在換向時速度有所波動存在加速度，也就是抽油機的換向有沖擊。從圖8所示懸點加速度曲線可以清楚的看到在抽油機換向時由于載荷的突變引起換向沖擊。

3 結論

依據滑輪增程式液壓抽油機的要求和結構特點設計了其液壓控制系統，并借助AMESim仿真軟件對所設計的液壓系統進行仿真，得到如下幾點結論：

(1) 設計的液壓控制回路能夠實現滑輪增程式液壓抽油機的上下往復運動、主動制動、消振和平衡功能。

(2) 利用AMESim軟件對液壓系統進行仿真，得出了懸點的位移曲線、速度曲線和加速度曲線。從曲線中可看出設計的滑輪增程式液壓抽油機懸點近似為勻速運動、換向平穩等優點。

參考文獻：

[1] 方仁杰，朱維兵. 抽油機歷史現狀與發展趨勢分析[J].鉆采工藝,2011,(3):60-63.

[2] 薄濤.中國液壓抽油機的發展概況與技術水平[J].鉆采工藝,2002,25(2):60-62.

[3] 付永領，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程[M].北京：北京航天航空大學出版社,2011.