滾筒式抽油機加動載荷模擬試驗裝置設計

劉永平，崔潤中，許 杰，廖福林，鄧海青

(蘭州理工大學 機電工程學院，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，出現水淹井現象。我國油田有許多是稠油井，這要求抽油機能夠實現長沖程、低沖次，提高采油率[1]。抽油機換向裝置的工作方式直接影響著抽油機的工作效率。在文獻[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。為了研究該抽油機的負載特性，并能在試驗室內進行抽油機的載荷模擬試驗，有必要設計一套能夠加動態載荷的模擬試驗裝置。抽油機的加載具有特殊性，一方面要按照懸點運動規律進行動態載荷加載，另一面要克服位移的干擾。關于抽油機加載的基本試驗方法，國內已做過一些研究[3-6]，現有的試驗加載方法存在設備復雜，以及與實際抽油過程差異較大，導致試驗結果失真等不足。為此，設計了一套能夠滿足試驗要求的加載系統，后期搭建了試驗平臺，對換向裝置做了有效的試驗測試分析，驗證了非圓齒輪行星系統換向裝置可實現高精度的換向傳動目的，也為后續抽油機換向裝置結構改進和提高效率提供可靠的數據支撐。

1 抽油機加載系統

根據換向裝置和模擬加載系統的實際特點，以及在低成本的同時保證系統運行可靠性高、調試及維修簡便的試驗要求，并參考文獻[2]的相關技術，結合系統的整體情況對加載方案進行設計。

1.1 抽油機負載介紹

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

圖1 抽油泵的工作原理

根據圖2抽油機示功圖可以看出，抽油機加載試驗系統主要存在兩個核心要求：①抽油機加載裝置能按照懸點的位移-力變化規律對其加載；②在控制加載力的同時，應按照抽油機的運動規律形成示功圖曲線。

圖2 抽油機正常工作示功圖

1.2 滾筒式抽油機加載試驗系統組成

滾筒式抽油機是由電機驅動，通過新型換向裝置傳動，通過滾筒和天輪引導鋼絲繩牽引抽油桿做上下運動，進而實現抽油過程。該抽油機采用了非圓行星輪行換向裝置。設計的滾筒式抽油機加動載荷試驗系統如圖3所示。該試驗裝置是根據實際抽油機的尺寸，按1∶4的比例縮小而設計的。為了模擬油井及其抽油過程中的載荷，設計了模擬井筒、法碼和油路系統。設計的測試系統可以測取懸點的拉力、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；14—換向及減速裝置；15—轉速傳感器。

1.3 模擬井筒加載方案設計

在確保試驗準確性的情況下，盡可能地模擬出實際抽油情況。本文設計了模擬井筒動態加載方案，如圖4所示。

試驗所用滾筒式抽油機模型是按1∶4比例縮小設計的，同樣，該加載方案根據實際抽油設備尺寸，按1∶4的比例縮小。根據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，實現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，將拉力數據轉化為電信號，實時傳輸到上位機。在換向裝置的輸出端，采用型號為MK8020G的編碼器，采集輸出軸的轉速信號，并實時傳輸到上位機。通過自編軟件，將負載的電信號和轉速的電信號處理為實時曲線圖或實時數據。通過MATLAB和Origin軟件對數據進行擬合處理，得到實時的示功圖。

模擬井筒的油路如圖4。在下行程時，電磁閥打開，單向比例調速閥關閉，實現吸油過程；在上行程時，電磁閥關閉，單向比例調速閥打開，實現排油過程。通過控制單向比例調速閥，實現對載荷的調控。

圖4 模擬井筒及油路結構

2 動態參數模型及仿真分析

2.1 系統仿真數學模型

試驗裝置的電機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的其他參數見文獻[8]。建立滾筒式抽油機試驗模型的數學模型。

輸出角速度ω1：

(1)

式中：ωH為輸入角速度，恒定。

懸點速度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。

對以上理論數學模型，運用MATLAB軟件進行處理，可得到理論動態模型。用SolidWorks軟件對抽油機整體機構進行三維建模，將換向裝置及加載裝置三維模型導入Adams軟件中，建立滾筒式抽油機整體虛擬樣機[9]。根據滾筒式抽油機模擬裝置實際工作狀況和試驗設備，在輸入端添加旋轉副。為減小振動對換向裝置工作穩定性的影響[8]，此次仿真將虛擬樣機中轉速大小設為電機在5 Hz時，換向裝置輸入端的轉速為10 (°)/s，仿真時間分別設置為60 s，計算步數設置為500步。參數設置完畢后，對系統進行仿真，并得到該裝置的虛擬仿真運動情況。

2.2 仿真結果與分析

仿真結束后，在Adams軟件結果Postprocessor模塊可以查看仿真的計算結果，分別得出滾筒式抽油機換向裝置輸出軸擺角、角速度以及抽油機加載裝置的懸點位移、懸點速度仿真曲。用MATLAB軟件對數學模型進行求解，得出懸點運動的理論值曲線，并逐個對其進行分析。

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

經過鏈傳動到滾筒和鋼絲繩，可仿真出抽油機系統懸點位移和懸點速度曲線，如圖6所示。圖7為懸點位移和懸點速度的理論曲線。從圖6a及圖7a可知，系統仿真出的懸點位移曲線與理論懸點位移曲線一致，抽油行程為430 mm，沖次為1.5 min-1。由圖6b及圖7b可知，懸點速度基本一致。由于齒輪傳動過程中的機械振動，導致模擬仿真時懸點速度有輕微的波動。由圖6b可知，懸點速度最大為71.26 mm/s。由圖5b曲線所表現的特性可知，該方案運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。

通過仿真結果與理論值比較可知，該試驗系統運動方案可行，并且符合實際抽油機運動情況。

a 懸點位移

b 懸點速度

a 懸點位移

b 懸點速度

3 試驗測試與分析

3.1 設備技術參數

試驗所采用的抽油機模型的技術參數如表1所示。

表1 CYJJH-430型滾筒式抽油機模型的技術參數

采用三相異步電機作為系統的驅動，用HXB8000-G3-4T-2.2變頻器和PLC控制對電機實施頻率控制。在懸點處安裝拉力感應器，通過DY220顯示控制器實時對拉力信號進行信號采集與輸送。將采集的拉力信號傳輸到自編程序中進行處理，可以得到拉力與時間關系的變化曲線圖以及實時數據。如圖8為動態負載信號采集處理軟件的操作界面。

圖8 動態負載信號處理軟件界面

建立好試驗平臺，在各監測裝置安裝檢查無誤后，啟動電機并將電機頻率調至5 Hz穩定工作狀態，選擇合適的位置作為存儲記錄的特征點，拉力傳感器對懸點載荷進行實時數據采集存儲，并將存儲信號傳輸至采集卡及信號調理器中進行數據后處理。后期將懸點載荷與時間關系的數據同懸點位移與時間關系的數據進行同步擬合處理。

3.2 懸點示功圖

將加載裝置測得的實時負載和位移數據采用最小二乘擬合處理[10]，得到實測示功圖，如圖9所示。

圖9 實測示功圖

將擬合處理后的實測示功圖與模擬仿真計算出的示功圖作對比，如圖10所示，可知：實測結果與模擬仿真計算出的懸點示功圖基本符合，基本能反應出抽油機的實際工作狀況。在設計負載范圍及設計沖次內，抽油機在整個抽油工作過程中相對平穩，并能夠實現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，與預期設計該新型抽油機應達到的抽油效果基本一致，驗證了該新型非圓齒輪行星輪系換向裝置能夠應用于實際抽油工作中。

圖10 理論示功圖與實測示功圖

4 結論

1) 根據滾筒式抽油機的實際工作原理，設計了一套負載試驗裝置，真實地還原了抽油機實際工作的負載情況。

2) 對提出的新型抽油機換向裝置和負載裝置進行了建模，并結合實際工作參數對抽油機模擬裝置做了運動仿真，得出實際條件下機構的擺角、角速度以及懸點位移和懸點速度的變化情況，并做了詳細分析。

3) 建立了實際的試驗平臺，對整個抽油機系統進行了動態加載試驗。對試驗得出的實測示功圖與預測計算出的示功圖進行了比對，得出該負載試驗裝置能夠反映抽油機負載特性，為抽油機加載試驗提供了一種方便可靠的試驗裝置。

4) 通過試驗分析得知，非圓行星輪換向裝置能夠應用于抽油機系統中，且可以達到工作平穩和急回特性的目的，提高了抽油效率。