偏心连杆平衡抽油机测试系统的研发

张要贺,李东明,王 毅

(湖南有色重型机器有限责任公司, 湖南长沙 410000)

偏心连杆平衡抽油机测试系统的研发

张要贺,李东明,王 毅

(湖南有色重型机器有限责任公司, 湖南长沙 410000)

针对 CYL25A偏心连杆平衡抽油机研制了一测试系统,该测试系统通过对平衡块的位置、电机电流和链条拉力的实时监测和记录,反映抽油机的性能和运行状况。数据处理时应用了Mat Lab软件,绘出了相应参数之间的关系曲线,并进行了相应的分析。数据采集卡是试验台硬件构成的主要部分,所需采集的各参数信号类型都要与之相匹配,因此编码器和称重仪输出的信号要经过调理转换为电压信号。

偏心连杆;平衡抽油机;测试系统;硬件设计;数据处理

CYL25A偏心连杆平衡抽油机是湖南有色重型机器有限责任公司研发的新型抽油机。项目以原有链式倍程抽油机为基础,并结合我公司创新提出的偏心连杆平衡原理而开发的新型节能抽油机产品。为了检测抽油机在各种复杂环境下的运行状况和适应工况的动态平衡调节能力,设计了一测试系统来监测和记录抽油机的关键参数。在测试系统中用液压油缸替代工作载荷,通过调节油缸压力大小来模拟真实的工作负载的变化,以检测抽油机的各种性能。

1 偏心连杆抽油机工作原理及其特点

抽油机是有杆抽油系统的地面动力传动设备,主要为抽油杆提供连续、可靠的往复抽油动作。当抽油杆上移时,悬点承受抽油杆自重、柱塞上部液柱重量以及一定量沉没压力的作用,此时由抽油机拖动抽油杆上行,抽油机对抽油杆做正功;抽油机转过拐点后,悬点被释放,抽油杆在油中受重力的作用下行并拖动悬点下移,平衡块开始上行,抽油机进入储能阶段[1～3]。

CYL25A偏心连杆平衡抽油机的功能与其他抽油机相同,其工作原理比较简单,由动滑轮柄支撑动滑轮顺时针循环转动,并拖动链条做伸缩变换。动滑轮座与平衡座固定在主机底座上,2个机座在水平方向上错开安装,成 1个偏心值,这个偏心值的设定是本抽油机的关键所在。抽油机在底座上的位置可以调整,平衡块和配重也是可调的,此外偏心值的调整可以很方便的改变抽油机的输出参数,以适应各种工作环境,最终达到高效节能的目的。

抽油机冲程的变更通过调节动滑轮的回转半径来实现,具体需要调节动滑轮柄的伸出长度。在本机中,动滑轮柄的伸出长度连续可调,其最大和最小伸出长度对应的冲程分别为 2.5 m和 1.5 m。

CYL25A型抽油机主要具有以下技术特点:

(1)平衡效果好,节能显著;

(2)调整范围大,能适应较大工况范围的油井作业;

(3)调节方便人性化;

(4)运行可靠性高。

2 偏心连杆抽油机测试系统的硬件设计

CYL25A型抽油机的测试系统主要是监测抽油机的供电电流和竖直杆的拉力,从而来检验整个系统的工作性能是否能够满足设计要求。此外,该系统还可以用于抽油机正常作业时的实时监测。选用采集卡对所需信号进行采集和储存,电流信号选用电流传感器,拉力信号的获得则通过称重仪,整个测试系统的硬件如图1所示。

图1 测试系统的硬件系统

选用的数据采集卡为阿尔泰的 USB2816,输入的电压信号为 0～5 V,选用信号调理器将编码器和称重仪的输出信号转换为电压信号,且为 0～5 V,称重仪的工作原理如图2所示[4]。

图2 称重仪的工作原理

使用前首先要依据应变片灵敏系数的不同,按照 Kt=K′ε′的原理对称重仪的灵敏系数进行调节,本仪器在设计时规定:当灵敏系数为 2.00时,标定值为 15000μ ε,因此在已知 K′的情况下可得:

式中 ,ε′——微应变量;

K′——灵敏系数。

3 数据的采集及处理

采集卡读取的数据格式为.USB,因此需要转换成MATLAB软件能直接处理的.TXT文件格式,Sys Microsoft基础类应用程序可以实现这一要求。数据采集卡的采集数据的频率很高,而抽油机的运动速度较低,平衡块每分钟旋转 3圈,因此没必要用到采集的所有数据,这就需要对采集的数据进行取样[5,6]。为了更好的反映出抽油机运行的真实情况,采用等间距取样,即每 1000个点取 1个。

使用下面的程序对抽油机调整前后所采集的数据进行处理,结果见图3和图4。

程序设计:

clear; %初始化,清除此前数据

A=load(’d:＊ ＊ ＊ .txt’); %将采集数据装入矩阵 A

A(:,1)=[]; %删除矩阵A的第一列元素

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

A=B; %形成新矩阵

B=A(:,1); %取出矩阵 A的第一列元素存入矩阵B

C=B＊360/5000; %将电压量转化为角度存入矩阵C中

A(:,1)=C; %用角度替代电压量

B=A(:,2); %取出矩阵 A的第二列元素存入矩阵B

C=B＊12.5/5000; %将测试电压量转化为真实电流值存入矩阵 C中

A(:,2)=C; %用真实电流值替代测量电压量

B=A(:,3); %取出矩阵 A的第三列元素存入矩阵B

C=B＊20/5500; %将测试电压量转化为力存入矩阵C中

A(:,3)=C; %用力的大小替代测量电压量

A=A’; %矩阵 A转置

x=A(1,:); %角度作为曲线的横坐标

y=A(2,:); %电流强度作为一条曲线的纵坐标

y1=A(3,:); %拉力大小作为另一条曲线的纵坐标

plotyy(x,y,x,y1); %绘曲线图

xlabel(’旋转角度/度’);%设置x坐标轴

ylabel(’电流强度/A’);%设置y坐标轴

图3 抽油机调整前拉力、电流位置

图4 抽油机调整后电流、拉力位置

4 测试结果分析

在测试系统中,用液压油缸的压力来模拟真实载荷,通过调节油缸的压力来测试抽油机在多种工作负载下的运行状况和平衡调节的能力。抽油机调整前所得的实验结果 (见图3)与理论设计存在较大差异,但曲线的形状和变化趋势基本符合设计要求。调整前测试数据与理论设计最主要的区别在链条的拉力上,按照理论设计,其曲线应为斜线相连接的 2段水平的直线段,分别表示加载和卸载后的拉力。实测曲线加载后的部分能很好的反映理论设计,而卸载后实测拉力曲线变化很快,在链条运动方向转换的瞬间拉力陡降,出现了极小值甚至为零的情况,与理论设计相差很大。针对以上测试结果对抽油机和液压系统进行了相应的调整,所得的测试结果(见图4)比较接近理论设计的要求。所测参数更加稳定,消除了瞬间变化较大的不利情况,抽油机的工作性能更加可靠。

抽油机调整前后的测试结果说明,对 CYL25A偏心连杆平衡抽油机进行测试,不但能对其运行状况进行实时的检测,还可以对影响其性能的关键参数进行记录,为抽油机以后的改进提供了数据依据。

[1] 周振春,邓立新,王艳华.游梁式抽油机节能技术及最新进展[J].承德石油高等专科学校学报,2005,(1).

[2] 张 焱,李 骥.JPCYJC型丛式井智能长冲程抽油机设计[J].石油矿山机械,2005,(3).

[3] 路 懿.有杆式抽油机增程机构的平面连杆综合法[J].石油学报,2000,(2).

[4] 何 利.现代测试系统模型及体系结构研究[D].西安:电子科技大学,2001.

[5] 甘俊英,陆桂芳.MATLAB在计算机控制系统中的应用[J].五邑大学学报(自然科学版),1996,(2).

[6] 智立甫.基于MATLAB的智能控制系统仿真研究[D].保定:河北农业大学,2004.

2010-08-02)

张要贺 (1983-),男,河南濮阳人,研究生,主要从事牙轮钻机钻进控制方面的研究,Email:zyh1030@gmail.com。