新型摆动导杆式抽油机结构设计及运动学分析

任 涛，南振江，孙 文

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

0 引言

目前我国油田的地面采油设备主要采用游梁式抽油机，由于其具有结构简单、使用可靠、操作维护方便以及在恶劣的自然环境中能够长期可靠安全运行等特点，使其在油田开采中得到了较为广泛的应用。但由于该抽油机载荷不均匀系数CLF偏大，使得曲柄轴上的净扭矩峰值过大、波动过大，同时能耗也随之变大[1]。

目前游梁式抽油机主要存在以下三方面问题：①载荷波动性偏大；②电动机的装机功率过高；③抽油机能耗偏大。

为了解决游梁式抽油机存在的问题，近几年来人们对游梁式抽油机进行了很多的技术改造研究，开发了双驴头式抽油机、下偏杠铃式抽油机和弯游梁式抽油机等节能型抽油机[2]，这些抽油机在减小载荷不均匀性、减小电动机装机功率和降低能耗方面确实取得了一定的成果，但仍然有很大的提升空间。影响能耗高低的主要因素之一为抽油机的传动机构，开发一种最适合抽油机抽油工况的传动机构，不仅能降低抽油机的能耗，而且还能最大限度地降低载荷的波动性，这样，电动机的装机功率就会随之大大降低，电动机的工作效率也会随之提高。摆动导杆机构就是符合抽油机抽油工况要求的较佳传动机构之一[3]。

1 结构设计和工作原理

图1为摆动导杆式抽油机总体结构示意图。结构设计是本文的设计重点，为了最大化地节约制造成本和适应抽油机的工作环境，底座和前后支架采用角钢焊接而成，导轨采用标准的火车导轨上下拼装而成。摆动导杆机构由曲柄、滑块、摆动导杆和机架构成。曲柄上铰接有滑块，导杆上安装有可供滑块滚动的导轨，导轨是滚动导轨，导轨的一端铰接在机架上，另一端和驴头连接。当曲柄转动时，铰接在曲柄上的滑块在导轨上滚动，同时带动导轨以机架为支点做上下摆动，导杆前端连接的驴头带动钢绳、绳杆连接器和抽油杆做上下往复运动。

1-底座;2-后支架;3-后横梁;4-摆动导杆;5-曲柄; 6-曲柄平衡重;7-减速器;8-前横梁;9-驴头;10-钢绳; 11-绳杆连接器;12-抽油杆;13-前支架；14-电动机； 15-传动带

2 抽油机的运动学分析

运动学分析是指在不考虑力作用的前提下，分别对机构的位置、速度、加速度变化进行分析，以确定所得的数据满足设计要求。抽油机的运动学分析主要包括悬点的位移、速度和加速度分析。

2.1 运动学分析

新型摆动导杆式抽油机的主要传动机构为摆动导杆机构，运用解析法对摆动导杆机构进行运动学分析，就可求出导杆的位移、速度和加速度。图2为摆动导杆机构的数学模型。曲柄AB为主动件，长度为l1，以一定的角速度ω1逆时针转动；导杆BC为从动件，由滑块将曲柄、导杆相连接。滑块在导杆上的位置距C点距离为S，曲柄和导杆角位移分别为φ1、φ2。曲柄旋转中心点A与导杆摆动中心点C之间的距离为e，且满足e

根据图2，将曲柄滑块机构看成封闭的矢量三角形，由封闭多边形ABC可写出机构各杆所构成的封闭矢量方程式：

CA+AB=CB.

(1)

曲柄角位移方程：

φ1=ω1t.

(2)

B点的坐标：

(3)

将矢量方程投影到x轴和y轴上，得：

l1cosφ1=Scosφ2.

(4)

e+l1sinφ1=Ssinφ2.

(5)

由式(4)、式(5)可得B点相对于C点的位移S及导杆的角位移φ2分别为：

(6)

(7)

将式(7)对时间t求导即可得到摆动导杆的角速度表达式为：

(8)

式(8)为摆动导杆BC角速度函数ω2的表达式。

将式(8)关于时间t求导数，即可求得导杆的角加速度为：

(9)

式(9)为摆动导杆BC角加速度函数的表达式。

2.2 位移、速度及加速度曲线

MATLAB采用了交互式程序设计语言编辑模式，用户在命令窗口内输入需要执行的命令语句，即可获得计算结果。MATLAB通过建立M文件的方式实现程序方式工作[4]。在M文件中将以上公式进行编辑，写成程序，即可得到摆动导杆机构的位移、速度和加速度曲线。

3 ADAMS软件仿真分析

ADAMS软件是以多刚体运动学理论为基础的机构动力学、运动学仿真软件,可以构建复杂机械系统的虚拟样机,真实地仿真其运动过程[5]。因此，本文将采用ADAMS软件对特定的摆动导杆机构进行运动学仿真研究，以期获得该机构的位置、速度和加速度等运动参数[6]。ADAMS 的三维建模能力较弱，因此运用Pro/E软件建立摆动导杆式抽油机的三维实体模型，然后再导入到ADAMS 软件中进行分析。

图2摆动导杆机构图3悬点运动学分析图像

数学模型

首先建立零件之间的相互关系，支架固定在地面上，导轨与支架之间、曲柄与减速器之间、滚轮与曲柄之间都为旋转副连接，滚轮与导轨之间为移动副连接，设置减速器输出轴的角速度为36°/s，仿真步数设置为360。最后进行仿真分析，得到悬点的位移、速度和加速度曲线，如图4所示。

图4 仿真得到的悬点位移、速度和加速度

对比图3与图4悬点的位移、速度和加速度曲线，可以看出悬点的位移、速度和加速度曲线变化规律完全一致，说明所设计的摆动导杆式抽油机符合设计要求。

4 摆动导杆式抽油机与常规抽油机的对比分析

图5为相同冲程、冲次的情况下，常规型抽油机与摆动导杆式抽油机悬点加速度曲线对比图。

悬点加速度决定了惯性载荷的大小，加速度越小，悬点的动力性能就越好。从图6我们可以看出：①摆动导杆式抽油机初始加速度小于常规型抽油机的加速度，说明在初始阶段，摆动导杆式抽油杆受到的惯性载荷小于常规型抽油杆受到的惯性载荷，根据采油工程原理，上行程时加速度过大会导致泵汲效果的降低，因此，摆动导杆式抽油机具有比常规型抽油机较好的泵汲效果；②摆动导杆式抽油机加速度在上下冲程中更加平缓，满足动载荷逐渐增加或减小的原则，更有利于抽油机的工作。

图5 两种抽油机加速度对比图

5 结束语

(1) 运用Pro/E软件强大的三维设计能力进行摆动导杆式抽油机数字样机的设计，然后运用解析法建立摆动导杆机构的数学模型，求解导杆的位移、速度和加速度并借助MATLAB软件绘制其曲线。

(2) 将Pro/E软件绘制的三维模型导入ADAMS软件中进行仿真分析，测得驴头上悬绳器的位移、速度和加速度曲线，对比仿真曲线与理论计算的运动学曲线，结果表明二者完全一致。

(3) 对比摆动导杆式抽油机和常规型抽油机加速度曲线，结果表明：摆动导杆式抽油机加速度更小、曲线更平缓，更符合采油泵汲理论和抽油机设计要求，能更进一步地降低抽油机的能耗，达到节能降耗的目的。

参考文献：

[1] 苏德胜，刘先刚，吕卫祥.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械,2001,29(5):49-53.

[2] 张晓东，贾国超.关于我国抽油机发展的几点思考[J].石油矿场机械，2008,37(1):24-37.

[3] 孙文，王三民，任涛.新型摆动导杆式抽油机方案设计与动力学分析.[J].现代制造工程，2014(3):119-121.

[4] 任涛.抽油机系统优化设计分析与MATLAB应用[M].北京：石油工业出版社，2015.

[5] 张庆功，马晓丽，周兆忠.基于Adams软件的摆动导杆机构的运动学分析[J].轻工机械，2008，26(5)：38-39.

[6] 张晋西，郭学琴，林昌华，等.牛头刨床机构虚拟样机分析[J].机械与电子，2006(9)：63-65.