滚筒式抽油机加动载荷模拟试验装置设计

刘永平，崔润中，许 杰，廖福林，邓海青

(兰州理工大学 机电工程学院，兰州 730050)

随着油田中后期开采程度的加深，油井含水量逐渐上升，动液面不断下降，出现水淹井现象。我国油田有许多是稠油井，这要求抽油机能够实现长冲程、低冲次，提高采油率[1]。抽油机换向装置的工作方式直接影响着抽油机的工作效率。在文献[2]中提出了一种新型非圆齿轮行星轮系换向装置的滚筒式抽油机。为了研究该抽油机的负载特性，并能在试验室内进行抽油机的载荷模拟试验，有必要设计一套能够加动态载荷的模拟试验装置。抽油机的加载具有特殊性，一方面要按照悬点运动规律进行动态载荷加载，另一面要克服位移的干扰。关于抽油机加载的基本试验方法，国内已做过一些研究[3-6]，现有的试验加载方法存在设备复杂，以及与实际抽油过程差异较大，导致试验结果失真等不足。为此，设计了一套能够满足试验要求的加载系统，后期搭建了试验平台，对换向装置做了有效的试验测试分析，验证了非圆齿轮行星系统换向装置可实现高精度的换向传动目的，也为后续抽油机换向装置结构改进和提高效率提供可靠的数据支撑。

1 抽油机加载系统

根据换向装置和模拟加载系统的实际特点，以及在低成本的同时保证系统运行可靠性高、调试及维修简便的试验要求，并参考文献[2]的相关技术，结合系统的整体情况对加载方案进行设计。

1.1 抽油机负载介绍

抽油机的抽油过程分为上下两个冲程，交替进行。上冲程时活塞上行，游动阀受油管内活塞以上液柱的压力作用而关闭，并排出活塞冲程一段液体。由于泵筒内压力下降，固定阀被油套环形空间内液柱压力顶开，井内液体进入泵筒内，充满活塞上行所让出的空间。下冲程时，活塞下行，由于泵筒内液柱受压，压力增高，而使固定阀关闭。活塞继续下行，泵内压力继续升高，当泵筒内压力超过油管内液柱压力时，游动阀被顶开，液体从泵筒内经空心活塞上行进入油管[7]。因此，抽油机在工作中具有较复杂的力变化情况，如图 1 所示。

图1 抽油泵的工作原理

根据图2抽油机示功图可以看出，抽油机加载试验系统主要存在两个核心要求：①抽油机加载装置能按照悬点的位移-力变化规律对其加载；②在控制加载力的同时，应按照抽油机的运动规律形成示功图曲线。

图2 抽油机正常工作示功图

1.2 滚筒式抽油机加载试验系统组成

滚筒式抽油机是由电机驱动，通过新型换向装置传动，通过滚筒和天轮引导钢丝绳牵引抽油杆做上下运动，进而实现抽油过程。该抽油机采用了非圆行星轮行换向装置。设计的滚筒式抽油机加动载荷试验系统如图3所示。该试验装置是根据实际抽油机的尺寸，按1∶4的比例缩小而设计的。为了模拟油井及其抽油过程中的载荷，设计了模拟井筒、法码和油路系统。设计的测试系统可以测取悬点的拉力、位移、速度，得到示功图。

1—油箱；2—比例溢流阀；3—自重砝码；4—悬绳器；5—拉力传感器；6—模拟井筒；7—滚筒；8—桁架；9—天轮；10—钢丝绳；11—配重；12—电缆；13—电动机；14—换向及减速装置；15—转速传感器。

1.3 模拟井筒加载方案设计

在确保试验准确性的情况下，尽可能地模拟出实际抽油情况。本文设计了模拟井筒动态加载方案，如图4所示。

试验所用滚筒式抽油机模型是按1∶4比例缩小设计的，同样，该加载方案根据实际抽油设备尺寸，按1∶4的比例缩小。根据缩小后的比例选取液压缸做模拟井筒。采用吊挂砝码的方式增加抽油杆的自重力，实现抽油过程中的下行程。在悬绳器处安装拉力传感器，通过型号为SBT951力值显示控制仪，将拉力数据转化为电信号，实时传输到上位机。在换向装置的输出端，采用型号为MK8020G的编码器，采集输出轴的转速信号，并实时传输到上位机。通过自编软件，将负载的电信号和转速的电信号处理为实时曲线图或实时数据。通过MATLAB和Origin软件对数据进行拟合处理，得到实时的示功图。

模拟井筒的油路如图4。在下行程时，电磁阀打开，单向比例调速阀关闭，实现吸油过程；在上行程时，电磁阀关闭，单向比例调速阀打开，实现排油过程。通过控制单向比例调速阀，实现对载荷的调控。

图4 模拟井筒及油路结构

2 动态参数模型及仿真分析

2.1 系统仿真数学模型

试验装置的电机与齿轮箱输入轴的传动比ip=4∶1，齿轮箱输出轴与滚筒之间的传动比il=1∶2，滚筒半径rg=160 mm。包括非圆行星轮换向装置在内的其他参数见文献[8]。建立滚筒式抽油机试验模型的数学模型。

输出角速度ω1：

(1)

式中：ωH为输入角速度，恒定。

悬点速度v：

v=ip·ωH·rg·il

(2)

换向装置输出摆角φ1：

(3)

由式(3)得悬点位移S：

S=φ1·rg·il·ηl

(4)

式中：ηl为链轮的传动效率。

对以上理论数学模型，运用MATLAB软件进行处理，可得到理论动态模型。用SolidWorks软件对抽油机整体机构进行三维建模，将换向装置及加载装置三维模型导入Adams软件中，建立滚筒式抽油机整体虚拟样机[9]。根据滚筒式抽油机模拟装置实际工作状况和试验设备，在输入端添加旋转副。为减小振动对换向装置工作稳定性的影响[8]，此次仿真将虚拟样机中转速大小设为电机在5 Hz时，换向装置输入端的转速为10 (°)/s，仿真时间分别设置为60 s，计算步数设置为500步。参数设置完毕后，对系统进行仿真，并得到该装置的虚拟仿真运动情况。

2.2 仿真结果与分析

仿真结束后，在Adams软件结果Postprocessor模块可以查看仿真的计算结果，分别得出滚筒式抽油机换向装置输出轴摆角、角速度以及抽油机加载装置的悬点位移、悬点速度仿真曲。用MATLAB软件对数学模型进行求解，得出悬点运动的理论值曲线，并逐个对其进行分析。

图5为换向装置输出轴的摆角及其角速度，从图5a可知，该换向装置的摆角呈周期性变化，输出摆角的最大值φmax=49.2°，最小值φmin=-49.2°。

a 输出轴摆角位移

b 输出轴角速度

经过链传动到滚筒和钢丝绳，可仿真出抽油机系统悬点位移和悬点速度曲线，如图6所示。图7为悬点位移和悬点速度的理论曲线。从图6a及图7a可知，系统仿真出的悬点位移曲线与理论悬点位移曲线一致，抽油行程为430 mm，冲次为1.5 min-1。由图6b及图7b可知，悬点速度基本一致。由于齿轮传动过程中的机械振动，导致模拟仿真时悬点速度有轻微的波动。由图6b可知，悬点速度最大为71.26 mm/s。由图5b曲线所表现的特性可知，该方案运动过程中有急回特性，即在工作行程时速度慢，在空行程时速度快。

通过仿真结果与理论值比较可知，该试验系统运动方案可行，并且符合实际抽油机运动情况。

a 悬点位移

b 悬点速度

a 悬点位移

b 悬点速度

3 试验测试与分析

3.1 设备技术参数

试验所采用的抽油机模型的技术参数如表1所示。

表1 CYJJH-430型滚筒式抽油机模型的技术参数

采用三相异步电机作为系统的驱动，用HXB8000-G3-4T-2.2变频器和PLC控制对电机实施频率控制。在悬点处安装拉力感应器，通过DY220显示控制器实时对拉力信号进行信号采集与输送。将采集的拉力信号传输到自编程序中进行处理，可以得到拉力与时间关系的变化曲线图以及实时数据。如图8为动态负载信号采集处理软件的操作界面。

图8 动态负载信号处理软件界面

建立好试验平台，在各监测装置安装检查无误后，启动电机并将电机频率调至5 Hz稳定工作状态，选择合适的位置作为存储记录的特征点，拉力传感器对悬点载荷进行实时数据采集存储，并将存储信号传输至采集卡及信号调理器中进行数据后处理。后期将悬点载荷与时间关系的数据同悬点位移与时间关系的数据进行同步拟合处理。

3.2 悬点示功图

将加载装置测得的实时负载和位移数据采用最小二乘拟合处理[10]，得到实测示功图，如图9所示。

图9 实测示功图

将拟合处理后的实测示功图与模拟仿真计算出的示功图作对比，如图10所示，可知：实测结果与模拟仿真计算出的悬点示功图基本符合，基本能反应出抽油机的实际工作状况。在设计负载范围及设计冲次内，抽油机在整个抽油工作过程中相对平稳，并能够实现在工作行程时速度慢，空行程时速度快的急回特性，提高了抽油效率，与预期设计该新型抽油机应达到的抽油效果基本一致，验证了该新型非圆齿轮行星轮系换向装置能够应用于实际抽油工作中。

图10 理论示功图与实测示功图

4 结论

1) 根据滚筒式抽油机的实际工作原理，设计了一套负载试验装置，真实地还原了抽油机实际工作的负载情况。

2) 对提出的新型抽油机换向装置和负载装置进行了建模，并结合实际工作参数对抽油机模拟装置做了运动仿真，得出实际条件下机构的摆角、角速度以及悬点位移和悬点速度的变化情况，并做了详细分析。

3) 建立了实际的试验平台，对整个抽油机系统进行了动态加载试验。对试验得出的实测示功图与预测计算出的示功图进行了比对，得出该负载试验装置能够反映抽油机负载特性，为抽油机加载试验提供了一种方便可靠的试验装置。

4) 通过试验分析得知，非圆行星轮换向装置能够应用于抽油机系统中，且可以达到工作平稳和急回特性的目的，提高了抽油效率。