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      新型游梁變矩抽油機(jī)平衡計算方法

      2014-12-25 08:30:00秦倫周思柱李寧曾豪勇易文君
      機(jī)械工程師 2014年11期
      關(guān)鍵詞:臂長游梁沖程

      秦倫, 周思柱, 李寧, 曾豪勇, 易文君

      (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

      0 引言

      目前油田應(yīng)用的游梁平衡抽油機(jī),尾部的游梁平衡臂一般是彎曲的,且彎曲角度固定,因此其調(diào)節(jié)平衡的方式是通過調(diào)節(jié)游梁上的配重來實現(xiàn)[1]。調(diào)節(jié)配重時,首先需要使抽油機(jī)停止工作,然后在游梁尾部增加或減少平衡塊的數(shù)量。但該方式不能使抽油機(jī)連續(xù)生產(chǎn),且不利于實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[2]介紹了一種數(shù)字化抽油機(jī),在游梁尾部安裝調(diào)節(jié)裝置,通過改變游梁平衡塊的位置來調(diào)節(jié)平衡,并配以控制元件和程序,實現(xiàn)了抽油機(jī)的自動調(diào)節(jié)。該種調(diào)節(jié)方式屬于游梁變矩調(diào)節(jié),是一種新的調(diào)節(jié)方式,但文中沒有給出平衡計算方法。本文對一種類似的游梁變矩抽油機(jī)進(jìn)行了分析計算,不同的是,該抽油機(jī)是通過調(diào)節(jié)懸臂彎曲角度來改變平衡臂的長度,進(jìn)而實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)的。抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)的前提是平衡計算,本文根據(jù)抽油機(jī)上、下沖程做功相等準(zhǔn)則,上、下沖程曲柄扭矩峰值相等準(zhǔn)則,以及曲柄凈扭矩均方根值最小準(zhǔn)則,推導(dǎo)出了計算游梁平衡臂長的三種方程。由于方程涉及復(fù)雜的積分,因此直接求解將會十分困難,本文采用MATLAB來對其進(jìn)行求解。計算結(jié)果表明,根據(jù)不同平衡準(zhǔn)則計算的結(jié)果有所差異,筆者對此差異進(jìn)行了比較和分析。文中提出的平衡調(diào)節(jié)及其計算方法可以為同類型的抽油機(jī)設(shè)計計算提供借鑒。

      1 曲柄扭矩分析

      圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

      圖1所示為該型抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖,對其進(jìn)行受力分析可求得曲柄軸上的凈扭矩表達(dá)式。曲柄上的扭矩由減速箱輸出扭矩M(即曲柄凈扭矩),曲柄自重Wc和曲柄平衡重Wcb產(chǎn)生的平衡扭矩,以及連桿拉力產(chǎn)生的扭矩這幾部分構(gòu)成,取力矩平衡可得

      忽略游梁平衡重的慣性影響[3],則游梁上的扭矩由懸點(diǎn)載荷W產(chǎn)生的油井負(fù)荷扭矩,游梁輔助平衡重Wab和游梁結(jié)構(gòu)不平衡重B產(chǎn)生的平衡扭矩構(gòu)成,取力矩平衡可得

      聯(lián)立式(1)、(2)可求得曲柄扭矩表達(dá)式為

      2 游梁變矩抽油機(jī)平衡計算

      本文所采取的兩種平衡計算方法分別是基于以下三種準(zhǔn)則進(jìn)行的[4]。

      2.1 抽油機(jī)上、下沖程電機(jī)做功相等

      該平衡準(zhǔn)則指出,若要保證抽油機(jī)平衡,那么在抽油機(jī)的上沖程和下沖程中,電動機(jī)所做的功必須相等。電機(jī)所做的功即為曲柄凈扭矩對曲柄轉(zhuǎn)角的積分[5]。如圖2所示,取12點(diǎn)鐘為零點(diǎn)位置,抽油機(jī)曲柄由A1位置順時針轉(zhuǎn)到A2位置的過程為上沖程,其角坐標(biāo)由θ0變化到λ+π+θ0;曲柄由A2位置順時針轉(zhuǎn)到A1位置的過程為下沖程,其角坐標(biāo)由 λ+π+θ0變化到2π+θ0。于是可得上、下沖程電動機(jī)所做的功分別為:

      圖2 上、下沖程臨界位置

      圖3 平衡計算程序流程

      抽油機(jī)平衡時,有

      直接將式(4)和式(5)代入式(6),則很難求得游梁平衡臂長Z的表達(dá)式,因此采用MATLAB數(shù)值計算的方法,編寫了平衡計算程序,這也為實現(xiàn)抽油機(jī)平衡的自動調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)已知的模型抽油機(jī),其臂長的初值為 Z0,代入Wu和Wd的表達(dá)式,計算它們的比值,若比值范圍為0.99Wd時,變化量為正,當(dāng)Wu

      2.2 上、下沖程曲柄扭矩峰值相等

      該平衡準(zhǔn)則指出,若要保證抽油機(jī)平衡,那么抽油機(jī)在上沖程和下沖程的曲柄扭矩峰值應(yīng)該相等。曲柄扭矩的表達(dá)式為

      上、下沖程扭矩峰值相等時有

      在MATLAB中編程計算滿足式(8)Z的值。

      2.3 曲柄凈扭矩均方根值最小理論

      該平衡準(zhǔn)則指出,若要保證抽油機(jī)平衡,那么抽油機(jī)在一個沖程過程中曲柄凈扭矩的均方根值最小。均方根扭矩為

      當(dāng)均方根扭矩最小時,有

      于是可得

      在MATLAB中編程計算滿足式(11)Z的值。

      2.4 三種方法的結(jié)果與比較

      本文以實驗室中的一個模型抽油機(jī)為研究對象,將其初始臂長調(diào)節(jié)為750 mm。將結(jié)構(gòu)參數(shù)和模擬懸點(diǎn)載荷代入上述三種準(zhǔn)則的計算程序,求出抽油機(jī)的平衡臂長Z,所得結(jié)果如表1所示。調(diào)整前和調(diào)整后的扭矩曲線如圖4所示。

      表1 三種方法計算得到的平衡臂長Z mm

      由表1和圖4可看出,基于不同平衡準(zhǔn)則計算得到的平衡臂長有所不同,因而繪制出的扭矩曲線也不同。

      調(diào)整前的扭矩曲線如圖4(a)所示,此時的抽油機(jī)是不平衡的。

      根據(jù)上、下沖程做功相等準(zhǔn)則得到的扭矩曲線如圖4(b)所示,前文指出,電機(jī)所做的功即為曲柄凈扭矩對曲柄轉(zhuǎn)角的積分,其幾何意義為圖中扭矩曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積,由于上沖程的扭矩曲線形狀比下沖程的扭矩曲線形狀瘦,因此當(dāng)兩部分的面積相等時,上沖程的扭矩曲線峰值要比下沖程的扭矩峰值高。

      根據(jù)上、下沖程扭矩峰值相等準(zhǔn)則得到的扭矩曲線如圖4(c)所示,從圖中可以明顯看出,根據(jù)該準(zhǔn)則調(diào)整平衡后的上、下沖程扭矩峰值幾乎相等。但此時的面積是不相等的,也即上、下沖程做的功不相等。

      圖4 各種狀態(tài)的扭矩曲線

      根據(jù)均方根扭矩最小準(zhǔn)則得到的扭矩曲線如圖4(d)所示。由均方根扭矩的定義知,該曲線橫坐標(biāo)對應(yīng)的扭矩值的平方和是最小的。

      由于抽油機(jī)在工作時,不可能同時滿足上述三個平衡準(zhǔn)則,進(jìn)行抽油機(jī)的平衡調(diào)節(jié)時,可分別按照上述三種準(zhǔn)則對該種形式的抽油機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié),比較節(jié)能效果,綜合考慮各因素后,取合適的平衡臂長。

      3 結(jié)論及建議

      1)通過分析游梁變矩抽油機(jī)的扭矩,得到基于三種不同平衡準(zhǔn)則的游梁平衡臂長計算公式,為此類型的抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)提供了理論基礎(chǔ)。此外,編寫了求解公式的計算程序,為實現(xiàn)抽油機(jī)平衡自動調(diào)節(jié)奠定了基礎(chǔ)。

      2)三種方法得到的平衡臂長有所不同,具體哪一種方法對于此類型的抽油機(jī)節(jié)能效果更好,或是綜合這三種方法的效果更好,還有待于下一步的試驗來進(jìn)行驗證。

      [1] 周紅杰,鄭德貴,徐鵬.基于MATLAB對游梁式抽油機(jī)平衡參數(shù)優(yōu)化的研究[J].制造業(yè)信息化,2011(4):74-75.

      [2] 吉效科,許麗,智勇.新型數(shù)字化抽油機(jī)的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2013,41(10):96-99.

      [3] 陶興明.抽油機(jī)扭矩的計算及節(jié)能效果評價[J].油氣田地面工程,2010,29(8):23-25.

      [4] 孫延安.游梁式抽油機(jī)合理平衡判別方法研究[J].石油機(jī)械,2014,42(3):72-75.

      [5] 張琪,趙長祿.抽油機(jī)扭矩曲線的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,1984,13(1):22-28.

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