滑輪增程式液壓抽油機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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(中國(guó)石油大學(xué) (華東)機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

引言

目前在我國(guó)油田采油作業(yè)中游梁抽油機(jī)作為有桿采油機(jī)械的主力軍，但隨著油田開(kāi)采的持續(xù)，游梁式抽油機(jī)暴露出功耗高、沖程沖次調(diào)節(jié)困難、不適應(yīng)稠油開(kāi)采等問(wèn)題[1]。本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種沖程大、沖數(shù)低且沖程沖次無(wú)級(jí)可調(diào)的滑輪增程式液壓抽油機(jī)。

設(shè)計(jì)的滑輪增程式液壓抽油機(jī)的原理：一是利用液壓缸的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抽油桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[2]，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)抽油過(guò)程的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；二是利用動(dòng)滑輪的增程作用，使抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度是液壓缸行程的兩倍，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程而減少了液壓缸的實(shí)際行程；三是利用機(jī)械配重和蓄能器復(fù)合平衡，將與機(jī)械配重相等的懸點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)移到機(jī)架上，可以有效的減小液壓平衡蓄能器的容量，降低液壓抽油機(jī)制造成本?；喸龀桃簤撼橛蜋C(jī)的原理如圖1所示。上行程：在液壓力的作用下復(fù)合液壓缸活塞向上運(yùn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)動(dòng)滑輪10向上運(yùn)動(dòng)，動(dòng)滑輪10的向上運(yùn)動(dòng)通過(guò)高強(qiáng)度皮帶6(或者鋼絲繩)來(lái)驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)械配重塊在自重作用下也向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)皮帶5作用于懸點(diǎn)，對(duì)懸點(diǎn)有向上的作用力，復(fù)合液壓缸和機(jī)械平衡塊共同來(lái)提升懸點(diǎn)載荷，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)上行抽油運(yùn)動(dòng)。下行程：下行程過(guò)程與上行程相同也主要有兩部分作用力來(lái)共同作用，一部分為復(fù)合液壓缸的作用力，另一部分為機(jī)械平衡重的自身重力。當(dāng)懸點(diǎn)到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，在復(fù)合液壓缸液壓力和機(jī)械平衡重力的共同作用下，復(fù)合液壓缸的活塞桿下行，帶動(dòng)動(dòng)滑輪10下行，從而使聯(lián)接懸點(diǎn)以活塞桿兩倍的速度下行。同時(shí)復(fù)合液壓缸的活塞下行將復(fù)合液壓缸下腔中的油液壓入液壓系統(tǒng)中的蓄能器，從而將下行程中懸點(diǎn)載荷和液壓系統(tǒng)所做的功儲(chǔ)存在蓄能器中，將機(jī)械平衡重提升到高點(diǎn)儲(chǔ)存勢(shì)能。

1.配重塊 2.后固定天輪 3.前固定天輪 4.機(jī)架 5.機(jī)械配重聯(lián)接皮帶 6.舉升液壓缸聯(lián)接皮帶 7.復(fù)合液壓缸a腔室 8.復(fù)合液壓缸b腔室 9.復(fù)合液壓缸c腔室 10.動(dòng)滑輪總成圖1 滑輪增程式液壓抽油機(jī)原理

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滑輪增程式液壓抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷由復(fù)合液壓缸的活塞桿驅(qū)動(dòng)，懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與活塞桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接相關(guān)，其液壓傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。它由主回路、剎車回路、消振回路、液壓平衡回路等組成。

1.1 復(fù)合液壓缸的設(shè)計(jì)

復(fù)合液壓缸采用的是B油口和C油口不同時(shí)接液壓泵的出口，而是B油口連接蓄能器組，C油口連接液壓泵出口。這樣復(fù)合缸的b腔作為一個(gè)壓力轉(zhuǎn)換器，在抽油機(jī)下行程時(shí)將抽油桿柱的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)在蓄能器中，等上行程時(shí)用來(lái)舉升懸點(diǎn)載荷，其原理如圖3所示。

1.2 液壓回路的設(shè)計(jì)

1) 主回路的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的液壓抽油機(jī)主要執(zhí)行部件是一個(gè)復(fù)合液壓缸，其主回路就是由方向控制閥控制，同時(shí)在液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了蓄能器作為液壓平衡的儲(chǔ)能部件，液壓系統(tǒng)的主回路如圖2-Ⅱ框圖所示。它由復(fù)合液壓缸12、三位四通先導(dǎo)式電磁換向閥10、液控單向閥11、19(液壓鎖)和系統(tǒng)的變量液壓泵4、安全閥7、蓄能器9等組成。

1、6、17.單向閥 2、4.變量雙聯(lián)葉片泵 3、5.過(guò)濾器 7.安全閥 8、14、16、23.截止閥 9、13.蓄能器 10.先導(dǎo)式電磁換向閥 11、19.液控單向閥 12.復(fù)合液壓缸 15、22.壓力表 18、20.二位二通換向閥 21.節(jié)流閥 24.溢流閥 25.油池 26.冷卻器 27.加熱器28.溫度計(jì)29.液位計(jì) 30.二位三通換向閥 31.分流閥 32.制動(dòng)液壓缸圖2滑輪增程式液壓抽油機(jī)液壓系統(tǒng)圖

圖3 復(fù)合液壓缸的原理圖

2) 剎車回路的設(shè)計(jì)

為了抽油機(jī)在修井時(shí)能夠停留在任意位置，添加了主動(dòng)剎車系統(tǒng)。主動(dòng)剎車系統(tǒng)是通過(guò)液壓回路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)觸發(fā)剎車信號(hào)時(shí)液壓油進(jìn)入制動(dòng)液壓缸，推動(dòng)制動(dòng)液壓缸的活塞驅(qū)動(dòng)剎車片壓緊動(dòng)力皮帶，從而實(shí)現(xiàn)剎車。主動(dòng)剎車液壓系統(tǒng)如圖2-Ⅳ框圖所示，它由2個(gè)制動(dòng)液壓缸32、分流閥31和三位三通換向閥30組成。

3) 消振回路的設(shè)計(jì)

由于抽油機(jī)在實(shí)際工作中從上死點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)的瞬間懸點(diǎn)載荷并不等于最小值Fm，而是等于懸點(diǎn)的最大值FM，這個(gè)力大于作用在活塞上的向上的力，因此，在懸點(diǎn)載荷的驅(qū)動(dòng)下液壓缸活塞迅速下行，液壓缸活塞下行使與蓄能器連通的液壓缸b腔室中的液壓油進(jìn)入蓄能器，使蓄能器的壓力升高。同時(shí)懸點(diǎn)載荷迅速下降，因此作用在復(fù)合液壓缸活塞上的力又大于懸點(diǎn)載荷，從而使懸點(diǎn)向上移動(dòng)一段距離，這就使懸點(diǎn)出現(xiàn)了一次擺動(dòng)，之后懸點(diǎn)才會(huì)進(jìn)入正常的下行程運(yùn)動(dòng)。與上死點(diǎn)的情況類似，在下死點(diǎn)瞬間由于懸點(diǎn)載荷為最小值Fm，作用在復(fù)合液壓缸活塞上的力大于Fm，從而使懸點(diǎn)向上移動(dòng)一段距離?；钊w上移使蓄能器壓力降低，同時(shí)懸點(diǎn)載荷不斷增大，又使懸點(diǎn)載荷大于作用在活塞體上的力，從而懸點(diǎn)位移也發(fā)生擺動(dòng)，之后懸點(diǎn)才會(huì)進(jìn)入正常的上行程運(yùn)動(dòng)。為了消除擺動(dòng)，特設(shè)計(jì)了消振回路。消振回路由一個(gè)二位二通換向閥20和一個(gè)節(jié)流閥21并聯(lián)而成，如圖2-Ⅰ框圖所示。消振回路的工作原理是懸點(diǎn)在上下死點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，二位二通換向閥20開(kāi)啟，系統(tǒng)回油。當(dāng)懸點(diǎn)在上死點(diǎn)或者下死點(diǎn)換向的瞬間，換向閥關(guān)閉，系統(tǒng)只通過(guò)節(jié)流閥21回油，因此復(fù)合液壓缸的回油腔產(chǎn)生很大的背壓，從而抵消復(fù)合液壓缸活塞體上的作用力與懸點(diǎn)載荷之間的不平衡，使懸點(diǎn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，不再出現(xiàn)擺動(dòng)。

4) 液壓平衡回路的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的液壓抽油機(jī)采用液壓平衡和機(jī)械平衡相結(jié)合的復(fù)合式平衡方法。機(jī)械平衡與常規(guī)的機(jī)械平衡結(jié)構(gòu)相同，液壓平衡主要由復(fù)合液壓缸12、蓄能器13、單向閥17、二位二通電磁換向閥18、定量液壓泵2、溢流閥24組成，如圖2-Ⅲ框圖所示。液壓平衡回路的原理是，當(dāng)復(fù)合液壓缸活塞上行時(shí)，與蓄能器連通的腔體積變大，蓄能器釋放出儲(chǔ)存的液壓油幫助舉升懸點(diǎn)；當(dāng)復(fù)合液壓缸活塞下行時(shí)，與蓄能器連通的腔體體積變小，液壓油被壓入蓄能器存儲(chǔ)起來(lái)，用來(lái)在上行程舉升懸點(diǎn)載荷。同時(shí)為了防止由于系統(tǒng)的泄漏蓄能器的壓力減小從而不能滿足系統(tǒng)工作要求，利用液壓泵2在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?yàn)樾钅芷餮a(bǔ)油。

2 液壓系統(tǒng)仿真分析

利用AMESim軟件[3]對(duì)滑輪增程式液壓抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。依據(jù)設(shè)計(jì)的滑輪增程式液壓抽油機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖，利用AMESim中各元件庫(kù)中的模型搭建液壓抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 液壓抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)模型

按照所建的AMESim模型對(duì)抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為180 s，仿真結(jié)果用曲線表示。對(duì)所設(shè)計(jì)的滑輪增程式液壓抽油機(jī)來(lái)說(shuō)我們主要分析的是懸點(diǎn)的位移、速度、加速度。根據(jù)所設(shè)計(jì)的液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，所施加給復(fù)合液壓缸的載荷為懸點(diǎn)載荷與機(jī)械配重差值的兩倍，施加在復(fù)合液壓缸上的載荷曲線如圖5所示。利用AMESim軟件在圖5所示載荷作用下，沖程為6 m，沖次為4的工況下進(jìn)行仿真，得到液壓抽油機(jī)的有關(guān)參數(shù)曲線。圖6為懸點(diǎn)位移曲線，圖7為懸點(diǎn)速度曲線，圖8所示為懸點(diǎn)加速度曲線。

圖5 復(fù)合液壓缸載荷曲線

圖6 懸點(diǎn)位移曲線

圖7 懸點(diǎn)速度曲線

圖8 懸點(diǎn)加速度曲線

從仿真所得的曲線中可以看出抽油機(jī)懸點(diǎn)近似做勻速運(yùn)動(dòng)，只有在換向時(shí)速度有所波動(dòng)存在加速度，也就是抽油機(jī)的換向有沖擊。從圖8所示懸點(diǎn)加速度曲線可以清楚的看到在抽油機(jī)換向時(shí)由于載荷的突變引起換向沖擊。

3 結(jié)論

依據(jù)滑輪增程式液壓抽油機(jī)的要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了其液壓控制系統(tǒng)，并借助AMESim仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 設(shè)計(jì)的液壓控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)滑輪增程式液壓抽油機(jī)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)制動(dòng)、消振和平衡功能。

(2) 利用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出了懸點(diǎn)的位移曲線、速度曲線和加速度曲線。從曲線中可看出設(shè)計(jì)的滑輪增程式液壓抽油機(jī)懸點(diǎn)近似為勻速運(yùn)動(dòng)、換向平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

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