一种无游梁液压抽油机的仿真与实验研究

陈靖超　袁锐波　刘永亮

摘要： 设计了一种无游梁式液压抽油机的原理并研究其工作平衡方法，建立了AMESim仿真模型，分析了回路和蓄能器在系统中的作用，通过仿真与实验结合的方式证明设计的无游梁式液压抽油机平衡方式的准确性。

Abstract： The principle of a beamless hydraulic pumping unit is designed and the working balance method is studied. The AMESim simulation model is established， the function of circuit and accumulator in the system is analyzed， and the accuracy of the beamless hydraulic pumping unit balance is proved by combination of simulation and experiment.

关键词： 液压抽油机；平衡度；AMESim

Key words： hydraulic pumping unit；balance degree；AMESim

中图分类号：TE933 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0126-04

0 引言

无游梁式液压抽油机具有冲程、冲次可以无级调节结构简单、维护方便等特点，所以液压抽油机越来越多地被应用在了石油开采中。

本文建立了无游梁式液压抽油机的AMESim仿真模型，对液压系统进行研究，并通过现场的实验研究分析了液压抽油机的平衡性。

1 无游梁式液压抽油机的工作原理

1.1 无游梁式液压抽油机的结构

图1表示无梁式液压抽油机的结构简图。该液压抽油机液压系统组成部分包括液压管道、液压阀、集成块、液压泵、油箱、异步电机、蓄能器等，机械结构主要包括爬梯、复合液压缸、光杆连接器、支架、底座等。

1.2 液压抽油机的工作原理

抽油机是由异步电机驱动液压泵把电能转化为液压能，由液压阀调节液压系统所需的压力和流量以及执行机构复合液压缸的速度和输出力，带动抽油杆上下往复运动。

2 液压系统工作原理

如图2所示为本文所研究的液压抽油机主要由以下几个回路组成。

图2中各数字代表构件含义如表1所示。

2.1 换向回路

下行程中，换向阀10在右位工作。此时液压泵2输出的高压油经过液控单向阀8流入复合液压缸的19.3腔，19.2腔的液压油经过液控单向阀9流回油箱。由于19.3腔液压油压力高于19.2腔，上行程时高压油经过液控单向阀9流入复合液压缸的19.2腔，19.3腔的低压油经过液控单向阀8流回油箱。

2.2 平衡回路

下冲程时液压缸19.4腔中的液压油进入蓄能器7，蓄能器7吸收存储抽油杆下降时的重力势能和液压泵所做的功，由于有初始压力，可以平衡液压缸19.3负载腔的压力。上行程时，蓄能器7释放存储的能量，与19.2负载腔的压力一起克服抽油杆与油液的重量，推动液压缸上行。在一个周期中，蓄能器7能存储能量起到平衡的作用，并在上行程时充当辅助动力的作用。

2.3 补油回路

当抽油机运行到上下死点的瞬间，高压油通过顺序阀15向蓄能器14充液。上冲程时，换向阀11换向，与主油路相通，蓄能器14向主油路供油。抽油机上行速度大于下行速度，充满系数增大，效率提高。当主油路有压力波动时，补油回路也能吸收冲击。

3 负载平衡计算

3.1 液压缸的力平衡方程

液压缸受力示意图如图3所示，现定义如下参数：

图3中各参数代表含义如表2所示。

上冲程时，悬点载荷最大为FM，此时液压缸的力平衡方程式为：F+FL=FM（1）

下冲程时，悬点载荷最小为Fm，此时液压缸的力平衡方程式为：F-FL=Fm （2）

3.2 蓄能器状态方程

本论文研究的液压抽油机液压系统中使用皮囊式蓄能器，其理想气体状态方程为[1]：

由于蓄能器一次充放液的时间小于1分钟，时间较短，因此能够看为是绝热过程，故上式中的多变指数取n=1.4，此外，为提高蓄能器的利用率，可以令P0=0.9P1。

3.3 系统计算[2][3]

现已知抽油机的最大冲程和最大冲次分别为3m和6次/min，抽油机的悬点最小载荷为30kN，悬点最大载荷为100kN，并且综合上式从而得到以下参数。

4 整个液压系统在AMESIM中的建模[4]

模型的搭建。如圖4所示为整个液压系统的AMESim模型。

参数设置。根据上文分析，液压抽油机上行程负载为100kN，上行程为30kN。液压系统的仿真时间设置为60s，采样间隔设置为0.01s。

仿真结果与分析：

4.1 平衡回路蓄能器的工作状态

由图5可知，在下行程时，液压缸下腔的高压油流入蓄能器，上冲程时蓄能器中的液压油又流入液压缸的下腔，如图所示，下冲程中蓄能器的流量只是在换向的瞬间有轻微的波动，但不影响液压缸的稳定性。

4.2 补油回路工作状态

图6中1端口为在上下行程中进入到补油回路中蓄能器的流量曲线。从图中可以看出在抽油机的上下死点时，高压油会流入蓄能器进行能量存储并进行缓冲。

4.3 平衡回路蓄能器充气压力对平衡度的影响

如图7和图8所示仿真结果：随着蓄能器充气压力的增大，抽油机上行时的负载压力增大，抽油机下行时的负载压力减小。经过对图像计算，当蓄能器的充气压力为135bar时，抽油机的平衡度达到最大值0.998，并且高于理论计算值0.972。endprint

5 现场试验研究

在实验现场根据一系列国家标准进行施工[5-8]，根据现场测得的数据，绘制出液压抽油机一个周期的拉力曲线如图9所示。

拉力曲线可以看出，液压抽油机在换向的时候有细微的振动，与仿真结果相似，但不影响该机的运行和性能，该机在工作时基本匀速，运行平稳，达到了设计要求。

由图10分析得出上下行程负载对时间的积分，求出平衡度达到0.933。相比常规游梁式抽油机具有很大提升。

6 总结

①设计了一种液压抽油机平衡的基本方法，经过计算负载平衡度为0.972。比传统抽油机有了很大的提高。②为了提高蓄能器利用率令蓄能器最佳充气压力为P0=0.9P1。③液压系统的仿真的结果和数值分析的结果总体一致。为新型抽油机的设计提供了理论依据。④通过分析仿真结果得出结果与计算结果基本一致，在抽油机换向瞬间会有轻微的震动。⑤通过现场实验研究得到本文研究的液压抽油机平衡度为0.933，具有很高的平衡度。

参考文献：

[1]Jyrki T. Kajaste，Heikki O. J. Kauranne，Asko U. Ellman，Matti T. Pietola.The Effect of Parameter Uncertainty on the Reliability of Pressure Accumulator Simulations. ASME Conf. Proc. 2002. 2002.

[2]刘长年.ASC液压抽油机全局参数的匹配方法[J].石油矿场机械，2003（2）：25-27.

[3]邬亦炯.抽油机[M].北京：石油工业出版社，1994：101-107.

[4]付永领，祁晓野AMEsim系统建模和仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[5]阿里木汉.抽油机发展趋势研究[J].中国石油和化工标准与质量，2011（09）.

[6]GB/T3766-2001，液压系统通用技术条件[S].

[7]方仁杰，朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析[J].钻采工艺，2011（02）.

[8]Q/YNX 002—2014，无梁式液压抽油机[S].endprint