基于Matlab的W7型抽油机悬点运动分析*

2018-03-13魏航信吕冰欣

机械研究与应用 2018年1期

伊鹏，魏航信，杨康，吕冰欣

(西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065)

0 引言

抽油机是最常用的采油设备,占采油设备的80%以上,而常规游梁式抽油机是全世界石油开采的主导机型,具有结构简单、可靠耐用等许多优点,但其能耗高、调参作业复杂繁重、制造成本高等缺点也日益突出[1-2]。因此改进抽油机的设计方法显得越来越重要[3]。为了满足长庆低渗透油田的地质特点，尤小荣等人[2]在W8、W6型常规复合平衡抽油机的基础上成功研制出CYJW7-2.5-18HF(简称W7)型非标抽油机。设计结构采用了弯梁变矩平衡与曲柄平衡相结合的方式，有效地削减峰值扭矩，改善了抽油机的平衡状况，降低了能耗、提高了效率[4]。现场测试表明,该抽油机在进行调参作业时节省人力,在恶劣工况下的平衡率仍可达到85%以上,节电效果显著,性能价格比高[5]。

1 机构及原理

1.1 弯游梁式抽油机结构特点

弯游梁抽油机其主要结构在于把游梁后臂制造成弯曲形，并在尾部增加数量和位置可调的游梁平衡部分，和曲柄平衡共同构成复合平衡方式，提高平衡效果。通过加强平衡效果改善受力状况达到节的目的[6]。弯游梁式抽油机结构如图1所示。

图1 弯游梁式抽油机结构1.悬绳器 2.吊绳 3.驴头 4.游梁 5.支架 6.游梁静支撑 7.横梁 8.连杆 9.尾游梁装置 10.曲柄销装置 11.曲柄装置12.减速器 13.刹车装置 14.底座 15.胶带 16.电动机17.电控箱

1.2 弯游梁式抽油机性能特点

弯游梁式抽油机特殊的多组合式游梁和曲柄平衡配置,可以与悬点载荷进行较好的平衡,有效地减小输出净扭矩的波动值,达到减小动力配置、提高效率和降低能耗之目的。此外,可以使抽油机的主要结构件受力大幅度减小,提高抽油机的工作可靠性[7]。

2 W7-2.5-18HF抽油机悬点运动分析

2.1 抽油机几何尺寸分析

图2为弯游梁式抽油机运动简图。

图2 弯游梁式抽油机运动简图

图中量符号说明：A为游梁前臂长度；M为游梁支点到弯点长度；N为游梁弯点到连杆节点长度；P为连杆长度；R为曲柄长度；I为游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离；H为游梁支撑中心到底座底部的高度；G为减速器输出轴到底座底部的高度；J为曲柄销中心到游梁支撑中心之间的距离；K为极距，即游梁支撑中心到减速器输出轴的中心距离；χ为C与J的夹角；ρ为K与J的夹角；Ψ为C与K的夹角；Ψb为驴头在下死点位置的ψ角；Ψt为驴头在上死点位置的ψ角；β为C与P的夹角，称为传动角；α为R与P的夹角；θ为曲柄转角，以曲柄半径R处于6点钟位置作为零度，沿曲柄旋转方向度量；λ为游梁弯曲角度；φ为零度线与K的夹角，由零度线到K沿曲柄旋转方向度量；D为曲柄旋转方向指数(规定以悬点处于下死点处，曲柄背向支架旋转D=1；曲柄指向支架旋转D=-1。

如图2，在三角形1中，由反正切定理可得：

在三角形2中，由勾股定理可得：

在三角形3中，由余弦定理及正弦、反正弦定理可分别求得：

在三角形4中，由反余弦定理可得：

在三角形5中，由余弦定理可得：

再由角度几何关系可得：

ψ=χ+ρ，α=2π-β-ψ-(θ+φ)

当抽油机驴头位于下死点位置时，其几何关系如图3所示。

图3 驴头下死点运动简图

根据图中R、P、K、C构成的三角形应用反余弦定理，可得：

同理可得抽油机驴头位于上死点时的，应用反余弦定理[8]：

2.2 抽油机运动分析

曲柄转角为θ时，悬点相对于下死点位移为：

SA=A(ψb-ψ)

曲柄转动角速度：

式中：n为抽油机冲次。

由速度瞬心法可以导出悬点速度：

悬点速度对时间t的一阶导数即为悬点加速度[8]：

3 Matlab编程仿真

CYJW7-2.5-18HF几何技术参数如表1。

表1 W7型抽油机技术参数

将上表中A=2.5 m；C=1.3 m；P=3.45 m；I=1.9 m；G=2 m；R=0.609 m；λ=160°；D=1附入Matlab程序中，运行仿真后得到图4。

图4 曲柄正转悬点运动曲线

将D=-1重新附入程序中，其余参数不发生变化，运行仿真后如图5。

图5 曲柄反转悬点运动曲线

分别将R=0.609 m、0.498 m、0.379 m；N=5 min-1、3.5 min-1、2.5 min-1；D=1，附入程序，其余参数不变。运行仿真如图6。

4 结论

(1) 图4中，当曲柄背向机架转动时发现弯游梁抽油机具有不对称性。将图4、5的位移曲线进行对比发现，曲柄背向和面向机架进行转动，驴头均处于上死点位置时，曲柄转过的角度分别为大于和小于180°。在工程中需要抽油机在上冲程所用时间较长，而下冲程时间较短。因此在W7型抽油机在油田应用时，应让曲柄背向机架进行转动。

(2) 参考图6，发现当W7型抽油机的曲柄长度为0.609 m时，抽油机冲程为最大2.5 m，但加速度曲线在驴头处于上死点位置时存在突变。