，

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

引言

液壓抽油機(jī)具有整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、長沖程、低沖次、耗能低、性能可靠等特點(diǎn)[1-3]，因此其在油田的采油作業(yè)中得到較快的發(fā)展。但是，目前油田生產(chǎn)中所使用的液壓抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)還是多以采用換向閥結(jié)合換向回路的方式解決抽油機(jī)上下沖程換向的問題，這種方式不僅使換液壓系統(tǒng)更加繁瑣，而且換向閥的低壽命和高使用率也縮短了它的使用壽命，從而增加了液壓抽油機(jī)的檢修頻率。

為了解決以上問題，設(shè)計(jì)了特殊結(jié)構(gòu)的多腔式液壓缸，并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改善，系統(tǒng)中利用雙向液壓泵代替了換向閥與換向回路，由控制單元控制其油液輸出方向，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)上、下沖程的轉(zhuǎn)換。筆者有機(jī)地將液壓缸與系統(tǒng)回路相結(jié)合，顯著地提高了液壓缸的工作效率，并可達(dá)到延長使用壽命的目的。此外，該設(shè)計(jì)在液壓缸的工作腔上外連蓄能器，蓄能器回收抽油桿下行時(shí)所釋放出來的重力勢(shì)能，在上行時(shí)重新利用，達(dá)到高效節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓系統(tǒng)

圖1是該抽油機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)主油路采用雙向液壓泵供油系統(tǒng)，抽油桿上行時(shí)，雙向液壓泵9向液壓缸20的油腔Q1、Q3供油，抽油桿下行時(shí)，雙向液壓泵9向油腔Q2供油，并由變頻電機(jī)10控制吸入液壓缸所需要的流量?？刂茊卧刂齐p向液壓泵9的油液輸出方向，從而改變液壓缸20的運(yùn)動(dòng)方向[3]。主油路中，單向閥12的兩個(gè)出油口與溢流閥13相連，此設(shè)計(jì)可由溢流閥13控制主回路的工作壓力，減少了溢流閥的使用量。而單向閥11的兩個(gè)進(jìn)油口與補(bǔ)油回路相連，可保證補(bǔ)油回路隨時(shí)向主油路進(jìn)行補(bǔ)油，補(bǔ)油回路的補(bǔ)油壓力由溢流閥6進(jìn)行控制。

1.油箱 2.過濾器 3.補(bǔ)油液壓泵 4.補(bǔ)油電機(jī) 5、11、12、14.單向閥 6、13、17.溢流閥 7、18.蓄能器 8.壓力表 9.雙向液壓泵 10.主電機(jī) 15、16、19.截止閥 20.液壓缸 21.負(fù)載圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 工作原理

首次上行程時(shí)，液壓油通過截止閥15進(jìn)入油腔Q1，此時(shí)由于蓄能器中未充入液壓油，油腔Q3—蓄能器回路處于低壓狀態(tài)，油箱向蓄能器18和油腔Q3提供油液，使活塞桿上行帶動(dòng)抽油桿實(shí)現(xiàn)上行程作業(yè)。

當(dāng)活塞上行到行程終點(diǎn)時(shí)，控制單元發(fā)出信號(hào)，改變雙向液壓泵9的工作方向，開始進(jìn)入下沖程階段。此時(shí)，液壓泵向油腔Q2供油，油腔Q1回油，與下沖程載荷一起推動(dòng)負(fù)載下行，并將油腔Q3中的液壓油回充到蓄能器18中，將能量儲(chǔ)存起來。

當(dāng)活塞下行至行程終點(diǎn)時(shí)，雙向液壓泵9由控制單元控制，改變工作方向，再次進(jìn)入上沖程階段。再次上沖程中，雙向液壓泵9向油腔Q1供油，油腔Q2回油，同時(shí)蓄能器18向油腔Q3釋放上次回收的能量，與油腔Q1中的油壓作用力共同推動(dòng)活塞桿上行，實(shí)現(xiàn)上沖程作業(yè)。

1.3 液壓配重原理

在該抽油系統(tǒng)中，采用以蓄能器為載體、配重量可調(diào)節(jié)的液壓配重方式[1,2]。蓄能器18在下沖程時(shí)，儲(chǔ)存油腔Q3回充的液壓油，再在上行程中，向油腔Q3釋放上次回收的能量，與油腔Q1中的油壓作用力共同推動(dòng)活塞桿上行。此種配重方式，不僅顯著地降低了系統(tǒng)的裝機(jī)功率，而且可回收下沖程時(shí)抽油桿釋放的重力勢(shì)能，再重新利用于上行程中，從而達(dá)到提高效節(jié)能的目的。

2 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為多腔式液壓缸的基本結(jié)構(gòu)。該液壓缸可看做是活塞缸和柱塞缸的組合體，活塞缸的活塞桿Ⅰ用于起升抽油桿，同時(shí)也是柱塞缸的缸筒，柱塞缸的柱塞與活塞缸的缸底相連，這樣，活塞桿Ⅰ與柱塞桿Ⅱ?qū)⒁簤焊追殖?個(gè)油腔Q1、Q2、Q3。此外，在缸頭處接有集油腔，當(dāng)缸頭處有油液泄漏，油液會(huì)進(jìn)入集油腔，可通過出油口14將油液排出。

1.集油腔 2.缸頭 3油腔Q2 4.活塞桿Ⅰ 5.O形密封圈 6.油腔Q3 7.缸底 8、9、13、14.進(jìn)(出)油口 10.柱塞桿Ⅱ 11.油腔Q1 12.缸筒Ⅲ圖2 多腔式液壓缸基本結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 技術(shù)指標(biāo)

給定的抽油機(jī)實(shí)際工況條件：抽油機(jī)上沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)的載荷為100 kN，下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)的載荷為20 kN，最大沖程6 m，最大沖次4 min-1，主油路壓力p1=14 MPa，最大流量為50 L/min。

3.2 液壓缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1) 配重平衡的載荷

根據(jù)滑輪組的原理，液壓缸總負(fù)載為：上沖程m上g=200 kN， 下沖程m下g=40 kN，則配重平衡的載荷為：

圖3 多腔式液壓缸受力分析圖

則系統(tǒng)主油路需平衡的載荷為：

F1=m上g-F2=80 kN

2) 活塞桿Ⅰ的尺寸

對(duì)于活塞桿Ⅰ，其長度LⅠ>> 10D，所以應(yīng)按照壓桿穩(wěn)定性確定并校核活塞桿Ⅰ。液壓缸的材料選用低碳鋼，其柔性系數(shù)φ1=90，末端系數(shù)φ2按一端固定一段自由計(jì)算，可得φ2=0.25，彈性模量E=2.06×1011N/m2。

負(fù)載作用到活塞桿Ⅰ上的等效力Feq為2G：

Feq=2G=200 kN

(1)

由于抽油機(jī)最大沖程Hmax=6 m，則活塞桿Ⅰ的伸長量約為H/2，考慮到一定的余量，活塞桿Ⅰ的長度為LⅠ=H/2+0.5=3.5 m。

(2)

由歐拉公式得：

(3)

并取安全系數(shù)n=4，則：

(4)

由式(3)可得:

(5)

可得λ1和DⅠ的取值關(guān)系表1。

表1 λ1和DⅠ的取值關(guān)系

3) 柱塞桿Ⅱ的尺寸

設(shè)柱塞桿Ⅱ的內(nèi)外徑之比為λ2=dⅡ/DⅡ，末端系數(shù)φ2按一端固定一段自由計(jì)算，即φ2=0.25，同理可得：

(6)

上沖程中，F(xiàn)1=80 kN，F(xiàn)2=120 kN，由于p1=F1/AⅡ，則柱塞桿Ⅱ的受力有：

(7)

類似于活塞桿Ⅰ，取安全系數(shù)n=4，由歐拉公式得：

(8)

可得λ2和DⅡ的取值關(guān)系表2。

表2 λ2和DⅡ的取值關(guān)系

4) 液壓缸缸筒Ⅲ的尺寸

由于采用閉式回路，Ⅰ和Ⅲ之間的環(huán)形腔的面積應(yīng)與柱塞桿Ⅱ的橫截面積相等，即：

(9)

(10)

取壁厚t111=15 mm，則:

D111=d111+2t111=210 mm

(11)

由于抽油機(jī)最大沖程為6 m，活塞桿Ⅰ所需要提供的最小形成為2.5 m，考慮到余量，取LⅠ=LⅡ=LⅢ=3.5 m。由以上計(jì)算可得液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 三腔式液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 液壓泵所需提供的流量

設(shè)液壓泵所需提供的流量為Qp。由于抽油機(jī)沖次為4 min-1，折算為負(fù)載的運(yùn)行速度約為0.8 m/s。由運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可得，活塞桿Ⅰ的速度為v=0.8/2=0.4 m/s，由此可得到液壓泵所需要提供的流量為：

Qp=vAⅡ=163.6 L/min

(12)

3.4 系統(tǒng)的裝機(jī)功率

系統(tǒng)的裝機(jī)功率由液壓泵的出口壓力p1、流量Qp和整個(gè)系統(tǒng)的效率η決定，則有：

W=p1Qp/η=54.5 kW

(13)

考慮總效率η=0.7，包括系統(tǒng)的整機(jī)效率，機(jī)械效率以及摩擦損失等。

3.5 配重的規(guī)格

當(dāng)液壓抽油機(jī)上行程時(shí)，蓄能器提供的平衡力F2=120 kN， 此時(shí)蓄能器的工作壓力為p2：

液壓缸活塞桿的有效行程L=3 m，則蓄能器提供給回路的油液的體積：

(15)

設(shè)蓄能器在抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)提供的壓力波動(dòng)控制在±10%以內(nèi)，則蓄能器回路的最大工作壓力pmax=1.1p2，最小工作壓力pmin=0.9p2，充氣壓力p充氣=0.8pmin[8]。

蓄能器的工作過程按絕熱狀態(tài)計(jì)算，則所需的蓄能器的總?cè)莘e為：

(16)

選用容量為500 L的蓄能器(組)可以滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié)論

本研究提出了一種多腔式液壓抽油機(jī)的設(shè)計(jì)方案，通過將特殊結(jié)構(gòu)的多腔式液壓缸、液壓配重方式和液壓調(diào)速系統(tǒng)相結(jié)合，其具有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：① 整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，適應(yīng)各種工作場(chǎng)合； ② 采用多腔式液壓缸與蓄能器相結(jié)合，既大幅度降低了系統(tǒng)裝機(jī)功率，又能夠回收抽油桿下行時(shí)釋放出來的重力勢(shì)能，并在抽油桿上行的時(shí)候重新利用，具有顯著的節(jié)能效果； ③ 采用閉式液壓調(diào)速系統(tǒng)，不需要換向閥及換向回路就可執(zhí)行機(jī)構(gòu)換向，不僅使系統(tǒng)相對(duì)變得簡單，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)換向，而且有效地解決了換向造成的磨損，可以達(dá)到延長抽油機(jī)的使用壽命的目的； ④ 系統(tǒng)中壓力表和溢流閥的應(yīng)用，分別在電氣和液壓兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過載保護(hù)。在電氣方面，采用了電接觸式的壓力表，當(dāng)壓力超過系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，將會(huì)自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)的電源。在液壓方面，當(dāng)系統(tǒng)過載時(shí)，安全閥和主溢流閥將開啟溢流，控制系統(tǒng)壓力，使其不至過高而發(fā)生事故。

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