， 　(河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 河南 洛陽　471003)

引言

抽油機是我國石油開采作業(yè)的主要機械設(shè)備，它的性能直接影響到油田的經(jīng)濟(jì)效益。抽油機往往工作在環(huán)境比較惡劣的條件下，因此在抽油機投入作業(yè)之前都要經(jīng)過嚴(yán)格的性能測試。如果采用作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行試驗，需要大量運輸成本和研究經(jīng)費，為解決以上困難設(shè)計模擬抽油機工作的加載系統(tǒng)。抽油機加載具有特殊性，一方面要按照懸點運動規(guī)律加載，另一方面要克服位移帶來的干擾。通過對抽油機工作情況和示功圖的分析，提出了一種位移閉環(huán)力反饋控制電液伺服系統(tǒng)，能夠有效實現(xiàn)抽油機加載。

1　抽油機加載介紹

抽油機工作過程分為上下兩個沖程交替進(jìn)行，上沖程時活塞上行，游動閥受油管內(nèi)活塞以上液柱的壓力作用而關(guān)閉，并排出活塞沖程一段液體。由于泵筒內(nèi)壓力下降，固定閥被油套環(huán)行空間液柱壓力頂開，井內(nèi)液體進(jìn)入泵筒內(nèi)，充滿活塞上行所讓出的空間。下沖程時活塞下行，由于泵筒內(nèi)液柱受壓，壓力增高，而使固定閥關(guān)閉?；钊^續(xù)下行，泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高，當(dāng)泵筒內(nèi)壓力超過油管內(nèi)液柱壓力時，游動閥被頂開，液體從泵筒內(nèi)經(jīng)空心活塞上行進(jìn)入油管。因此抽油機在工作中具有較復(fù)雜的力變化情況，如圖1所示。

圖1　抽油機正常工作示功圖

根據(jù)抽油機示功圖可以看出抽油機加載系統(tǒng)主要存在兩個核心要求：首先抽油機加載裝置能按照懸點的位移-力變化規(guī)律對其加載；其次在控制加載力的同時應(yīng)按照抽油機的運動規(guī)律形成示功圖曲線。這種加載系統(tǒng)的最大難點在于位移的干擾性，即加載系統(tǒng)的多余力。

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1　液壓系統(tǒng)方案設(shè)計

抽油機加載系統(tǒng)工作參數(shù)具有其特殊性，抽油機工作直線行程達(dá)8 m，最大載荷達(dá)20 t，上下行程中載荷變化范圍較大，其上行程載荷在5～20 t之間變化，下行程載荷在0～20 t之間變化，最大每分鐘交變次數(shù)為35。

通過分析采用液壓缸作為加載執(zhí)行元件，配合滑輪進(jìn)行工作，以減少液壓缸的行程。抽油機加載系統(tǒng)由于隨抽油機進(jìn)行運動，因此會導(dǎo)致加載時刻受到運動干擾，這種干擾稱為多余力。為了克服這種干擾，設(shè)計了一種抽油機電液伺服加載系統(tǒng)，引用位置輔助同步補償校正的方法。該方法首先采用位置閉環(huán)系統(tǒng)，模擬抽油機沖程動作。除此之外采用了位移閉環(huán)、力反饋以及性能較好的伺服閥組成輔助控制系統(tǒng)，實現(xiàn)力的加載。

抽油機電液伺服加載系統(tǒng)如圖2所示，主泵2、3為供油泵，實現(xiàn)液壓缸的運動，泵1為輔助泵實現(xiàn)加載系統(tǒng)的控制油路。由于上下沖程中壓力變化較大，并且交變次數(shù)較高，系統(tǒng)選用蓄能器減少能耗。

2.2　液壓系統(tǒng)說明

上沖程時，液壓缸被抽油機拖拽運動，上腔排油，通過控制上腔壓力即排油背壓，控制上沖程加載載荷?？紤]行程較大采用滑輪機構(gòu)拉動液壓缸，根據(jù)滑輪機械結(jié)構(gòu)原理，得滑輪機構(gòu)系統(tǒng)拉力:

F拉=2F懸

式中：F拉為拉桿受力，即活塞桿受力，N；F懸為懸繩器受力，N。

通過對抽油機示功圖分析，抽油機在上沖程時，達(dá)到最大負(fù)載時，取系統(tǒng)壓力：

p=25 MPa

則液壓缸活塞桿無桿端面積：

抽油機工作過程中沖程較大，交變次數(shù)大，因此要求加載液壓缸的運動速度，加速度能達(dá)到對應(yīng)較大的值，本系統(tǒng)設(shè)計中選用差動液壓缸，則：

式中，D為液壓缸無桿腔直徑,mm；d為液壓缸有桿腔直徑,mm。

圖2　電液伺服加載系統(tǒng)

帶入A=0.01568 m2計算得到d=141.3 mm，則D=199.8 mm

取圓整后：D=200 mm，d=140 mm

則圓整后活塞無桿端面積：

返算的系統(tǒng)最高壓力：

3　基于AMESim軟件的液壓系統(tǒng)仿真

3.1　液壓系統(tǒng)搭建

為了縮短研究周期、降低研究成本及風(fēng)險，進(jìn)行了液壓加載系統(tǒng)性能仿真研究，液壓系統(tǒng)的仿真可以對系統(tǒng)的工作性能提供了更具體的理論數(shù)據(jù)，為加載系統(tǒng)的制造及改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

仿真利用AMESim中成熟的元件模塊進(jìn)行建模，液壓缸的運動軌跡模仿抽油機的懸點運動路線，驢頭式抽油機運動為往返運動，運動過程速度和加速度都在不停改變，在保證位移的情況下合理加減速。本系統(tǒng)加載仿真模型如圖3所示。模型對系統(tǒng)原理圖進(jìn)行了簡化，采用單泵，設(shè)置泵的排量轉(zhuǎn)速滿足要求省去了蓄能器，這種簡化對系統(tǒng)的工作性能的仿真并無影響。伺服方向閥的控制信號由輸入信號和位移監(jiān)測信號決定，通過比較環(huán)節(jié)，PID控制器實現(xiàn)液壓缸位移運動的控制。通過分析抽油機示功圖，得到位移和加載力的關(guān)系通過位移—力函數(shù)和輸出力監(jiān)測反饋，控制比例溢流閥，實現(xiàn)加載力控制。

圖3　加載系統(tǒng)仿真模型

在元件模塊的AMESim/Parameter參數(shù)模式中，根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計中的分析計算設(shè)定系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

3.2　仿真結(jié)果分析

仿真中設(shè)定液壓缸運動情況為正弦函數(shù)曲線， 使其運動過程中能夠以低速度和加速度伸出，逐漸加速然后減速平穩(wěn)到運動最高點，之后液壓缸桿相似運動方式收回完成一次沖程。仿真情況如圖4所示，圖中實線1為給定運動信號，虛線2為反饋位置信號，液壓缸在8 s內(nèi)完成一個沖程，伸出和收回各占用4 s，分析圖中曲線可以看出液壓缸位置能及時跟隨輸入信號改變，起始階段由于外力阻力作用液壓缸實際運動滯后于給定運動偏差量為1/40即2.5%，運行至2 s時液壓缸能有效跟隨控制信號運動，收回時由于系統(tǒng)阻力影響收回位移滯后于控制量偏差最大為2/40即5%，中間運行過程能準(zhǔn)確跟隨正弦函數(shù)變化，滿足加載位置運動系統(tǒng)要求。

表1　仿真主要參數(shù)

圖4　液壓缸位移曲線

仿真系統(tǒng)中加載力的控制根據(jù)示功圖，采集液壓缸位置信號進(jìn)行函數(shù)計算，作為給定加載力信號，采集實際液壓缸輸出力作為反饋控制信號，通過PID模塊處理控制比例溢流閥實現(xiàn)加載力的控制。如圖5為對應(yīng)液壓缸加載情況的變化，橫坐標(biāo)為位移，縱坐標(biāo)為加載力信號，實線3為設(shè)定力變化情況，虛線4為加載力變化情況。系統(tǒng)啟動時液壓缸處于零力狀態(tài)，加載力給定有一個初始值使溢流閥建立一個較小壓力，克服系統(tǒng)慣性和摩擦阻力，使液壓缸可以平穩(wěn)運動，之后逐步增加加載力， 根據(jù)力學(xué)基本模型合力=阻力+慣性

力，隨著液壓缸的位移加速度逐漸減小，因此輸出力和控制力之間差值逐漸減小，兩條線逐漸靠近。最終加載力線4為19970～20010 N之間，最大偏差為30/20000 即0.15%，滿足加載系統(tǒng)要求。

圖5　液壓缸加載力

4　結(jié)論

本研究通過對抽油機工況分析，提出了一種電液控制的抽油機加載系統(tǒng)，能夠模擬抽油機運動的位置和力的變化。加載系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制和入力函數(shù)反饋控制，控制液壓缸的位移運動和加載力，模擬抽油機的運動和負(fù)載力。該系統(tǒng)能有效用于檢測抽油機的工作情況，減少抽油機現(xiàn)場故障幾率，降低生產(chǎn)成本。

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