趙 元, 王曉方

(沈陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院,遼寧 撫順,113122)

并聯(lián)式抽油機(jī)的計(jì)算機(jī)仿真模擬

趙 元, 王曉方

(沈陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院,遼寧 撫順,113122)

借鑒機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的基本思想和并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論,將常規(guī)型游梁式抽油機(jī)和異相型游梁式抽油機(jī)并聯(lián)組合在一起,創(chuàng)立了抽油機(jī)聯(lián)機(jī)配對(duì)使用方案.按此方案，一臺(tái)抽油機(jī)的驢頭懸點(diǎn)到達(dá)最低點(diǎn)時(shí).另一臺(tái)抽油機(jī)的驢頭懸點(diǎn)恰好在最高點(diǎn).即把其中一臺(tái)抽油機(jī)的抽油桿在自重作用下下落而產(chǎn)生的能量通過(guò)曲柄傳給另一臺(tái)抽油機(jī),以提升抽油桿和液柱.實(shí)現(xiàn)了能量的充分利用和正向傳遞,基本解決了游梁式抽油機(jī)能耗大、效率低、能量倒流等的問(wèn)題.采用UG軟件對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的游梁式抽油機(jī)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真模擬，進(jìn)一步確定只有兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機(jī)組合,才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的匹配,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的正向轉(zhuǎn)移和充分利用.

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新; 聯(lián)機(jī)配對(duì); 抽油機(jī); 能量倒流; 仿真模擬

由于抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用維修方便的特點(diǎn)，因此到目前為止仍是開(kāi)采石油的主要設(shè)備[1].尤其是在油田露天工作的條件下,抽油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全天候工作,且性能可靠、使用壽命長(zhǎng).但是抽油機(jī)也存在著能量消耗大、工作效率低的缺點(diǎn),特別是在下沖程時(shí),抽油桿在自重的作用下出現(xiàn)了能量倒流,使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[2-3].為了解決這些問(wèn)題,從節(jié)能角度著手研制了異相型和前置型抽油機(jī);從平衡及節(jié)能角度著手研制了變平衡力矩抽油機(jī)、自動(dòng)平衡抽油機(jī)和隨動(dòng)平衡抽油機(jī).然而這些研究始終停留在原有抽油機(jī)的條件下所進(jìn)行的功能和結(jié)構(gòu)改進(jìn)上,沒(méi)能很好地解決抽油機(jī)存在的主要問(wèn)題[4-6].

為了更好地解決抽油機(jī)存在的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)降低采油成本和節(jié)能的目的,借鑒機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的思維模式,采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合的理論,擬定了游梁式抽油機(jī)聯(lián)機(jī)配對(duì)方案.并對(duì)并聯(lián)式抽油機(jī)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真模擬,初步確定了采用何種規(guī)格的抽油機(jī)并聯(lián)組合才能實(shí)現(xiàn)能量的正向轉(zhuǎn)移和充分利用.

1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論

兩個(gè)以上單一機(jī)構(gòu)并列布置,稱為并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合.根據(jù)動(dòng)力輸入、輸出的方式不同,并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型并聯(lián),如圖1所示.

圖1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論Fig.1 Parallel mechanism theory

2 抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合

依據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論,將異相型游梁式抽油機(jī)和常規(guī)型游梁式抽油機(jī)按照Ⅲ型并聯(lián)的方法組合成一臺(tái)新的抽油機(jī).它使用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)減速器作為機(jī)器的輸入,分別由異相型游梁式抽油機(jī)和常規(guī)型游梁式抽油機(jī)兩端輸出,如圖2所示.

圖2 抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合Fig.2 Pumping runit parallel mechanism combination

當(dāng)常規(guī)型游梁式抽油機(jī)在上沖程提升抽油桿

和液柱時(shí),減速器曲柄傳遞正扭矩;這時(shí)異相型游梁式抽油機(jī)卻為下沖程,抽油桿在自重的作用下下落,出現(xiàn)能量倒流,減速器曲柄產(chǎn)生了負(fù)扭矩,兩者恰好在峰值處抵消.同理,當(dāng)異相型游梁式抽油機(jī)為上沖程時(shí),常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的動(dòng)作與異相型游梁式抽油機(jī)為下沖程時(shí)的動(dòng)作同.這種抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合,是把其中一臺(tái)抽油機(jī)由于抽油桿自重下落產(chǎn)生的能量倒流,通過(guò)曲柄傳遞給了另一臺(tái)抽油機(jī),以提升抽油桿和液柱,實(shí)現(xiàn)能量的充分利用和正向轉(zhuǎn)移.再加上由于取消了曲柄上的配重,減輕了整機(jī)的質(zhì)量,并且在曲柄旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi),完成了兩個(gè)工作行程,因此節(jié)省了能量,提高了效率,降低了采油成本.

3 建立數(shù)學(xué)模型

抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合應(yīng)有嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系.依據(jù)該機(jī)構(gòu)組合的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(圖3),利用幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的有關(guān)理論,建立如下數(shù)學(xué)模型.

圖3 抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Pumping oil machine combination mechanism of parallel mechanism

3.1 角位移

根據(jù)平面四桿機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的理論,得到抽油機(jī)1和抽油機(jī)2的游梁擺動(dòng)的角位移ψ1,ψ2的有關(guān)方程式，分別為

式中:θ為曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,它是以r1和r2端部連線與lK1處于平行位置時(shí)作為零度,沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量的角度.φ1,φ2分別為垂線與lK1、垂線與lK2所夾的銳角.θ′=180°-κ+θ(根據(jù)圖3可以求得)為曲柄轉(zhuǎn)角為θ時(shí),r1和r2端部連線相對(duì)于lK2的角度,也是沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量得角度;κ為lK1與lK2所夾的銳角,可由余玄定理求得:

當(dāng)抽油機(jī)1和抽油機(jī)2的規(guī)格型號(hào)以及它們之間的相對(duì)位置確定后,各桿的長(zhǎng)度均為常量,角度κ，φ1，φ2也是常量,只有θ與θ′是變量.設(shè)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω,則θ=ωt.即θ與θ′均為時(shí)間t的函數(shù),則游梁擺動(dòng)角位移ψ1與ψ2也是時(shí)間t的函數(shù),為

3.2 角速度

ψ1與ψ2對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù),得到游梁擺動(dòng)的角速度χ1，χ2:

3.3 角加速度

ψ1與ψ2對(duì)時(shí)間t求二階導(dǎo)數(shù),得到游梁擺動(dòng)的角加速度ε1，ε2:

4 抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合的計(jì)算機(jī)仿真模擬

抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合是應(yīng)用機(jī)構(gòu)并聯(lián)理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一種抽油機(jī).理論依據(jù)可靠,工作原理可行.然而采用哪兩種規(guī)格的游梁式抽油機(jī)進(jìn)行組合,才能實(shí)現(xiàn)能量的正向轉(zhuǎn)移和充分利用,需要做進(jìn)一步的研究與探討.

根據(jù)抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合的工作原理和數(shù)學(xué)模型,采用UG軟件對(duì)兩種不同規(guī)格的游梁

式抽油機(jī)組合進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬.

4.1 不同規(guī)格抽油機(jī)的并聯(lián)組合

采用一大一小兩種規(guī)格的游梁式抽油機(jī)進(jìn)行仿真模擬.小規(guī)格的是常規(guī)型游梁式抽油機(jī),大規(guī)格的是異相型游梁式抽油機(jī),仿真模擬視頻截圖如圖4所示.

圖4 不同規(guī)格的抽油機(jī)并聯(lián)組合Fig.4 Parallel combination of pumping units with different specifications

從仿真模擬的結(jié)果來(lái)看,不同規(guī)格的游梁式抽油機(jī)組合,無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩種抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力匹配,也就不能實(shí)現(xiàn)能量的正向轉(zhuǎn)移和充分利用.

若小規(guī)格的是異相型游梁式抽油機(jī),大規(guī)格的是常規(guī)型游梁式抽油機(jī),情況也是如此,在此不再贅述.

4.2 相同規(guī)格抽油機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合

采用兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機(jī)進(jìn)行仿真模擬.兩種都是小規(guī)格的與兩種都是大規(guī)格的情況相同,仿真模擬視頻截圖如圖5所示.

圖5 相同規(guī)格的抽油機(jī)并聯(lián)組合Fig.5 Parallel combination of pumping units of the same spefication

從仿真模擬的結(jié)果來(lái)看,兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機(jī)組合,可以實(shí)現(xiàn)兩種抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力匹配,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的正向轉(zhuǎn)移和充分利用.

5 結(jié)論

為了解決游梁式抽油機(jī)能量消耗大、生產(chǎn)效率低以及能量倒流等問(wèn)題,達(dá)到降低采油成本和節(jié)能的目的,借鑒了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的思維模式,采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合的理論,將異相型游梁式抽油機(jī)和常規(guī)型游梁式抽油機(jī)并聯(lián)組合在一起,擬定了抽油機(jī)聯(lián)機(jī)配對(duì)方案.實(shí)現(xiàn)了其中一臺(tái)抽油機(jī)的驢頭懸點(diǎn)到達(dá)最低點(diǎn)時(shí),另一臺(tái)抽油機(jī)的驢頭懸點(diǎn)恰好在最高點(diǎn),即把其中一臺(tái)抽油機(jī)的抽油桿依靠自重下落而產(chǎn)生的能量倒流,通過(guò)曲柄傳遞給了另一臺(tái)抽油機(jī)，用來(lái)提升抽油桿和液柱,完成了能量的正向傳遞和充分利用.

為了進(jìn)一步確定哪兩種規(guī)格的游梁式抽油機(jī)組合才能實(shí)現(xiàn)上述目的,采用UG軟件對(duì)抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬.從仿真模擬的結(jié)果來(lái)看,只有兩種相同規(guī)格的游梁式抽油機(jī)并聯(lián)組合才能實(shí)現(xiàn)兩種抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力匹配,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的正向轉(zhuǎn)移和充分利用.

這種抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合方式理論依據(jù)可靠,工作原理可行.同時(shí),由于取消了曲柄上的配重,減輕了整機(jī)的質(zhì)量,并且在曲柄旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi),完成了兩個(gè)工作行程,節(jié)省了能量,提高了效率,降低了采油成本.特別是它不淘汰原有設(shè)備,不用重復(fù)投資,只需在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改造即可達(dá)到目的.

[1] 鄔亦炯.抽油機(jī)[M].北京；石油工業(yè)出版社,1994.

WU Yijiong.Oil pumping machine[M].Beijing: Petroleum Industry Press,1994.

[2] 王曉方.國(guó)內(nèi)外采油工業(yè)的現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨向研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2005(5)：4-6.

WANG Xiaofang.Research in the present and developing status of the oil producing internationally[J].China Mining Magazine,2005(5):4-6.

[3] 王曉方.游梁式抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合的研究[D].沈陽(yáng)；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2003.

WANG Xiaofang.The research on combination of parallel mechanism for floating frame oil pumping[D].Shenyang； Shenyang University of Technology,2003.

[4] 王曉方.游梁式抽油機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(3)：417-419.

WANG Xiaofang. Research in unite mechanism for floating frame oil pumping machine[J].Journal of Liaoning Technical University,2005(3):417-419.

[5] 李康舉，王曉方. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2012.

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ZHANG Huiping, ZHANG Jianrong, ZHANG Xiaojun. NX UG basic tutorial[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2014.

Computer simulation on parallel pumping units

Zhao Yuan, WANG Xiao-fang

( College of Mechanical and Vehicle Engineering , Shenyang Institute of Technology , Fushun 113122, China)

By combining the conventional beam-pumping and heterogeneous beam-pumping units in parallel, the pumping unit online-matching scheme is established based on the mechanism innovation and parallel mechanism theories. In this respect, the horsehead of one pumping unit reaches the lowest point, whilst that of the other one reaches the highest point. Alternatively, the backflow of falling energy from pumping rod weight is transferred to the other one via a crank. This can lift the pumping rod and liquid column for forward transferring and efficient energy usage, and resolve such problems as high energy consumption, low efficiency, energy backflow of beam pumping unit. Subsequently, the computer simulation is conducted using UGTM. Consequently, it is found that, only when the same specification is employed for the beam-pumping unit combination, the kinematic and dynamic matching, as well as forward transferring and full energy usage, can be realized.

mechanism innovation; online matching; pumping unit; energy backflow; computer simulation

2010年遼寧省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目計(jì)劃(L2010481)

趙 元,(1980-),男,副教授，碩士.E-mail:wxfmed@sohu.com

TE 355.5

A

1672-5581(2016)05-0432-04