陳靖超　袁銳波　劉永亮

摘要： 設(shè)計(jì)了一種無游梁式液壓抽油機(jī)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統(tǒng)中的作用，通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式證明設(shè)計(jì)的無游梁式液壓抽油機(jī)平衡方式的準(zhǔn)確性。

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.

關(guān)鍵詞： 液壓抽油機(jī)；平衡度；AMESim

Key words： hydraulic pumping unit；balance degree；AMESim

中圖分類號：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0126-04

0 引言

無游梁式液壓抽油機(jī)具有沖程、沖次可以無級調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn)，所以液壓抽油機(jī)越來越多地被應(yīng)用在了石油開采中。

本文建立了無游梁式液壓抽油機(jī)的AMESim仿真模型，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究，并通過現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)研究分析了液壓抽油機(jī)的平衡性。

1 無游梁式液壓抽油機(jī)的工作原理

1.1 無游梁式液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖1表示無梁式液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。該液壓抽油機(jī)液壓系統(tǒng)組成部分包括液壓管道、液壓閥、集成塊、液壓泵、油箱、異步電機(jī)、蓄能器等，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括爬梯、復(fù)合液壓缸、光桿連接器、支架、底座等。

1.2 液壓抽油機(jī)的工作原理

抽油機(jī)是由異步電機(jī)驅(qū)動液壓泵把電能轉(zhuǎn)化為液壓能，由液壓閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)所需的壓力和流量以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合液壓缸的速度和輸出力，帶動抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動。

2 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖2所示為本文所研究的液壓抽油機(jī)主要由以下幾個(gè)回路組成。

圖2中各數(shù)字代表構(gòu)件含義如表1所示。

2.1 換向回路

下行程中，換向閥10在右位工作。此時(shí)液壓泵2輸出的高壓油經(jīng)過液控單向閥8流入復(fù)合液壓缸的19.3腔，19.2腔的液壓油經(jīng)過液控單向閥9流回油箱。由于19.3腔液壓油壓力高于19.2腔，上行程時(shí)高壓油經(jīng)過液控單向閥9流入復(fù)合液壓缸的19.2腔，19.3腔的低壓油經(jīng)過液控單向閥8流回油箱。

2.2 平衡回路

下沖程時(shí)液壓缸19.4腔中的液壓油進(jìn)入蓄能器7，蓄能器7吸收存儲抽油桿下降時(shí)的重力勢能和液壓泵所做的功，由于有初始壓力，可以平衡液壓缸19.3負(fù)載腔的壓力。上行程時(shí)，蓄能器7釋放存儲的能量，與19.2負(fù)載腔的壓力一起克服抽油桿與油液的重量，推動液壓缸上行。在一個(gè)周期中，蓄能器7能存儲能量起到平衡的作用，并在上行程時(shí)充當(dāng)輔助動力的作用。

2.3 補(bǔ)油回路

當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行到上下死點(diǎn)的瞬間，高壓油通過順序閥15向蓄能器14充液。上沖程時(shí)，換向閥11換向，與主油路相通，蓄能器14向主油路供油。抽油機(jī)上行速度大于下行速度，充滿系數(shù)增大，效率提高。當(dāng)主油路有壓力波動時(shí)，補(bǔ)油回路也能吸收沖擊。

3 負(fù)載平衡計(jì)算

3.1 液壓缸的力平衡方程

液壓缸受力示意圖如圖3所示，現(xiàn)定義如下參數(shù)：

圖3中各參數(shù)代表含義如表2所示。

上沖程時(shí)，懸點(diǎn)載荷最大為FM，此時(shí)液壓缸的力平衡方程式為：F+FL=FM（1）

下沖程時(shí)，懸點(diǎn)載荷最小為Fm，此時(shí)液壓缸的力平衡方程式為：F-FL=Fm （2）

3.2 蓄能器狀態(tài)方程

本論文研究的液壓抽油機(jī)液壓系統(tǒng)中使用皮囊式蓄能器，其理想氣體狀態(tài)方程為[1]：

由于蓄能器一次充放液的時(shí)間小于1分鐘，時(shí)間較短，因此能夠看為是絕熱過程，故上式中的多變指數(shù)取n=1.4，此外，為提高蓄能器的利用率，可以令P0=0.9P1。

3.3 系統(tǒng)計(jì)算[2][3]

現(xiàn)已知抽油機(jī)的最大沖程和最大沖次分別為3m和6次/min，抽油機(jī)的懸點(diǎn)最小載荷為30kN，懸點(diǎn)最大載荷為100kN，并且綜合上式從而得到以下參數(shù)。

4 整個(gè)液壓系統(tǒng)在AMESIM中的建模[4]

模型的搭建。如圖4所示為整個(gè)液壓系統(tǒng)的AMESim模型。

參數(shù)設(shè)置。根據(jù)上文分析，液壓抽油機(jī)上行程負(fù)載為100kN，上行程為30kN。液壓系統(tǒng)的仿真時(shí)間設(shè)置為60s，采樣間隔設(shè)置為0.01s。

仿真結(jié)果與分析：

4.1 平衡回路蓄能器的工作狀態(tài)

由圖5可知，在下行程時(shí)，液壓缸下腔的高壓油流入蓄能器，上沖程時(shí)蓄能器中的液壓油又流入液壓缸的下腔，如圖所示，下沖程中蓄能器的流量只是在換向的瞬間有輕微的波動，但不影響液壓缸的穩(wěn)定性。

4.2 補(bǔ)油回路工作狀態(tài)

圖6中1端口為在上下行程中進(jìn)入到補(bǔ)油回路中蓄能器的流量曲線。從圖中可以看出在抽油機(jī)的上下死點(diǎn)時(shí)，高壓油會流入蓄能器進(jìn)行能量存儲并進(jìn)行緩沖。

4.3 平衡回路蓄能器充氣壓力對平衡度的影響

如圖7和圖8所示仿真結(jié)果：隨著蓄能器充氣壓力的增大，抽油機(jī)上行時(shí)的負(fù)載壓力增大，抽油機(jī)下行時(shí)的負(fù)載壓力減小。經(jīng)過對圖像計(jì)算，當(dāng)蓄能器的充氣壓力為135bar時(shí)，抽油機(jī)的平衡度達(dá)到最大值0.998，并且高于理論計(jì)算值0.972。endprint

5 現(xiàn)場試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場根據(jù)一系列國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工[5-8]，根據(jù)現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)，繪制出液壓抽油機(jī)一個(gè)周期的拉力曲線如圖9所示。

拉力曲線可以看出，液壓抽油機(jī)在換向的時(shí)候有細(xì)微的振動，與仿真結(jié)果相似，但不影響該機(jī)的運(yùn)行和性能，該機(jī)在工作時(shí)基本勻速，運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

由圖10分析得出上下行程負(fù)載對時(shí)間的積分，求出平衡度達(dá)到0.933。相比常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有很大提升。

6 總結(jié)

①設(shè)計(jì)了一種液壓抽油機(jī)平衡的基本方法，經(jīng)過計(jì)算負(fù)載平衡度為0.972。比傳統(tǒng)抽油機(jī)有了很大的提高。②為了提高蓄能器利用率令蓄能器最佳充氣壓力為P0=0.9P1。③液壓系統(tǒng)的仿真的結(jié)果和數(shù)值分析的結(jié)果總體一致。為新型抽油機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。④通過分析仿真結(jié)果得出結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致，在抽油機(jī)換向瞬間會有輕微的震動。⑤通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究得到本文研究的液壓抽油機(jī)平衡度為0.933，具有很高的平衡度。

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