郭李彤，周江濤

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著大量低滲透油田的開發(fā)和投入，使得下泵深度和排量不斷增加，對(duì)于稠油、高凝油等特種油田的開發(fā)，采油工藝對(duì)有桿抽油系統(tǒng)提出了長(zhǎng)沖程、低沖次等要求[1]；其次，游梁式抽油機(jī)采用四連桿機(jī)構(gòu)，決定了驢頭運(yùn)動(dòng)的不均勻性，為避免加速度過大，四連桿機(jī)構(gòu)中的游梁擺角和曲柄-連桿比都不能過大[2]。而使用無游梁式抽油機(jī)可減輕抽油機(jī)重量和體積，擴(kuò)大設(shè)備的使用范圍及改善其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，適用于長(zhǎng)沖程、低沖次，以及深井和稠油井的采油作業(yè)。

目前，常見的無游梁抽油機(jī)有鏈條抽油機(jī)、皮帶抽油機(jī)、液壓抽油機(jī)、直線電機(jī)抽油機(jī)等[3]。但是，在現(xiàn)有的多種無游梁抽油機(jī)中，當(dāng)無游梁抽油機(jī)作業(yè)時(shí)，上沖程和下沖程的懸點(diǎn)速度相同，傳遞效率低、功耗大，無法滿足低排量井抽油效率的要求。文中通過對(duì)無游梁抽油機(jī)換向部分的設(shè)計(jì)，來提高抽油機(jī)的工作效率，并提出相應(yīng)的控制方案。

1 工作原理

針對(duì)無游梁抽油機(jī)，適用于長(zhǎng)沖程、低沖次井的生產(chǎn)使用，但上沖程和下沖程的懸點(diǎn)速度相同，為了更大限度的提高效率、節(jié)約能耗，現(xiàn)提出一種設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)抽油的上沖程運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、下沖程運(yùn)行時(shí)間短。

1.1 換向部分工作原理

無游梁抽油機(jī)的換向機(jī)構(gòu)包括齒輪、空套齒輪、惰輪和離合器，通過控制離合器與空套齒輪的接合和斷開來控制抽油機(jī)的換向和變速。

如圖1，換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的換向和變速作用，Ⅰ軸為主動(dòng)軸，齒輪Z1和齒輪Z2通過鍵連接安裝在Ⅰ軸上，惰輪Z3空套在Ⅱ軸上，與齒輪Z2相嚙合，空套齒輪Z4和空套齒輪Z5空套在Ⅲ軸上，空套齒輪Z4與齒輪Z1嚙合，空套齒輪Z5與惰輪Z3嚙合。

抽油機(jī)進(jìn)行抽油作業(yè)時(shí)，上沖程過程中，控制離合器M1向左與空套齒輪Z4接合時(shí)，Z1和空套齒輪Z4嚙合，空套齒輪Z4與Ⅲ軸同向旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳到Ⅲ軸末端，可設(shè)置懸點(diǎn)速度??；而下沖程過程中，離合器M2向右與空套齒輪Z5接合，齒輪Z2和惰輪Z3嚙合，惰輪Z3和空套齒輪Z5嚙合，帶動(dòng)Ⅲ軸反向旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳到Ⅲ軸末端，可設(shè)置懸點(diǎn)速度大，且實(shí)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 換向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制部分工作原理

離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離和接合，其接合平穩(wěn)分離迅速而徹底[4-5]。

離合器M1和M2分別和齒輪Z4和Z5接合，通過控制離合器的分離和接合，可以使齒輪Z4或齒輪Z5帶動(dòng)Ⅲ軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)力傳給下一級(jí)。

1.3 平衡部分工作原理

抽油機(jī)的平衡裝置可以選擇安裝在Ⅲ軸末端上，在換向機(jī)構(gòu)的輸出端安裝平衡輪，平衡輪上纏繞有平衡繩，平衡繩的上端固定在平衡輪上，鋼絲繩的下端連接有平衡塊，抽油機(jī)的抽油動(dòng)作與平衡重的運(yùn)動(dòng)方向相反，起到平衡的作用。

2 離合器的控制方案

離合器選用氣控離合器，當(dāng)離合器需要與齒輪接合來傳動(dòng)扭矩時(shí)，離合器進(jìn)氣，當(dāng)離合器與齒輪分離，不需要傳遞扭矩時(shí)，離合器斷氣或排氣。

2.1 機(jī)構(gòu)功能分析

電機(jī)啟動(dòng)以后，通過離合器的作用，與齒輪接合來傳遞扭矩[6]。通過對(duì)機(jī)構(gòu)工作性能分析得到，離合器在啟動(dòng)過程中或停止過程中，通過位置傳感器的判斷，使力矩逐漸增加到滿載或從滿載逐漸地減到零。

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，在上死點(diǎn)和下死點(diǎn)位置分別安裝位置傳感器，其中位置為設(shè)定值，控制對(duì)象是氣控離合器，控制對(duì)象的輸入量為位置。檢測(cè)環(huán)節(jié)為位置傳感器，輸出的信號(hào)為位置信號(hào)。

2.3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.3.1PLC控制器簡(jiǎn)介

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC)，是一種具有微處理機(jī)的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存內(nèi)儲(chǔ)存與執(zhí)行。PLC由內(nèi)部CPU，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成[7]，廣泛應(yīng)用于目前的工業(yè)控制領(lǐng)域。

雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但PLC內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上PLC執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。

2.3.2PLC系統(tǒng)組成

(1) 系統(tǒng)原理圖 如圖3所示。由CPU模塊、模擬量輸入/輸出模塊、電源模塊以及通訊模塊組成。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

位置傳感器得到的檢測(cè)信號(hào)為位置信號(hào)，作為反饋信號(hào)輸入到PLC控制器中，用來判斷上沖程/下沖程，從而選擇要工作的離合器。

(2) PLC控制電路 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能原理制定如下所示PLC控制電路，控制方框圖如圖4。

圖4 PLC控制電路框圖

PLC輸入的信號(hào)主要有位置傳感器位置信號(hào)、接觸器狀態(tài)信號(hào)、運(yùn)行反饋信號(hào)。通過這些信號(hào)的輸入PLC控制系統(tǒng)能根據(jù)位置進(jìn)行邏輯判斷，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)如接觸器通斷狀態(tài)、抽油機(jī)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上沖程/下沖程懸點(diǎn)速度的調(diào)節(jié)。

(3) PLC自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì) PLC的控制程序是根據(jù)離合器接合的自動(dòng)控制要求來設(shè)計(jì)的[8]，前面已經(jīng)描述過離合器的控制要求，下面進(jìn)行PLC的程序設(shè)計(jì)，程序的邏輯框圖如圖5所示。

圖5 程序流程框圖

3 結(jié) 論

游梁式抽油機(jī)驢頭運(yùn)動(dòng)不均勻，現(xiàn)有無游梁式抽油機(jī)可以減輕抽油機(jī)重量和體積，擴(kuò)大設(shè)備的使用范圍以及改善其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，適用于長(zhǎng)沖程、低沖次，以及深井和稠油井的采油作業(yè)，但上沖程和下沖程的懸點(diǎn)速度相同，傳遞效率低、功耗大，無法滿足低排量井抽油效率的要求。文中對(duì)無游梁抽油機(jī)換向部分的設(shè)計(jì)提高抽油機(jī)的工作效率，并提出了相應(yīng)的控制方案。通過換向機(jī)構(gòu)中離合器與齒輪接合來實(shí)現(xiàn)換向和變速。并利用PLC控制電路，在保證抽油機(jī)正常運(yùn)行的前提下極大的實(shí)現(xiàn)了換向及變速的自動(dòng)化、智能化、精準(zhǔn)化。文中選用的離合器為氣控離合器，在之后的研究過程中，還需嘗試其他類型離合器在PLC控制下工作的情況，以尋求最佳控制方案。