譚 雷，謝 強(qiáng)，王廣明

（渤海裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司抽油機(jī)制造廠，天津 300280）

1 抽油機(jī)地面系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 整體分析和簡(jiǎn)化

地面的抽油機(jī)系統(tǒng)組成中包含電機(jī)、控制設(shè)備以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分。電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)化電能，驅(qū)動(dòng)抽油桿的機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向上下往復(fù)運(yùn)行的轉(zhuǎn)變。通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)的控制，使抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于曲柄軸在電機(jī)與抽油機(jī)中不處于同一軸上，因此需要在兩者之間做好對(duì)相關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置，例如皮帶、減速器等，其能夠?qū)Ω咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)進(jìn)行變速，然后向抽油機(jī)曲柄軸進(jìn)行傳送。

由于功率傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換不斷地在地面抽油機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行著，因此，功率不斷地在傳遞和轉(zhuǎn)換階段出現(xiàn)損失，導(dǎo)致系統(tǒng)從整體上對(duì)功率的流失[1]。通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的輸入，使懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在抽油機(jī)中得到控制。

以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和抽油機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)、扭矩以及功率等因素的分析，能夠使抽油機(jī)系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用單軸即可，最后在電機(jī)中通過(guò)輸入相關(guān)參數(shù)，就能夠得知其懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和載荷值。

1.2 運(yùn)動(dòng)精度所受到的轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響分析

根據(jù)相關(guān)參數(shù)和示功圖能夠得知，抽油機(jī)地面運(yùn)動(dòng)在懸點(diǎn)有位移s、速度v、加速度a 等。其中s、TF、δ 分別為懸點(diǎn)位移、扭矩因數(shù)和游梁與水平線之間的夾角，相關(guān)因素僅運(yùn)動(dòng)時(shí)抽油機(jī)的位置，即曲柄轉(zhuǎn)角θ，其與抽油機(jī)的關(guān)系，可以用式（1）表示：

如果抽油機(jī)能夠保持結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，并且曲柄孔號(hào)能夠保持不變，有式（2）：

1.3 抽油機(jī)示功圖對(duì)電功率的測(cè)試原理

如果懸點(diǎn)載荷不需要考慮的話，曲柄軸受到抽油機(jī)自身結(jié)構(gòu)重量的作用會(huì)產(chǎn)生T0的扭矩為式（3）：

式中：T0代表總扭矩；Ty代表平衡狀態(tài)下的游梁扭矩；Tr代表平衡狀態(tài)下的曲柄扭矩；TB不平衡扭矩是重平衡的。

由于懸點(diǎn)處的曲柄軸存在自重，因此會(huì)有扭矩的產(chǎn)生，即Twm純光桿載荷扭矩，如式（4）：

由于存在不同的扭矩方向，因此曲柄軸上的所有扭矩Tn，也就是式（5）所示的曲柄軸凈扭矩。

在不需要考慮曲柄平衡慣性時(shí)的扭矩為式6 所示。

根據(jù)瞬間傳動(dòng)效率通過(guò)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的考慮，輸出軸所提供的減速器扭矩為式（7）。

式中：曲柄和平衡塊在抽油機(jī)兩側(cè)的總重為Qe1Qe2；整個(gè)曲柄和平衡塊在抽油機(jī)兩側(cè)的中心距離曲柄軸Re1Re2長(zhǎng)；相位角為τ 時(shí)，抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)，機(jī)構(gòu)四連桿的效率和效率指數(shù)分別為ηb和m。

由于電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)受到轉(zhuǎn)速波動(dòng)和相關(guān)效率的影響，因此，通過(guò)式（8）能夠得知減速器輸出多少扭矩，如何計(jì)算電機(jī)輸入功率：

式中：變頻器的輸入功率為P1；電機(jī)、皮帶、減速箱瞬時(shí)效率分別為η1、η2、η3；效率指數(shù)為m；當(dāng)Tn>0 時(shí)，m=1；當(dāng)Tn<0 時(shí)，m=-1；電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為n電機(jī)；皮帶總傳動(dòng)比和減速器總傳動(dòng)比為i總。

懸點(diǎn)載荷與電機(jī)輸入功率的關(guān)系如式（9）、式（10）所示。

式中：系數(shù)為K1，當(dāng)Tm>0 時(shí)，K1=1，當(dāng)Tm<0 時(shí)，K1=-1，電機(jī)的電磁扭矩Tm；系數(shù)為K2，當(dāng)時(shí)，K2=1，當(dāng)時(shí)，K2=-1。

當(dāng)曲柄與抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)時(shí)，平衡狀態(tài)下的游梁重為0，懸點(diǎn)載荷可以按照式（11）、式（12）計(jì)算。

如果電機(jī)輸入功率相比一定值更小時(shí)，所有電機(jī)、皮帶以及減速器會(huì)隨著不斷增大的電機(jī)輸入功率而出現(xiàn)增大的效率，那根據(jù)總傳動(dòng)效率和輸入功率，電機(jī)皮帶減速箱和電機(jī)之間的函數(shù)為式（13）。

其中，在空載狀態(tài)下通過(guò)對(duì)電機(jī)功率的測(cè)試能夠獲得η總。

數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)處理后就可以實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，也可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，在轉(zhuǎn)動(dòng)比固定的情況下，曲柄轉(zhuǎn)角與電機(jī)在皮帶減速器中每轉(zhuǎn)一周的對(duì)應(yīng)角度為曲柄轉(zhuǎn)角為式（14）。

式中：從下死點(diǎn)開始抽油機(jī)內(nèi)的電機(jī)總共的轉(zhuǎn)速為m；皮帶與減速器兩者的總傳動(dòng)比為i總。

所以，再結(jié)合輸入功率和測(cè)試所得的電機(jī)轉(zhuǎn)速后，能夠求出懸點(diǎn)位置的載荷和位移，因此通過(guò)示功圖能夠在無(wú)傳感器的情況下，間接地進(jìn)行測(cè)試。

2 設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 選擇測(cè)試方案

通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的求解和所仿真示功圖的驗(yàn)證得知其效率和準(zhǔn)確性，需要根據(jù)示功圖對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)。對(duì)有功狀態(tài)下的電機(jī)功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及上死點(diǎn)和下死點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)對(duì)抽油機(jī)以及經(jīng)過(guò)處理和試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)的分析能夠得知其他參數(shù)。

測(cè)試電參數(shù)時(shí)需要將電流及電量變送器安裝于電控箱中。重要的是對(duì)死點(diǎn)的獲取，如果無(wú)法準(zhǔn)確的獲取死點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速周期出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致示功圖無(wú)法保持原有的仿真精度。因此，設(shè)計(jì)以下方案來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)儀器對(duì)電參數(shù)的測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)輸入功率的測(cè)試，通過(guò)對(duì)接近開關(guān)的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及死點(diǎn)位置的測(cè)試。將磁鋼貼在電機(jī)輸出軸的兩端，然后通過(guò)接近開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)試。將磁鋼貼在曲柄軸的恰當(dāng)位置，通過(guò)接近開關(guān)，測(cè)試抽油機(jī)的死點(diǎn)位置。需要對(duì)接近開關(guān)進(jìn)行良好的固定，并且，感應(yīng)面需要正對(duì)著磁鋼旋轉(zhuǎn)軌跡。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件

測(cè)試系統(tǒng)包括1 個(gè)用于采集電能參數(shù)的模塊，3 個(gè)電流互感器、2 支接近開關(guān)、1 臺(tái)負(fù)責(zé)采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的儀器、1 臺(tái)筆記本電腦等。

測(cè)試系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①相關(guān)模塊具有電參數(shù)采集功能，采用DC 15 V 電源的霍爾線傳感器，充電電池需要進(jìn)行手動(dòng)操作；②在測(cè)試四相線的電能時(shí)，每秒測(cè)試20 組速度數(shù)據(jù)；③可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)示功圖的測(cè)試；④需要頻繁的采集轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，最高能夠達(dá)到10 000 Hz 的頻率，采用多通道的方式采集數(shù)據(jù)，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，如果大量磁鋼貼到軸上后，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)軸的測(cè)試，能夠得知其瞬時(shí)角速度；⑤筆記本電腦通過(guò)網(wǎng)線能夠獲取到所采集的數(shù)據(jù)，電腦在連接串口線后能夠讀取功圖數(shù)據(jù)，只有采集完所有功圖數(shù)據(jù)后才能在電腦中進(jìn)行導(dǎo)入。

3 抽油機(jī)總傳動(dòng)效率求解

3.1 結(jié)構(gòu)重不平衡狀態(tài)下抽油機(jī)的扭矩分析

通過(guò)相關(guān)算法，在不平衡結(jié)構(gòu)重的情況下，通過(guò)分析扭矩可以了解到，在任何部件載重不清楚的情況下，需要測(cè)試閥門空載，或無(wú)法獲得平衡數(shù)據(jù)時(shí)，那么對(duì)點(diǎn)擊瞬時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)的結(jié)合，能夠?qū)ηS的不同扭矩進(jìn)行詳細(xì)的分析，并且能夠反推出電機(jī)軸具有的扭矩。由于扭矩存在慣性，所以在計(jì)算曲柄軸和電機(jī)軸后發(fā)現(xiàn)，扭矩存在的慣性非常小，不存在任何影響。

3.2 研究空載測(cè)試的總傳動(dòng)效率

經(jīng)過(guò)空載測(cè)試得知：①變頻器輸入端能夠?qū)㈦姽β蕚鬟f到曲柄軸中，變頻器所損耗的功率關(guān)系著其輸入功率，兩者之間為正相關(guān)關(guān)系；②在變頻器頻率沒(méi)有發(fā)生改變的情況下，變頻器輸入端能夠?qū)⒐β蕚鬟f給電機(jī)軸，在這一過(guò)程中的變頻器傳遞效率與其輸入功率呈正相關(guān)；③如果存在著不同的頻率，在變頻器不變的情況下，也會(huì)產(chǎn)生不同的輸入功率和傳動(dòng)效率，功率值在特定范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，降低頻率，增大扭矩，傳動(dòng)系統(tǒng)在此時(shí)的效率更高。如果超過(guò)特定高功率，在功率相同的時(shí)候，頻率越大扭矩越小，相反則會(huì)加大傳動(dòng)效率；通過(guò)對(duì)測(cè)試所得的瞬時(shí)效率取消的擬合能夠得知η總=f（P1）為效率曲線函數(shù)；⑤通過(guò)擬合獲取到的η總=f（P1）可以用來(lái)對(duì)懸點(diǎn)示功圖進(jìn)行計(jì)算。

4 誤差分析

（1）誤差參數(shù)的輸入。應(yīng)對(duì)措施：根據(jù)說(shuō)明書上所表明的尺寸結(jié)構(gòu)、平衡重、曲柄重心以及重量等抽油機(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。如果沒(méi)有說(shuō)明書，可以對(duì)曲柄和平衡重進(jìn)行尺寸的測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維建模，以此來(lái)根據(jù)重量和中心對(duì)平衡重進(jìn)行計(jì)算。如果在不平衡重的情況下，通過(guò)空載測(cè)試也能夠得知。

（2）測(cè)試原始數(shù)據(jù)存在的誤差。主要出現(xiàn)于測(cè)試儀器以及沖次。應(yīng)對(duì)措施：需要采用具有更高精度的儀器對(duì)電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，例如分析電能質(zhì)量的儀器以及測(cè)試電功率的儀器，對(duì)出現(xiàn)地點(diǎn)的位置進(jìn)行判斷，能夠使一周期的數(shù)據(jù)定位更加精確。

（3）標(biāo)定效率的誤差。應(yīng)對(duì)措施：通過(guò)扭矩對(duì)示功圖的計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致示功圖在上點(diǎn)、下點(diǎn)附近更加無(wú)法閉合，也就是懸點(diǎn)載荷在上死點(diǎn)和下死點(diǎn)附近時(shí)，異常值的出現(xiàn)較為常見。在軟件中通過(guò)對(duì)相關(guān)模塊的設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平衡度的監(jiān)控，如果平衡度過(guò)低，就會(huì)發(fā)出警告提示平衡度過(guò)低，此時(shí)管理員需要對(duì)平衡度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行輔助測(cè)試后，通過(guò)對(duì)負(fù)功率段的計(jì)算能夠得知電磁扭矩。

5 結(jié)束語(yǔ)

以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和抽油機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)、扭矩以及功率等因素的分析，能夠使地面抽油機(jī)系統(tǒng)從整體上得到簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S電力拖動(dòng)系統(tǒng)，最終通過(guò)對(duì)電機(jī)參數(shù)的輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和相關(guān)載荷的描述。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)參數(shù)以及總傳動(dòng)效率曲線的結(jié)合，對(duì)多組示功圖進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)示功圖對(duì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)示功圖計(jì)算所受到的影響因素進(jìn)行分析。