鄒龍慶，周 亮

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ①

游梁式雙驢頭雙井抽油機(jī)動(dòng)力性能分析

鄒龍慶，周 亮

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ①

采用Solidworks軟件建立了某型抽油機(jī)的虛擬樣機(jī)，并建立了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力解析方程。通過(guò)Motion仿真得出了該抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的變化規(guī)律。理論分析和仿真計(jì)算表明，該抽油機(jī)負(fù)扭矩明顯降低，節(jié)能效果良好。

游梁式抽油機(jī)；雙驢頭；三維動(dòng)態(tài)仿真；動(dòng)力特性

隨著我國(guó)油田的不斷深入開(kāi)發(fā)，為了提高石油產(chǎn)量，開(kāi)始鉆加密井，從而出現(xiàn)了一次加密井、二次加密井和三次加密井，使井距越來(lái)越近，甚至井距＜10m，這為使用1臺(tái)抽油機(jī)對(duì)2井口采油提供了條件。游梁式雙驢頭雙井抽油機(jī)就是為此而設(shè)計(jì)的［1］。該抽油機(jī)巧妙地將1臺(tái)常規(guī)游梁式抽油機(jī)和1臺(tái)前置式抽油機(jī)結(jié)合在一起，在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的另一端增加1個(gè)驢頭，將1臺(tái)抽油機(jī)下沖程的無(wú)用功轉(zhuǎn)化成另1臺(tái)抽油機(jī)上沖程的有用功，2井口之間的采油過(guò)程相互交替進(jìn)行，同時(shí)用2口井的載荷來(lái)平衡減速器輸出軸的扭矩。其部件結(jié)構(gòu)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)基本相同。由于游梁式雙井抽油機(jī)的設(shè)計(jì)幾乎節(jié)省了1臺(tái)抽油機(jī)的鋼材和1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，節(jié)能效果十分明顯。目前，這種抽油機(jī)已經(jīng)得到油田的重視，但是現(xiàn)階段缺乏理論研究。本文旨在通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力分析為其理論研究打下基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該抽油機(jī)采用伸縮游梁（如圖1），通過(guò)拉長(zhǎng)和縮短游梁兩端，使游梁式雙井抽油機(jī)的懸點(diǎn)對(duì)中井口，適應(yīng)井距的變化。采用變曲率驢頭（如圖2），通過(guò)調(diào)節(jié)驢頭上的調(diào)節(jié)螺母改變驢頭曲率使驢頭懸點(diǎn)與井口始終垂直，以適應(yīng)游梁前臂長(zhǎng)度的變化。底座采用旋轉(zhuǎn)裝置，當(dāng)其中1口油井因故停產(chǎn)或作業(yè)時(shí)，可旋轉(zhuǎn)底座180°，變后置式抽油機(jī)為前置式抽油機(jī)繼續(xù)工作。游梁式雙驢頭雙井抽油機(jī)可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同井距、不同工況、不同載荷的油井。

圖1 伸縮游梁

圖2 變曲率驢頭

2 三維模型的建立

Solidworks軟件是目前應(yīng)用最廣泛的三維設(shè)計(jì)軟件，擁有強(qiáng)大的3D繪圖能力，提供完善的三維CAD解決方案；尤其在裝配環(huán)境中可以方便地修改和設(shè)計(jì)零件，可以動(dòng)態(tài)查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)并可以對(duì)動(dòng)態(tài)零部件進(jìn)行干涉檢查，非常適合零件較多的雙井抽油機(jī)的裝配體設(shè)計(jì)。本文對(duì)該型抽油機(jī)的仿真研究主要是針對(duì)驢頭懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和曲柄軸扭矩的大小，故在保證整機(jī)各部件配合的情況下對(duì)電機(jī)、減速箱、皮帶輪等作出簡(jiǎn)化并去掉一些螺栓、螺母等與仿真結(jié)果無(wú)關(guān)的零件［2－4］。8型常規(guī)游梁式雙井抽油機(jī)模型如圖3所示。

圖3 雙井抽油機(jī)虛擬樣機(jī)

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為分析雙井抽油機(jī)兩驢頭懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立如圖4所示坐標(biāo)系。

圖4 雙井抽油機(jī)機(jī)構(gòu)示意

式中，R為曲柄半徑長(zhǎng)度，m；C為游梁支撐中心到連桿的距離，m；P為連桿長(zhǎng)度，m；K為游梁支撐中心到曲柄銷(xiāo)中心的距離，m。

式（1）用復(fù)變矢量表示為

將式（2）兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得

令方程兩邊的實(shí)部和虛部對(duì)應(yīng)相等，可得

式中，θ＝ωt；θ1＝2π－θ；

由式（3）～（4）解得

且

所以游梁的角速度為

式中，α為K與x軸的夾角，rad；ξ為K與P的夾角，rad；β為C與K的夾角，rad；ω為曲柄的角速度，rad／s；θ1為曲柄與x軸夾角，以曲柄處于x軸為0°，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量，rad；θ2為P與x軸的夾角，rad；θ3為β的補(bǔ)角，rad。

由式（5）即可推得懸點(diǎn)的位移、速度、加速度。

Motion是完全內(nèi)嵌于Solidworks的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析軟件，可以在實(shí)際生產(chǎn)之前確保設(shè)計(jì)的可行性，大幅降低制造物理原型的成本，并縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。為方便與常規(guī)游梁抽油機(jī)比較，雙井取典型工況沖程3m，沖次6min－1。圖5為驢頭1的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖6為驢頭2的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由圖5～6可看出，其與常規(guī)游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同。

圖5 驢頭懸點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖6 驢頭懸點(diǎn)2運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4 動(dòng)力學(xué)分析

該抽油機(jī)的受力如圖7。減速箱曲柄軸扭矩是游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)之一，是懸點(diǎn)載荷和平衡重的合成扭矩。

游梁的力矩平衡式為

由式（6）可推得連桿受力，由連桿力可計(jì)算出曲柄軸扭矩為

圖7 雙井抽油機(jī)受力示意

式中，P1為第1井口懸點(diǎn)載荷，kN；P2為第2井口懸點(diǎn)載荷，kN；P3為連桿拉力，kN；M為曲柄軸輸出扭矩，kN·m；L1為游梁支點(diǎn)到第2井口的距離，m；L2為游梁支點(diǎn)到連桿的距離，m；β1為游梁與連桿之間的夾角；θ4為游梁與水平位置的夾角，rad；φ為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；Qq為曲柄平衡重力，kN；r為曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，m；α1為曲柄與連桿之間的夾角，rad。

由于P1和P2抽吸過(guò)程中油柱相差的重力相比常規(guī)游梁式抽油機(jī)重力差小很多，即連桿力小很多，故減速箱曲柄軸的扭矩相比常規(guī)游梁式抽油機(jī)更小，變化更平穩(wěn)。

圖8為仿真減速箱曲柄軸的輸出扭矩曲線，可以看出：在1個(gè)上下沖程過(guò)程中扭矩存在正負(fù)變化，同時(shí)負(fù)扭矩為1.2kN·m，說(shuō)明雙井抽油機(jī)的負(fù)扭矩很小。

游梁式雙井抽油機(jī)的輸出軸扭矩比單井的小，故均方根扭矩也小于單井抽油機(jī)。影響減速箱壽命的主要因素是輸出軸的峰值扭矩和負(fù)扭矩，影響電動(dòng)機(jī)功率的主要因素是均方根扭矩［5－7］。由以上分析可知，游梁式雙井抽油機(jī)在減速箱壽命和節(jié)能方面要優(yōu)于常規(guī)游梁抽油機(jī)。

圖8 曲柄軸扭矩曲線

5 結(jié)論

1） 游梁式雙井抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性要優(yōu)于常規(guī)游梁式抽油機(jī)。

2） 該抽油機(jī)的曲柄軸輸出扭矩更平穩(wěn)，負(fù)扭矩現(xiàn)象較常規(guī)游梁式抽油機(jī)明顯減小，可延長(zhǎng)減速箱的壽命。

3） 節(jié)省了制造材料。采用杠柱載荷相互平衡，節(jié)電效果更好。

［1］ 陳寶忠，甘德華.游梁式雙驢頭雙井抽油機(jī)節(jié)能分析［J］.撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，19（1）：60－62.

［2］ 甄希金，王 勇.抽油機(jī)的3D實(shí)體建模及其動(dòng)力學(xué)特性的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2005，22（2）：55－57.

［3］ 劉克旺，張彥廷，魏 遼，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的游梁式抽油機(jī)參數(shù)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（7）：19－22.

［4］ 駱華鋒，欒慶德.梁式抽油機(jī)實(shí)體建模及仿真分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（12）：22－24.

［5］ 萬(wàn)邦烈.采油機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988.

［6］ 湯敬飛，吳曉東，馬國(guó)瑞，等.調(diào)徑變矩抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（11）：37－40.

［7］ 姜民政，董康興，孫振旭，等.抽油機(jī)系統(tǒng)地面裝置效率試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）：54－56.

Dynamic Performance Analysis of Double－Horse Heads Pumping Unit

ZOU Long－qing，ZHOU Liang
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

Using Solidworks software established the type of the pumping unit virtual prototype， the movement and dynamic equations.Through the Motion simulation define，the variation rule of the movement parameters and dynamic parameters of the pumping unit.It is shown that the double－h(huán)orse heads pumping unit negative torque reduced significantly and energy saving promises well.

beam pumping unit；double－h(huán)orse heads；3Ddynamic simulation；dynamics

1001－3482（2012）08－0014－04

TE933.1

A

2012－02－10

黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目（GZ08A507）

鄒龍慶（1962－），男，遼寧復(fù)縣人，教授，博士，主要從事石油鉆采機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究。