任 濤，南振江，孫 文

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

0 引言

目前我國油田的地面采油設備主要采用游梁式抽油機，由于其具有結構簡單、使用可靠、操作維護方便以及在惡劣的自然環(huán)境中能夠長期可靠安全運行等特點，使其在油田開采中得到了較為廣泛的應用。但由于該抽油機載荷不均勻系數(shù)CLF偏大，使得曲柄軸上的凈扭矩峰值過大、波動過大，同時能耗也隨之變大[1]。

目前游梁式抽油機主要存在以下三方面問題：①載荷波動性偏大；②電動機的裝機功率過高；③抽油機能耗偏大。

為了解決游梁式抽油機存在的問題，近幾年來人們對游梁式抽油機進行了很多的技術改造研究，開發(fā)了雙驢頭式抽油機、下偏杠鈴式抽油機和彎游梁式抽油機等節(jié)能型抽油機[2]，這些抽油機在減小載荷不均勻性、減小電動機裝機功率和降低能耗方面確實取得了一定的成果，但仍然有很大的提升空間。影響能耗高低的主要因素之一為抽油機的傳動機構，開發(fā)一種最適合抽油機抽油工況的傳動機構，不僅能降低抽油機的能耗，而且還能最大限度地降低載荷的波動性，這樣，電動機的裝機功率就會隨之大大降低，電動機的工作效率也會隨之提高。擺動導桿機構就是符合抽油機抽油工況要求的較佳傳動機構之一[3]。

1 結構設計和工作原理

圖1為擺動導桿式抽油機總體結構示意圖。結構設計是本文的設計重點，為了最大化地節(jié)約制造成本和適應抽油機的工作環(huán)境，底座和前后支架采用角鋼焊接而成，導軌采用標準的火車導軌上下拼裝而成。擺動導桿機構由曲柄、滑塊、擺動導桿和機架構成。曲柄上鉸接有滑塊，導桿上安裝有可供滑塊滾動的導軌，導軌是滾動導軌，導軌的一端鉸接在機架上，另一端和驢頭連接。當曲柄轉動時，鉸接在曲柄上的滑塊在導軌上滾動，同時帶動導軌以機架為支點做上下擺動，導桿前端連接的驢頭帶動鋼繩、繩桿連接器和抽油桿做上下往復運動。

1-底座;2-后支架;3-后橫梁;4-擺動導桿;5-曲柄; 6-曲柄平衡重;7-減速器;8-前橫梁;9-驢頭;10-鋼繩; 11-繩桿連接器;12-抽油桿;13-前支架；14-電動機； 15-傳動帶

2 抽油機的運動學分析

運動學分析是指在不考慮力作用的前提下，分別對機構的位置、速度、加速度變化進行分析，以確定所得的數(shù)據(jù)滿足設計要求。抽油機的運動學分析主要包括懸點的位移、速度和加速度分析。

2.1 運動學分析

新型擺動導桿式抽油機的主要傳動機構為擺動導桿機構，運用解析法對擺動導桿機構進行運動學分析，就可求出導桿的位移、速度和加速度。圖2為擺動導桿機構的數(shù)學模型。曲柄AB為主動件，長度為l1，以一定的角速度ω1逆時針轉動；導桿BC為從動件，由滑塊將曲柄、導桿相連接?；瑝K在導桿上的位置距C點距離為S，曲柄和導桿角位移分別為φ1、φ2。曲柄旋轉中心點A與導桿擺動中心點C之間的距離為e，且滿足e

根據(jù)圖2，將曲柄滑塊機構看成封閉的矢量三角形，由封閉多邊形ABC可寫出機構各桿所構成的封閉矢量方程式：

CA+AB=CB.

(1)

曲柄角位移方程：

φ1=ω1t.

(2)

B點的坐標：

(3)

將矢量方程投影到x軸和y軸上，得：

l1cosφ1=Scosφ2.

(4)

e+l1sinφ1=Ssinφ2.

(5)

由式(4)、式(5)可得B點相對于C點的位移S及導桿的角位移φ2分別為：

(6)

(7)

將式(7)對時間t求導即可得到擺動導桿的角速度表達式為：

(8)

式(8)為擺動導桿BC角速度函數(shù)ω2的表達式。

將式(8)關于時間t求導數(shù)，即可求得導桿的角加速度為：

(9)

式(9)為擺動導桿BC角加速度函數(shù)的表達式。

2.2 位移、速度及加速度曲線

MATLAB采用了交互式程序設計語言編輯模式，用戶在命令窗口內(nèi)輸入需要執(zhí)行的命令語句，即可獲得計算結果。MATLAB通過建立M文件的方式實現(xiàn)程序方式工作[4]。在M文件中將以上公式進行編輯，寫成程序，即可得到擺動導桿機構的位移、速度和加速度曲線。

3 ADAMS軟件仿真分析

ADAMS軟件是以多剛體運動學理論為基礎的機構動力學、運動學仿真軟件,可以構建復雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機,真實地仿真其運動過程[5]。因此，本文將采用ADAMS軟件對特定的擺動導桿機構進行運動學仿真研究，以期獲得該機構的位置、速度和加速度等運動參數(shù)[6]。ADAMS 的三維建模能力較弱，因此運用Pro/E軟件建立擺動導桿式抽油機的三維實體模型，然后再導入到ADAMS 軟件中進行分析。

圖2擺動導桿機構圖3懸點運動學分析圖像

數(shù)學模型

首先建立零件之間的相互關系，支架固定在地面上，導軌與支架之間、曲柄與減速器之間、滾輪與曲柄之間都為旋轉副連接，滾輪與導軌之間為移動副連接，設置減速器輸出軸的角速度為36°/s，仿真步數(shù)設置為360。最后進行仿真分析，得到懸點的位移、速度和加速度曲線，如圖4所示。

圖4 仿真得到的懸點位移、速度和加速度

對比圖3與圖4懸點的位移、速度和加速度曲線，可以看出懸點的位移、速度和加速度曲線變化規(guī)律完全一致，說明所設計的擺動導桿式抽油機符合設計要求。

4 擺動導桿式抽油機與常規(guī)抽油機的對比分析

圖5為相同沖程、沖次的情況下，常規(guī)型抽油機與擺動導桿式抽油機懸點加速度曲線對比圖。

懸點加速度決定了慣性載荷的大小，加速度越小，懸點的動力性能就越好。從圖6我們可以看出：①擺動導桿式抽油機初始加速度小于常規(guī)型抽油機的加速度，說明在初始階段，擺動導桿式抽油桿受到的慣性載荷小于常規(guī)型抽油桿受到的慣性載荷，根據(jù)采油工程原理，上行程時加速度過大會導致泵汲效果的降低，因此，擺動導桿式抽油機具有比常規(guī)型抽油機較好的泵汲效果；②擺動導桿式抽油機加速度在上下沖程中更加平緩，滿足動載荷逐漸增加或減小的原則，更有利于抽油機的工作。

圖5 兩種抽油機加速度對比圖

5 結束語

(1) 運用Pro/E軟件強大的三維設計能力進行擺動導桿式抽油機數(shù)字樣機的設計，然后運用解析法建立擺動導桿機構的數(shù)學模型，求解導桿的位移、速度和加速度并借助MATLAB軟件繪制其曲線。

(2) 將Pro/E軟件繪制的三維模型導入ADAMS軟件中進行仿真分析，測得驢頭上懸繩器的位移、速度和加速度曲線，對比仿真曲線與理論計算的運動學曲線，結果表明二者完全一致。

(3) 對比擺動導桿式抽油機和常規(guī)型抽油機加速度曲線，結果表明：擺動導桿式抽油機加速度更小、曲線更平緩，更符合采油泵汲理論和抽油機設計要求，能更進一步地降低抽油機的能耗，達到節(jié)能降耗的目的。

參考文獻：

[1] 蘇德勝，劉先剛，呂衛(wèi)祥.游梁式抽油機節(jié)能機理綜述[J].石油機械,2001,29(5):49-53.

[2] 張曉東，賈國超.關于我國抽油機發(fā)展的幾點思考[J].石油礦場機械，2008,37(1):24-37.

[3] 孫文，王三民，任濤.新型擺動導桿式抽油機方案設計與動力學分析.[J].現(xiàn)代制造工程，2014(3):119-121.

[4] 任濤.抽油機系統(tǒng)優(yōu)化設計分析與MATLAB應用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015.

[5] 張慶功，馬曉麗，周兆忠.基于Adams軟件的擺動導桿機構的運動學分析[J].輕工機械，2008，26(5)：38-39.

[6] 張晉西，郭學琴，林昌華，等.牛頭刨床機構虛擬樣機分析[J].機械與電子，2006(9)：63-65.