赵 元, 王晓方

(沈阳工学院 机械与运载学院,辽宁 抚顺,113122)

并联式抽油机的计算机仿真模拟

赵 元, 王晓方

(沈阳工学院 机械与运载学院,辽宁 抚顺,113122)

借鉴机构创新的基本思想和并联机构理论,将常规型游梁式抽油机和异相型游梁式抽油机并联组合在一起,创立了抽油机联机配对使用方案.按此方案，一台抽油机的驴头悬点到达最低点时.另一台抽油机的驴头悬点恰好在最高点.即把其中一台抽油机的抽油杆在自重作用下下落而产生的能量通过曲柄传给另一台抽油机,以提升抽油杆和液柱.实现了能量的充分利用和正向传递,基本解决了游梁式抽油机能耗大、效率低、能量倒流等的问题.采用UG软件对创新设计的游梁式抽油机进行了计算机仿真模拟，进一步确定只有两种相同规格的游梁式抽油机组合,才能实现运动与动力的匹配,进而实现能量的正向转移和充分利用.

机构创新; 联机配对; 抽油机; 能量倒流; 仿真模拟

由于抽油机具有结构简单、制造容易、使用维修方便的特点，因此到目前为止仍是开采石油的主要设备[1].尤其是在油田露天工作的条件下,抽油机可以实现全天候工作,且性能可靠、使用寿命长.但是抽油机也存在着能量消耗大、工作效率低的缺点,特别是在下冲程时,抽油杆在自重的作用下出现了能量倒流,使电动机处于发电机的运行状态[2-3].为了解决这些问题,从节能角度着手研制了异相型和前置型抽油机;从平衡及节能角度着手研制了变平衡力矩抽油机、自动平衡抽油机和随动平衡抽油机.然而这些研究始终停留在原有抽油机的条件下所进行的功能和结构改进上,没能很好地解决抽油机存在的主要问题[4-6].

为了更好地解决抽油机存在的问题,实现降低采油成本和节能的目的,借鉴机构创新的思维模式,采用并联机构组合的理论,拟定了游梁式抽油机联机配对方案.并对并联式抽油机进行了理论分析和计算机仿真模拟,初步确定了采用何种规格的抽油机并联组合才能实现能量的正向转移和充分利用.

1 并联机构理论

两个以上单一机构并列布置,称为并联机构组合.根据动力输入、输出的方式不同,并联机构组合分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型并联,如图1所示.

图1 并联机构理论Fig.1 Parallel mechanism theory

2 抽油机并联机构组合

依据并联机构理论,将异相型游梁式抽油机和常规型游梁式抽油机按照Ⅲ型并联的方法组合成一台新的抽油机.它使用一台电动机和一个减速器作为机器的输入,分别由异相型游梁式抽油机和常规型游梁式抽油机两端输出,如图2所示.

图2 抽油机并联机构组合Fig.2 Pumping runit parallel mechanism combination

当常规型游梁式抽油机在上冲程提升抽油杆

和液柱时,减速器曲柄传递正扭矩;这时异相型游梁式抽油机却为下冲程,抽油杆在自重的作用下下落,出现能量倒流,减速器曲柄产生了负扭矩,两者恰好在峰值处抵消.同理,当异相型游梁式抽油机为上冲程时,常规型游梁式抽油机的动作与异相型游梁式抽油机为下冲程时的动作同.这种抽油机并联机构组合,是把其中一台抽油机由于抽油杆自重下落产生的能量倒流,通过曲柄传递给了另一台抽油机,以提升抽油杆和液柱,实现能量的充分利用和正向转移.再加上由于取消了曲柄上的配重,减轻了整机的质量,并且在曲柄旋转一周的时间内,完成了两个工作行程,因此节省了能量,提高了效率,降低了采油成本.

3 建立数学模型

抽油机并联机构组合应有严格的运动协调关系.依据该机构组合的运动简图(图3),利用几何学和运动学的有关理论,建立如下数学模型.

图3 抽油机并联机构组合机构简图Fig.3 Pumping oil machine combination mechanism of parallel mechanism

3.1 角位移

根据平面四杆机构相对运动关系的理论,得到抽油机1和抽油机2的游梁摆动的角位移ψ1,ψ2的有关方程式，分别为

式中:θ为曲柄的转动角度,它是以r1和r2端部连线与lK1处于平行位置时作为零度,沿曲柄旋转方向度量的角度.φ1,φ2分别为垂线与lK1、垂线与lK2所夹的锐角.θ′=180°-κ+θ(根据图3可以求得)为曲柄转角为θ时,r1和r2端部连线相对于lK2的角度,也是沿曲柄旋转方向度量得角度;κ为lK1与lK2所夹的锐角,可由余玄定理求得:

当抽油机1和抽油机2的规格型号以及它们之间的相对位置确定后,各杆的长度均为常量,角度κ，φ1，φ2也是常量,只有θ与θ′是变量.设曲柄转动的角速度为ω,则θ=ωt.即θ与θ′均为时间t的函数,则游梁摆动角位移ψ1与ψ2也是时间t的函数,为

3.2 角速度

ψ1与ψ2对时间t求一阶导数,得到游梁摆动的角速度χ1，χ2:

3.3 角加速度

ψ1与ψ2对时间t求二阶导数,得到游梁摆动的角加速度ε1，ε2:

4 抽油机并联机构组合的计算机仿真模拟

抽油机并联机构组合是应用机构并联理论创新设计的一种抽油机.理论依据可靠,工作原理可行.然而采用哪两种规格的游梁式抽油机进行组合,才能实现能量的正向转移和充分利用,需要做进一步的研究与探讨.

根据抽油机并联机构组合的工作原理和数学模型,采用UG软件对两种不同规格的游梁

式抽油机组合进行计算机仿真模拟.

4.1 不同规格抽油机的并联组合

采用一大一小两种规格的游梁式抽油机进行仿真模拟.小规格的是常规型游梁式抽油机,大规格的是异相型游梁式抽油机,仿真模拟视频截图如图4所示.

图4 不同规格的抽油机并联组合Fig.4 Parallel combination of pumping units with different specifications

从仿真模拟的结果来看,不同规格的游梁式抽油机组合,无法实现两种抽油机的运动与动力匹配,也就不能实现能量的正向转移和充分利用.

若小规格的是异相型游梁式抽油机,大规格的是常规型游梁式抽油机,情况也是如此,在此不再赘述.

4.2 相同规格抽油机的并联机构组合

采用两种相同规格的游梁式抽油机进行仿真模拟.两种都是小规格的与两种都是大规格的情况相同,仿真模拟视频截图如图5所示.

图5 相同规格的抽油机并联组合Fig.5 Parallel combination of pumping units of the same spefication

从仿真模拟的结果来看,两种相同规格的游梁式抽油机组合,可以实现两种抽油机的运动与动力匹配,进而实现能量的正向转移和充分利用.

5 结论

为了解决游梁式抽油机能量消耗大、生产效率低以及能量倒流等问题,达到降低采油成本和节能的目的,借鉴了机构创新的思维模式,采用了并联机构组合的理论,将异相型游梁式抽油机和常规型游梁式抽油机并联组合在一起,拟定了抽油机联机配对方案.实现了其中一台抽油机的驴头悬点到达最低点时,另一台抽油机的驴头悬点恰好在最高点,即把其中一台抽油机的抽油杆依靠自重下落而产生的能量倒流,通过曲柄传递给了另一台抽油机，用来提升抽油杆和液柱,完成了能量的正向传递和充分利用.

为了进一步确定哪两种规格的游梁式抽油机组合才能实现上述目的,采用UG软件对抽油机并联机构组合进行计算机仿真模拟.从仿真模拟的结果来看,只有两种相同规格的游梁式抽油机并联组合才能实现两种抽油机的运动与动力匹配,进而实现能量的正向转移和充分利用.

这种抽油机并联机构组合方式理论依据可靠,工作原理可行.同时,由于取消了曲柄上的配重,减轻了整机的质量,并且在曲柄旋转一周的时间内,完成了两个工作行程,节省了能量,提高了效率,降低了采油成本.特别是它不淘汰原有设备,不用重复投资,只需在原有设备的基础上进行部分改造即可达到目的.

[1] 邬亦炯.抽油机[M].北京；石油工业出版社,1994.

WU Yijiong.Oil pumping machine[M].Beijing: Petroleum Industry Press,1994.

[2] 王晓方.国内外采油工业的现状分析及发展趋向研究[J].中国矿业，2005(5)：4-6.

WANG Xiaofang.Research in the present and developing status of the oil producing internationally[J].China Mining Magazine,2005(5):4-6.

[3] 王晓方.游梁式抽油机并联机构组合的研究[D].沈阳；沈阳工业大学，2003.

WANG Xiaofang.The research on combination of parallel mechanism for floating frame oil pumping[D].Shenyang； Shenyang University of Technology,2003.

[4] 王晓方.游梁式抽油机并联机构组合研究[J].辽宁工程技术大学学报，2005(3)：417-419.

WANG Xiaofang. Research in unite mechanism for floating frame oil pumping machine[J].Journal of Liaoning Technical University,2005(3):417-419.

[5] 李康举，王晓方. 机械设计基础[M].北京:中国轻工业出版社，2012.

LI Kangju,WANG Xiaofang. Fundamentals of machine design[M].Beijing: China Light Industry Press, 2012.

[6] 张慧平，张建荣，张小军. UG NX基础教程[M].北京:人民邮电出版社, 2014.

ZHANG Huiping, ZHANG Jianrong, ZHANG Xiaojun. NX UG basic tutorial[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2014.

Computer simulation on parallel pumping units

Zhao Yuan, WANG Xiao-fang

( College of Mechanical and Vehicle Engineering , Shenyang Institute of Technology , Fushun 113122, China)

By combining the conventional beam-pumping and heterogeneous beam-pumping units in parallel, the pumping unit online-matching scheme is established based on the mechanism innovation and parallel mechanism theories. In this respect, the horsehead of one pumping unit reaches the lowest point, whilst that of the other one reaches the highest point. Alternatively, the backflow of falling energy from pumping rod weight is transferred to the other one via a crank. This can lift the pumping rod and liquid column for forward transferring and efficient energy usage, and resolve such problems as high energy consumption, low efficiency, energy backflow of beam pumping unit. Subsequently, the computer simulation is conducted using UGTM. Consequently, it is found that, only when the same specification is employed for the beam-pumping unit combination, the kinematic and dynamic matching, as well as forward transferring and full energy usage, can be realized.

mechanism innovation; online matching; pumping unit; energy backflow; computer simulation

2010年辽宁省教育厅科学研究项目计划(L2010481)

赵 元,(1980-),男,副教授，硕士.E-mail:wxfmed@sohu.com

TE 355.5

A

1672-5581(2016)05-0432-04