基于SIMULINK的游梁抽油机曲柄扭矩分析(石油矿场机械08.5)

基于SIMULINK的游梁抽油机曲柄扭矩分析朱海燕刘清友肖晓华何玉发王惠明（西南石油大学研究生学院，四川成都610500）摘要：建立抽油机曲柄扭矩的数学模型，考虑了游梁的不平衡重和游梁的惯性矩的影响，分别分析了游梁对高转差率抽油机和常规抽油机的影响规律。利用MATLAB软件中的动态仿真SIMULINK模块，建立了CYJY12-5-73HB型抽油机的仿真模型，实现了游梁不平衡重对抽油机曲柄扭矩的仿真研究。研究结果表明，游梁的不平衡重及其随驴头摆动的惯性矩，对曲柄扭矩的影响很小，可以忽略不计。关键词：抽油机；游梁；曲柄扭矩；SIMULINK/MATLABCranktorqueanalysisofpumpingunitsbasedonSIMULINKZHUHai-yanLIUQing-youHEYu-faWANGHui-ming(SouthwestPetroleumUniversity,ChengduSichuan610500,China)Abstract:Consideringtheunbalancedweightandinertiamomentofthebeam,themathematicalmodelofCranktorqueisestablished,analyzingoftheConventionalpumpingunitsandthehighsilppingpumpingunits’Cranktorqueisdone.EstablishingthesimulationmodelofCYJY12-5-73HBpumpingunit，andthenanalysistheeffectofthebeamtothepumpunits’cranktorqueusingthedynamicsimulationsectionSIMULINKofMATLABsoftware.Thesimulationshowthattheunbalancedweightandinertiamomentofthebeamhaslittleeffectiononthecranktorque.Keywords:pumpingunit;beam;cranktorque;SIMULINK/MATLAB0引言游梁式抽油机是国内外各大油田的主要机械采油设备。我国游梁式抽油机约占抽油机总量的90%以上。但是常规型游梁抽油机减速器曲柄静扭矩较大、峰值较大，平衡效果不好，导致抽油机总体效率很低，一般低于30％，在某些含水量较多的油田还会出现“大马拉小车”的状况。如何提高抽油机工作过程中的平衡问题成为各油田亟待解决的重要问题之一。本文主要分析抽油机游梁对抽油机曲柄净扭矩的影响。1游梁对抽油机曲柄扭矩的影响模型建立游梁式抽油机曲柄扭矩是抽油机的重要参数之一，是设计、选择和判断抽油机是否能够达到适时平衡的重要指标。曲柄扭矩是指游梁式抽油机在减速器输出轴上实际产生的扭矩，其大小和悬点载荷、冲程长度、抽油机四连杆机构杆长比值及抽油机的平衡情况有关。游梁是抽油机四连杆机构中的一个重要部件，因此研究游梁对抽油机曲柄扭矩的影响，对于抽油机的设计、优化以及新型节能抽油机的开发有着重要的指导意义。为了分析游梁对抽油机曲柄扭矩的影响规律，采用扭矩因数法建立游梁抽油机的曲柄扭矩方程。工作原理如图1所示。图1游梁式抽油机扭矩计算图由图1所示可以建立曲柄轴扭矩计算式：TRTn（1）曲柄销处力矩平衡方程：RsinPRsin连曲QTR（2）游梁支点处力矩平衡方程：CsinPcosQl/连游游MWA（3）由此可得到曲柄扭矩的分析模型如下：)sin()AcosQlM(/曲游MTFAWTmbn（4）根据余弦定理和速度瞬心定理建立游梁式抽油机的几何学和运动学模型如下：sinsinVATFRC（5）b2lgQM游bbJ（6）23sincossinsincossinsinKbRRKCCP（7）常规游梁式抽油机的曲柄轴角速度为一常数。高转差率电机驱动游梁抽油机具有良好的启动性能和软机械特性，适用于带载荷启动，可减小抽油机工作过程中上下冲程载荷变化的影响。最优化曲柄轴角速度是抽油机工作在最佳平衡时曲柄的角速度。曲柄轴角速度随悬点载荷而变化，可用三角级数来表示：cos2sin2210（8）式中：—曲柄转角；R—曲柄半径，m；W—作用于驴头悬点载荷；M—游梁惯性矩；TF—扭矩因数，m；τ—平衡相位角；nT—曲柄轴净扭矩；b—四连杆机构的传动效率；游l—摆动部件重心至游梁支撑中心的距离；bJ—摆动部件的转动惯量；Q—游梁不平衡重；0、1、2—最优化曲柄轴角速度系数。2SIMULINK/MATLAB中游梁抽油机曲柄扭矩仿真分析MATLAB是由MATHWORKS公司开发的一种主要用于数值计算及可视化图形处理的高科技计算语言。它的特点是将数值分析、矩阵计算、图形图象处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色，已逐渐被用于石油工程领域内的计算和仿真等工作。现针对CYJY12-5-73HB型抽油机，利用MATLAB软件中的动态仿真SIMULINK模块,进行游梁对抽油机曲柄扭矩的仿真研究。为了研究游梁不平衡重对抽油机曲柄扭矩的影响，在仿真过程中不考虑曲柄自身因素对曲柄扭矩的影响，只考虑悬点载荷和游梁不平衡重对曲柄扭矩的影响。在SIMULINK中建立游梁抽油机的曲柄扭矩仿真模型如图2所示。图2抽油机曲柄扭矩仿真模型表1CYJY12-5-73HB型抽油机基本参数表游梁前臂长度5500mm减速器输出轴中心至支架轴承中心之水平距离4000mm游梁后臂长度3000mm减速器输出轴中心至底座高度2800mm连杆长度4200mm曲柄旋转半径1200mm游梁中心到底座之高度6950mm该抽油机冲程6.5次/min不平衡重心到游梁中心的距离1560mm游梁不平衡重1kN3仿真结果CYJY12-5-73HB型抽油机基本参数见下表(1)：SIMULINK/MATLAB仿真抽油机曲柄扭矩曲线如图3、图4所示。(a)考虑游梁影响(b)不考虑游梁影响图3高转差率抽油机曲柄扭矩曲线(a)考虑游梁影响(b)不考虑游梁影响图4常规抽油机曲柄扭矩曲线表(2)为抽油机曲柄扭矩极值表，Tn(max)为抽油机在不考虑曲柄自身因素影响的曲柄扭矩的最大值，Tn(min)为抽油机在不考虑曲柄自身因素影响的曲柄扭矩的最小值。表2抽油机曲柄扭矩极值表抽油机类型、项目Tn(max)对应的Tn(max)Tn(min)对应的Tn(min)高转差率驱动考虑游梁影响253.561.46-62.715.58高转差率驱动不考虑游梁影响214.571.46-41.465.58常规考虑游梁影响261.061.46-71.635.58常规不考虑游梁影响211.771.46-45.145.58(1)由图3和图4可以看出，游梁的不平衡重及其随驴头摆动的惯性矩，对曲柄扭矩的影响可以忽略不计；(2)高转差率驱动抽油机考虑游梁影响与常规型抽油机考虑游梁影响的曲柄扭矩差别不大；(3)游梁的不平衡重及其随驴头摆动的惯性矩对曲柄扭矩的曲线形状影响很小，且对曲柄扭矩峰值出现的位置不会产生影响。4结束语本文简略的介绍了用SIMULINK/MATLAB进行游梁抽油机曲柄净扭矩的模拟仿真,结合实例介绍了SIMULINK/MATLAB建模的过程,并对游梁对抽油机曲柄净扭矩的影响做了仿真分析,仿真表明抽油机的游梁对抽油机曲柄净扭矩的影响很小，在实际的工程设计中可以忽略不计。采用SIMULINK/MATLAB建立了抽油机的曲柄扭矩仿真模型,模型简单,不用编程,易于使用,对抽油机的设计、优化以及新型节能抽油机的开发有着重要的指导意义。参考文献:[1]邹亦炯.游梁式抽油机曲柄轴扭矩计算公式剖析.石油机械，1994，22(5):35-42[2]李仁兴.游梁式抽油机运动和动力学仿真及优化设计[D].陕西西安：西安理工大学，2005[3]沈迪成.超高转差电机驱动游梁抽油机参数的最优化.石油学报,1992,13(3):133-140[4]Gibbs,S.G.ComputingGearboxTorqueandMotorLoadingForBeamPumpingUnitsWithConsiderationofInertiaEffects.JournalofPetroleumTechnology,1975,27（7）:1153-1159[5]何玉发.基于B/S模式的有杆抽油系统故障诊断研究与实现[D]．四川成都:西南石油大学，2005[6]王海兰，刘清友，何玉发，等.有杆抽油泵工作行为仿真软件设计与实现.计算机仿真，2004,21(11):232-234基金项目：西南石油大学2007年度研究生创新基金项目(CXJJ27078)作者简介：朱海燕(1984.4)，男(汉族)，安徽亳州人，硕士研究生，主要研究方向：石油钻采设备。