谢红伟 赵清华 肖定彬
中国石油长庆油田分公司第一采油厂侯市作业区，陕西 延安 717500
摘要：常规游梁抽油机具有结构简单、可靠性高、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。但是，常规游梁抽油机本身的结构特征决定了它的平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点。CYJY10－4.2－53HB 型抽油机改造机的虚拟样机，运用 ADAMS 仿真软件对虚拟样机进行运动学仿真、动力学仿真和优化设计试验，测试结果表明，抽油机有功功率下降5.436kW，系统效率提高13.79% ，百米吨液耗电下降0.16kW·h，年节电量4.76×104kW·h，节电率23.55%。改造机消除了负扭矩，降低了峰值扭矩，从而降低了电机的装机容量。
关键词：游梁式抽油机；ADAMS；仿真
游梁式抽油机因具有结构简单、耐用和维修方便等特点而得到广泛应用。但是，游梁式抽油机存在平衡效果差、曲柄净扭矩脉动大、负扭矩和能耗大等问题。为此，采取解决措施: 一种是在常规抽油机的基础上进行技术革新和改造，如双驴头抽油机和下偏杠铃抽油机等;另一种是研制开发非四连杆机构的新型节能抽油机，如柔性倍程抽油机等。虽然采取以上措施后收到了显著的节能效果，但不能从根本上改变抽油机的工况，不能与电机的工作特性相匹配，或存在改造费用高、可靠性差等问题。
一、常规游梁式抽油机存在的主要问题
常规机采系统存在的主要问题是高能耗、低效率，常规机采系统效率分为地面效率和井下效率两部分，总效率是近十个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积，任何一个环节的分效率较低都会导致总效率变低。在相同井况下，井下效率差异不会很大，因此提高常规游梁式抽油机的效率是解决常规机采系统高能耗、低效率的关键。常规游梁式抽油机存在的主要问题：①一个冲程内悬点载荷在减速器输出轴上产生扭矩曲线为非正弦曲线，且波动非常大，而平衡力矩在减速器输出轴上产生的扭矩曲线是正弦的，故二者叠加后无法抵消，造成减速器输出轴净扭矩峰值较大，波动剧烈，甚至出现负扭矩；②游梁抽油机在运行中连杆与游梁后壁间的传动角变化范围较大，一般抽油机设计要求传动角在30°到90°之间变化，这会造成一个冲程内曲柄受力很大且不均匀。从有功输入功率方面考虑，抽油机的减速器输出轴净扭矩存在负扭矩，波动剧烈，峰值扭矩大，势必会增大有功输入功率的消耗；从无功功率方面考虑，抽油机的减速器输出轴净扭矩波动剧烈，峰值扭矩大，就需要选用大功率的电机及大扭矩的减速器，势必会增大无功功率的消耗。
二、常规游梁式抽油机运动仿真
运用ADAMS软件对改造机虚拟样机进行运动学、动力学分析和设计试验。虚拟测试时做如下假设:①曲柄匀速旋转;②各运动副都是理想的无间隙的运动副;③抽油机所有部件包括底座和基础都是刚性的。
1、抽油机虚拟样机的建模
仿真结果是否可靠与抽油机虚拟样机建立的准确性直接相关，根据CYJY10－4.2－53HB型抽油机的基本结构数据，参照常规抽油机曲柄和平衡块的结构设计连杆辅助曲柄平衡结构，见图。
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实测CYJY10－4.2－53HB型抽油机结构尺寸，用三维设计软件Solidworks建立改造后抽油机虚拟样机，用Solidworks与ADAMS间的数据接口将模型导入ADAMS中。在ADAMS软件中按照抽油机各零件材质设定样机零件材质，并设置重力加速度。
根据CYJY10－4.2－53HB型改造机各零件之间实际的连接关系添加约束，改造机虚拟样机各部件间的运动约束关系为: 减速器输出轴与大地之间为运动学约束(旋转)，驱动约束，恒角度驱动(36°/s);曲柄销与辅助平衡箱体之间为运动学约束(旋转);小齿轮与辅助平衡箱体之间为运动学约束(旋转);大齿轮与辅助平衡箱体之间为运动学约束(旋转);小齿轮与大齿轮之间为运动学约束(行星轮);横梁与游梁之间为运动学约束(旋转);游梁与支架之间为运动学约束(旋转);其他部件之间的连接简化为固定。施加载荷抽油机系统的外力主要有悬点载荷与重力。悬点载荷由动载荷、静载荷及其他载荷组成。采油2－41－544井某一时刻的示功图，最大载荷44.9kN，最小载荷18.5kN，冲次为6min－1。根据示功图形状、最大载荷、最小载荷和冲次，用Step函数建立1个周期内井口的悬点载荷，因为初始位置悬点在下死点，所以载荷从下死点开始加载。模拟悬点载荷忽略了惯性、振动、摩擦及其他一些载荷的影响，但是模拟结果对分析减速器输出轴扭矩曲线影响不大，在误差范围之内，可以根据不同井的参数改变虚拟悬点载荷。
2、仿真测试。游梁式抽油机工作性能基本参数为:悬点最大载荷、悬点最大冲程、悬点最大冲程次数及减速器曲柄输出轴最大允许扭矩。判断改造机是否节能，主要看减速器曲柄输出轴扭矩是否下降，因此以减速器曲柄输出轴扭矩最小为目标函数，进行设计试验。影响减速器曲柄输出轴扭矩的主要因素有:①结构尺寸;②悬点载荷;③曲柄及平衡块重力产生的扭矩;④小曲柄及小平衡块重力产生的扭矩;⑤小曲柄初始相位。由于改造机保留了原机的结构尺寸，所以不再对结构尺寸进行优化。悬点载荷比较复杂，改造机的悬点载荷与泵径、泵深、杆径、含水、液面、泵效及悬点加速度等有关，因此将要改造抽油机的悬点载荷作为模拟悬点载荷，主要考虑③④⑤对目标函数的影响。悬点初始位置在下死点，小曲柄初始位置从水平向左开始，逆时针每隔5°调1次平衡，平衡后测试悬点位移、速度、加速度和减速器曲柄输出轴扭矩。当小曲柄从水平向左开始逆时针转动15°时，减速器曲柄输出轴扭矩最小，此时测量悬点位移、速度和加速度曲线，见图。
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由图可以看出，悬点位移曲线接近正弦变化，上、下冲程时间相等，最大冲程接近理论值4.2m);悬点速度曲线变化比较平稳，没有突变的位置，与原机比较变化不大;加速度曲线在上、下死点位置时，由于换向的缘故会产生一定的冲击载荷，冲击载荷会使加速度曲线有所波动，与原机比较加速度最值有所下降;当驴头处在上(下)死点时，悬点位移达到最值，速度接近0。由于加载需要过程，所以加速度在经过上(下)死点一小段时间后达到最值。
3、现场试验。对某油田采油2－J6－45井的CYJY10－4.2－53HB抽油机改造完成。利用综合测试分析仪对改造前、后电机电流、扭矩和有功功率等进行现场测试，具体如下:(1)改造前电机上电流97A，下电流65A;改造后电机上电流64A，下电流65A。(2)改造前电机输出轴最大扭矩425N·m，最小扭矩－160N·m; 改造后电机输出轴最大扭矩430N·m，最小扭矩20N·m。改造后消除了负扭矩，扭矩幅值下降175N·m，下降了29.9%。(3)改造前电机最大有功功率33kW，最小有功功率－12.5kW;改造后电机最大有功功率34kW，最小有功功率2kW。改造后消除了负功，功率幅值下降13.5kW，下降了29.7% 。可以看出，实测电流、扭矩和功率曲线形状与用ADAMS 软件仿真得到的扭矩曲线形状吻合，验证了仿真理论的正确性，仿真造成的误差在合理的范围内。
结论
(1)提出了游梁式抽油机连杆辅助曲柄平衡改造方案，建立了改造机的虚拟样机，并利用仿真软件ADAMS对虚拟样机进行运动学仿真、动力学仿真和设计试验。设计试验以减速器输出轴扭矩为目标函数，寻找到使目标函数最优的小曲柄初始相位、小平衡块的位置和大平衡块的位置。通过与原机减速器输出轴扭矩曲线进行对比，计算出改造后抽油机理论节能约30%。
(2)现场改造CYJY10－4.2－53HB型游梁式抽油机，结果表明改造后的抽油机消除了负扭矩降低了峰值扭矩，从而降低了电机的装机容量。实测电流、扭矩和功率曲线形状与用ADAMS软件仿真得到的扭矩曲线形状吻合，验证了仿真理论的正确性，仿真造成的误差在合理的范围内。
参考文献：
［1］吉效科，李宁会，王雪玲.游梁平衡和复合平衡弯梁抽油机的性能分析［J］.石油机械，2019(2):80.