毕业设计（论文）游梁式抽油机的建模及自动控制

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1、西安石油大学本科毕业设计（论文）1 前言1.1 研究游梁式抽油机建模和自动控制的目的自从100多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以来，对石油的需求量飞速增长，也为石油工业发展提供了契机。随着采油业的发展，产生了被广泛使用的油井抽油设备抽油机。抽油机的种类繁多，技术发明有几百种。从采油方式上分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类(国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机)和旋转运动类(如电动潜油螺杆泵)；无杆类采油设备可分为电动潜油离心泵，液压驱动类(水力活塞泵)和气举采油设备1。我国油田不像中东油田那样的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，

2、大部分油田靠注水压油入井，在用抽油机把油从底层中提取上来2。以水换油或以电换油是我国油田的现实，因而电费在我国的石油开采中占相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能3。目前，我国抽油机保有量为10万台以上，电动机装机总容量3500MW，每年耗电量为百亿kWh。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，而国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿kwh。除了抽油机之外，油田还有大量注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超过油田总电量的80%，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业4。抽油机在油田使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗

3、潜力巨大。所以如何节能和提高抽油机系统的自动化程度是油田长期要解决的问题。本课题的目的就是通过对游梁式抽油机工作原理的分析，建立游梁式抽油机的模型。基于变频调速节能降耗的思路，设计一种抽油机的自动控制系统，实现抽油系统的自动化控制。通过对游梁式抽油机模型的研究并进行仿真。1.2 抽油机的现状和发展趋势1.2.1 抽油机的现状在油田开采生产中，抽油机将地下原油抽汲到地面的动力设备。抽油机节能是全世界所关注的事情，对于我国来讲，节能具有更大的现实意义。我国每年机械采油耗电量达4050亿kWh，是一个相当可观的数字5。实测结果表明，我国在用的抽油系统(抽油机、抽油杆、抽油泵)的总效率只有16%23%

4、，有的甚至更低。这就客观上要求我国应大力发展和推广应用高效、节能、可靠性高的抽油机，加速开发新型节能抽油机，基本停止常规抽油机的生产，并且加强对在役常规抽油机的节能改造6。1我国节能游梁式抽油机的现状随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。提高抽油机效率，降低抽油机的能耗问题显得越来越突出，于是各式各样的新型抽油机便应运而生7。目前，我国生产抽油机的厂有十几家，产品主要是以游梁式抽油机为主，约占抽油机总数的98%99%，其研制和开发的各种节能型游梁式抽油机，如偏置式节能抽油机(又称“异相机”)、双驴头异型抽油机、偏轮式高效节能抽油机等均已在全国各油田得到一定推广应用，并取得了显著的经济效益，并

5、且还有很多不同方式节能是抽油机8。其中：(1)偏置式节能抽油机，一般可节约电耗15%35%。(2)双驴头异型抽油机，比常规抽油机提高系统效率30%以上。(3)偏轮式高效节能抽油机，一般可节约电耗30%50%。(4)气动平衡式抽油机，一般节约电耗30%50%。(5)前置式抽油机，一般节约电耗36%。(6)链条是抽油机，一般节约电耗30%40%。据统计，截止到2011年11月，大庆油田在役抽油机总数为44049台，其中节能型抽油机仅有12717台，占抽油机总数的31.7%。在节能抽油机中偏置式抽油机8258台，双驴头异型抽油机3522台，低矮型抽油机1736台，偏轮式高效节能抽油机265台，摆杆抽

6、油机342台。随着油田开发逐步进入中、后期的高含水采油阶段，要求抽油机的冲程越长越好，使得相当一部分在役常规游梁式抽油机被列入淘汰之列。因此，从抽油机的增程和节能出发，有必要对油田广泛使用的几种节能型游梁式抽油机的性能进对比分析，为现场在役抽油机的更新换代机以及规游梁式抽油机的改造提供依据。2国外抽油机的现状目前，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等9。为了减少能耗，提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%35%；前置式抽油机节电36.8%；前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%80%；大圈式抽油机节电30%

7、；自动平衡抽油机节电30% 50%；低矮型抽油机节电5%20%；ROTAFLEX 抽油机节电25%；智能抽油机节电14%；螺杆泵采油系统节电40%50%10。近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机得到更精确平衡。近年来，为了节约能耗、提高采油经济效益，国外研制与应用了许多节能型抽油机，在采油实践中，取得较好的使用效果。如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机，由于可在动态下调节气平衡，平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡11。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的

8、平衡效果12。近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机13。1前置式气平衡抽油机美国Jufkin公司生产的A系列前置式气平衡抽油机具有较好的技术经济指标，抽油机重量减轻40%，尺寸缩小35%，动载荷较小，受力均匀，运转平稳，节约电耗35%14。2无游梁长冲程抽油机美国ROTALEx宽带传动抽油机实践表明：抽油机系统效率为5%，而常规抽油机只有40%。提升液体能耗比常规抽油机减少25%，可使用29.4kw电动机。美国WesternGea：有限公司研制的液压驱动无游梁长冲程抽油机占地面积较小，可节约电耗10%15%。美国Nat

9、ional Supply有限公司研制的无游梁长冲程抽油机节约电耗10%20%15。3智能抽油机美国National Supply有限公司研制的智能抽油机减速器峰值扭矩减少34.7%，电动机功率减少17.4%，产量增加19%，抽油机系统效率平均提高47.8%，投资费用减少20%，成本利用率提高20.7%。天然气发动机驱动抽油机。美国生产的天然气发动机驱动抽油机可比电动机功率减少30%，动力费用与采油成本均较低。4变平衡力矩抽油机美国Pionner公司研制了变平衡力矩抽油机，利用抽油机连杆运动以及新增加的连杆摆动机构作用原理，使得上冲程时平衡力矩大于下冲程时的平衡力矩，实现更精确地平衡抽油机载荷、

10、减少抽油机电力消耗的目的。1.2.2 抽油机的发展趋势1.我国的发展趋势20世纪90年代以来，我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期16。为确保高效生产，对抽油机的要求呈现两个特点：一是急需采用长冲程抽油机，以增加油井的产液量；二是为了降低油井的单位生产成本，对抽油机的节能性提出了更高的要求17。其次就目前抽油机耗电量大，工作效率、能量利用率低这一现状仍是我国抽油机研究的重点之一，在抽油机效率和节能方面，还有很大的提升空间，具有非常诱人的前景18。长冲程抽油机的研制应用能力不足一直是我国抽油机发展的瓶颈，长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵的使用寿命、减少故障及提高整机运行

11、质量等优点19。因此，发展长冲程抽油机对当前我国老油田高含水井后期开采，减缓产量递减速度，开采稠油、低渗透油田以及沙漠油田深井及超深井的机械开采，都具有重要的现实意义20。游梁式抽油机的局限性十分突出，多方面事实说明，长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机是今后抽油机发展的主要方向21。为适应油田采油需要，在适当发展游梁式长冲程抽油机的同时，应加速开发各类无游梁式长冲程抽油机22。开发无游梁曲柄摇杆轮式斜井抽油机和大型斜直井抽油机将对我国油气资源开采有重要意义23。根据我国实际情况，发展无游梁大冲程、低能耗、具有高适应性的直井抽油机和斜井抽油机，将是我国今后抽油机发展的主要方向24。近年来，变

12、频技术在抽油机上得到了广泛应用。利用变频控制系统实时调整工作参数，提高电机功率因数，减小供电电流，还可以实现电机的软起动，减小冲击，并可根据油井供液能力实时调整冲次频率，实现增产节能效果25；另外，研究开发机电一体化抽油装置，根据抽油机井特性实时控制和改变抽油状态，实现高效智能化采油26。如美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理器和自适应电子控制器进行控制与监测，具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、安全可靠、适应性强等优点27。研发大型、高适应性的丛式井抽油机，随着世界油气资源的不断开发，油层开采深度逐年加大，油田含水量的增多，大泵提液采油工艺和稠油开采等都要求采用大型抽油机28。

13、现代大型抽油机应具备有高适应性，以适应多种恶劣环境和地层油层的变化，如开发一种机型能适应不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移改变、冲程冲次的改变、油气层性状的改变、连续与间歇抽油的调整等29。另外，由于现代大型抽油机的结构和控制的复杂性，体积的庞大，其工作面积也相应增大，同一抽油机可以对多口相邻油井同时抽油作业，采用综合平衡方式和节能方式，达到最好的作业效果30。2.国外抽油机的发展趋势如前所述，世界范围内抽油机技术发展的总趋势是向着多样化、超大载荷、长冲程、节能型、无游梁式和自动化、智能化方向发展31。(1)朝着大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水

14、量也在不断增多，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机，所以近年来，国外出现了许多大载荷抽油机，如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN，气囊平衡抽油机最大载荷227kN等32。还会出现更大载荷新型抽油机33。采用长冲程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿命长，动载荷小，排量稳定，具有较好的采油经济效益，所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机，如法国Mape公司抽油机，最大冲程10m34；美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m，NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式，Mape公司抽油机最大冲次5min，

15、GDCO公司抽油机最大冲次为3min35。(2)朝着低能耗方向发展为了减少能耗，提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%35%；前置式抽油机节电36.8%；前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%80%；大圈式抽油机节电30%；自动平衡抽油机节电30%50%；低矮型抽油机节电5%20%；ROTAFLEX抽油机节电25%；智能抽油机节电17.4%；螺杆泵采油系统节电40%50%36。(3)朝着精确平衡方向发展近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡

16、抽油机，由于可在动态下调节气平衡，平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果37。(4)朝着高适应性方向发展现代抽油机应具有较高的适应性，以便拓宽使用范围38。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长冲程抽油的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽油的需要；适应优化抽油的需要等39。(5)朝着长冲程无游梁方向发展近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机，其中包

17、括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机40；实践与理论分析表明，增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向；增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向41。(6)朝着自动化和智能化方向发展近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运行参数，及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析，推出最优工况参数，进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测

18、，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点42。1.3 本课题的主要工作本课题的主要任务是通过对抽油机模型的分析并建立一个抽油系统的对其自动控制。在本文中主要进行了如下工作：1结合游梁式抽油机工作原理，对游梁式抽油机的运动和动力特性进行分析研究。运动参数主要包括悬点位移，悬点速度，悬点加速度，动力参数包括悬点载荷以及减速箱曲柄轴的净输出扭矩以及抽油机各部位的受力情况。2根据机械系统动力学原理，对电机转速波动时抽油系统的特性进行分析，将游梁式抽油机有杆泵系统简化为一个等效的动力学模型。以电动机轴为等效构件，等效构件具有原系统的等效惯量，作用有等效力矩，建立等

19、效微分方程进行求解仿真。3利用电机转速与输入电压之间的关系来控制电机的运转，采用模糊PID控制器对抽油机自动控制系统进行控制，在Simulink中进行仿真。402 游梁式抽油机的工作原理有杆泵采油包括游梁式有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油两种方法。两者都是用抽油杆将地面动力传递给井下泵。两者是将抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵；后者是将井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。本章只讲目前矿场普遍采用的游梁式抽油机井有杆泵采油。2.1 游梁式抽油机采油系统工作原理图2-1为游梁式有杆泵采油井的系统组成，它是以抽油机、抽油杆和抽油泵“三抽”设备为主的有杆抽油系统。其工作过程是：

20、由动力机经传动皮带将高速的旋转运动传递给减速箱，经三轴二级减速后，再由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁的上、下摆动，挂在驴头上的悬绳器通过抽油杆带动抽油泵柱塞做上、下往复运动，从而将原油抽汲至地面。图2-1游梁式抽油系统工作原理示意图1-吸入阀；2-泵筒；3-柱塞；4-排出阀；5-抽油杆；6-油管；7-套管；8-三通；9-盘根盒；10-驴头；11-游梁；12-连杆；13-曲柄；14-减速箱；15-动力机。2.2 游梁式抽油机2.2.1 游梁式抽油机的基本结构游梁式抽油机是有杆泵采油的主要地面设备。游梁式抽油机主要由游梁连杆曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等四大部分组成。如图2-2所示。图2-

21、2 抽油机结构简图1-刹车装置；2-电动机；3-减速箱皮带轮；4-减速箱；5-输入轴；6-中间轴；7-输出轴；8-曲柄；9-连杆轴；10-支架；11-曲柄平衡块；12-连杆；13-横梁轴；14-横梁；15-游梁平衡块；16-游梁；17-游梁轴；18-驴头；19悬绳器；20-底座。2.2.2 游梁式抽油机的分类抽油机是有杆泵采油的主要地面设备，按是否有游梁，可将其分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机是通过游梁与曲柄连杆机构将曲柄的圆周运动转变为驴头的上、下摆动。按结构不同可将其分为常规型和前置型两类。2.2.3 游梁式抽油机的工作原理游梁式抽油机的工作原理：动力机将高速旋转运动通过皮带

22、和减速箱传递给曲柄轴，带动曲柄轴做低速旋转，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆作往复运动。2.3 抽油泵2.3.1 抽油泵的一般性能要求抽油泵是抽油的井下设备。它所抽吸的液体中含有砂、蜡、气、水及腐蚀性物质，又在数百米到上千米的井下工作，有的经泵内压力会高达20mpa以上。所以，它的工作环境复杂，条件恶劣，而泵工作的好坏又直接影响到油井的产量。因此，抽油泵一般应满足下列要求：a结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；b制造材料耐磨和腐蚀性好，使用寿命长；c规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；d便于起下；e在结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备

23、。2.3.2 抽油泵的组成及分类抽油泵主要由工作筒(内筒和外筒)、柱塞及游动凡尔(排出凡尔)和固定凡尔(吸入凡尔)组成。按照抽油泵在油管中的固定方式，抽油泵可分为管式泵和杆式泵。1.管式泵如图2-3(a)为普通管式泵的结构示意图。管式泵是把外筒和衬套在地面组装好后，接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后把活塞接在抽油杆柱下端下入泵筒内。检泵打捞固定阀时，通常采用两种方式：一种是利用柱塞下端的卡扣或丝扣起抽油杆柱时将固定阀捞出；另一种是柱塞下部无打捞装置，在起出抽油杆柱和柱塞后，用绞车、钢丝绳下入专门的打捞工具将固定阀捞出。其特点是：结构简单、成本低；在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵

24、大，因而排量较大；检泵时需起出油管，修井工作量大。因此，管式泵适用于下泵深度不大、产量较高的井。2.杆式泵如图2-3(b)为普通杆式泵的结构示意图。杆式泵是整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端，整体通过油管下入井内，由预先安装在油管预定位置上的卡簧固定在油管上。其特点是：检泵不需起出油管，检泵方便；结构复杂，制造成本高；在相同油管直径下允许下入的泵径比管式泵小，故排量较小。因此，杆式泵适用于下泵深度较大，但产量较低的井。由于井液性质的复杂性，对泵往往有特殊要求，因此，从用途上又可将抽油泵分为常规泵和特种泵。特种泵主要有防砂泵、防气泵、抽稠泵、分抽混出泵和双作用泵以及各种组合泵。图2-3 抽油

25、泵结构示意图(1)管式泵；(2)杆式泵1-油管；2-锁紧卡；3-活塞；4-游动阀；5-工作筒；6-固定阀。2.3.3 抽油泵的工作原理1.上冲程抽油杆柱带动活塞向上运动。如图2-4(a)。活塞上的游动阀受管内液柱压力作用而关闭，泵内压力随之降低。固定阀在沉没压力与泵内压力构成的作用下，克服重力而被打开，原油进泵而井口排油。于此同时，抽油杆由于加载而伸长，油管卸载而缩短。2.下冲程抽油杆柱带动活塞向下运动。如图2-4(b)。固定阀一开始就关闭，泵内压力逐渐升高。当泵内压力升高到大于活塞以上液柱压力和游动阀重力时，游动阀被顶开，活塞下部的液体通过游动阀进入活塞上部，泵内液体排向油管。于此同时，抽油

26、杆由于卸载而缩短，油管加载而伸长。图2-4 泵的工作原理(a)上冲程 (b)下冲程1排出阀；2柱塞；3衬套；4吸入阀3 游梁式抽油机运动和动力特性分析3.1 运动特性分析抽油机悬点运动规律是正确使用抽油系统和设计、分析抽油机系统工作状况的基础，因此必须建立抽油机运动规律的计算方法，求出驴头悬点的位移、速度和加速度随时间的变化规律，以便载荷和扭矩的分析提供基础。3.1.1 简化的游梁式抽油机运动分析游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线做固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为三个活动杆所构成的四连杆机构。以简化分析法为例，如下：图3-1为简化为简谐运动时抽油机运动机构示意图。图3-1 抽油机四连杆

27、机构示意图若及，即认为曲柄半径长度R比连杆长度P和游梁后臂长度C小得多，以至于曲柄半径与连杆和游梁后臂长度的比值可以忽略不计。此时，游梁和连杆的连接点B的运动可以看作简谐运动，即可以把B点的运动规律看做D点圆周运动时在垂直中心线上的投影点的运动规律，则B点经过t时间(曲柄转过角)时位移为： (3-1)当悬点以下死点为位移零点，向上为位移正方向，则任意时刻t悬点位移为： (3-2)C点的速度为： (3-3)C点的加速度为： (3-4)式中：曲柄转角(=t)，rad；曲柄角速度，；t时间，s；A游梁前臂长度，m；C游梁后臂长度，m；R曲柄半径，m；C点经过t时间的位移，m；C点经过t时间的速度，；

28、C点经过t时间的加速度，。简谐运动时悬点位移、速度、加速度随曲柄转角的变化可参见3-3，3-4及3-5，由图可见：抽油机是一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在变化。上冲程的前半程为加速运动，加速度为正(加速度方向和运动方向都向上)；后半程为减速运动(加速度方向和运动方向都向下)。下半程只改变运动方向，前冲程仍为加速运动(加速度方向和运动方向相同，都向下)；后半程仍为减速运动(加速度方向和运动方向相反)。在上下死点处(，)，悬点加速度的值最大，其值为： (3-5)在上、下冲程的中点(，)加速度为零，速度绝对值最大，即： (3-6)3.1.2 悬点运动规律的精确分析对图3-2

29、中各变量说明如下：A游梁前臂长度，m；C游梁后臂长度，m；P连杆长度，m；R曲柄半径，m；I游梁支承中心到减速器输出中心的水平距离，m；H游梁支承中心到底座部的高度，m；G减速器输出轴中心到底座的高度，m；K极距，即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离，m；J曲柄销中心到游梁支承中心之间的距离，m；曲柄转角，以曲柄半径处于12点钟位置算起，并且沿顺时针方向取为正值；零度线与K的夹角，由零度线到K沿曲柄旋转方向度；C与P的夹角，称为传动角；J的夹角；K与J的夹角；K的夹角；在上死点位置时的角；在下死点位置时的角；R的夹角，由K到R沿曲线柄旋转方向度量；P与R的夹角；悬点处于下死点时连杆与零度线位

30、置的夹角；悬点处于上死点时连杆与零度线位置的夹角；曲柄与线的夹角，从线算起，逆时针为正；BD与线线的夹角，从线算起，逆时针为正；与线的夹角，从线算起。逆时针为正；极为夹角，即悬点处于上下死点时曲柄所处两位置夹的锐角。4AO1C悬点B3HPKJkO2DRIG图3-2抽油机运动结构示意图 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16)式中：“+”用于曲柄顺时针旋转，“”用于逆时针旋转。 (3-17) (3-18) (3-19) (3-20) (3-21) (3-22)以下死点为位移零点，向上为位移正方向，则任意时

31、刻悬点位移为：后置型抽油机 (3-23) (3-24) (3-25)前置型抽油机 (3-26) (3-27) (3-28)式中：悬点位移；S悬点冲程长度；PR位移因数。图中存在如下的矢量关系式： (3-29)上述矢量方程用复变量可表示为：(3-30)将上式两边对时间求导数，可得：(3-31)令方程两边实部和虚部对应相等，则可得如下方程组：解方程组，可得： (3-32) (3-33)由于=，所以连杆与游梁运动的角速度为： (3-34) (3-35)对式(3-34)和式(3-35)求导，可得连杆及游梁运动的角加速度为：由此可以得到悬点速度和加速度分别为： (3-36)式中：“”用于后置式抽油机；“

32、+”用于前置式抽油机。扭矩因数为： (3-37)精确分析时悬点位移、速度、加速度随曲柄转角的变化可参见图。仿真所使用的是CYJ10-3-53HB型抽油机，参数见表3-1，n为冲次，表中其他字母所代表的物理意义和本节公式中字母一样。表3-1 CYJ10-3-53HB型抽油机几何结构参数A(mm)345025003380650348031609C(mm)P(mm)R(mm)I(mm)H-G(mm)M)n(1/min)由曲线可见，精确分析时悬点最大位移：1.9112；简化分析时悬点最大位移：1.7940。简化方法所得到的悬点最大位移，最大速度及最大加速度均小于实际值，按简谐运动分析所得到的结果最大。

33、由于曲柄偏置角的存在，上下死点位置并不是一般认为的和曲柄转角，倘若以曲柄转角作为位移的参照点，则必定使悬点位移出现负值。因此在进行精确分析计算和抽油机结构时，必须按四连杆结构来研究抽油机的实际运动规律。图3-3 悬点位移曲线图3-4 悬点速度曲线图3-5悬点加速度曲线3.2 动力特性分析3.2.1 游梁式抽油机悬点载荷分析计算抽油机在正常工作时，悬点所承受的载荷根据其性质可分为静载荷、动载荷以及其它载荷。静载荷通常是指抽油杆柱和液柱所受的重力以及液柱对抽油杆柱的浮力所产生的悬点载荷；动载荷是指由于抽油杆柱运动时的振动、惯性以及摩擦所产生的悬点载荷；其它载荷主要有沉没压力以及井口回压在悬点上形成

34、的载荷37。1.抽油杆柱的重力产生的悬点静载荷抽油杆柱所受的重力在上、下冲程中始终作用在悬点上，其方向向下，故增加悬点载荷。上冲程中抽油杆柱的重力作用在悬点的载荷为 (3-38)式中抽油杆柱的重力，N；抽油杆(钢)密度，=7850；g重力加速度，取9.807；抽油杆截面面积，；抽油杆柱长度,。下冲程中抽油杆柱受液体的浮力，作用在悬点的载荷为 (3-39)式中抽油杆柱在液体中的重力，N；抽汲液的密度，。2.液柱的重力产生的悬点载荷在上冲程中，液柱的重力经抽油杆柱作用于悬点，其方向向下，使悬点载荷增加，其值为 (3-40)式中上冲程中由液柱的重力产生的悬点载荷，N；活塞截面积，。在下冲程中，液柱的

35、重力作用于油管上，因而对悬点载荷没有影响。3.振动载荷与惯性载荷抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕，这一过程称之为初变形期。初变形期之后，抽油杆才带动活塞随悬点一起运动。抽油杆柱本身是一个弹性体，在周期性交变力的作用下做周期性变速运动，因而将引起抽油杆柱做周期性的弹性振动。这种振动还将产生振动冲击力，这个力作用于悬点上便形成振动载荷。同时，变速运动将产生惯性力，作用于悬点上便形成惯性载荷。据资料和实践表明，液柱载荷一般都不会在活塞上(即抽油杆下端)产生明显的振动载荷。因此，在下面的讨论中忽略了液柱的振动载荷。(1)抽油杆柱的振动引起的悬点载荷在初变形期末激发起的抽油杆柱的纵向振动，可用一端固

36、定、一端自由的细长杆的自由纵振动微分方程来描述 (3-42)式中抽油杆柱任一截面的弹性位移，；自悬点到抽油杆柱任意截面的距离，；弹性波在抽油杆柱中的传播速度，等于抽油杆中的声速，；从初变形期末算起的时间，。假定悬点载荷在初变形期的变化接近于静变形，沿杆柱的速度按直线规律分布，则微分方程的初始条件和边界条件分别为初始条件； (3-43)边界条件； (3-44)式中初变形期末抽油杆柱下端(活塞)相对于悬点的运动速度。根据分离变量法，在以上初始条件和边界条件下，方程组的解为 (3-45)式中抽油杆柱自由振动的固有频率，。抽油杆柱的自由纵振动在悬点处产生的振动载荷为 (3-46)式中抽油杆材料的弹性模

37、量。由式(314)可看出，悬点的振动载荷是的周期性函数，其周期为2。初变形期末激发的抽油杆柱的自由纵振动，在悬点处产生振动载荷的振幅，即最大振动载荷为 (3-47)最大振动载荷发生在,处。但实际上由于存在阻尼，振动将会随时间逐渐衰减，故最大振动载荷发生在处，出现最大振动载荷的时间则为 (3-48)(2)抽油杆柱与液柱的惯性产生的悬点载荷驴头带动抽油杆柱和液柱做变速运动时存在加速度，因而将产生惯性力。如果忽略抽油杆柱和液柱的弹性影响，则可以认为抽油杆柱和液柱各点和悬点的运动规律完全一致。抽油杆柱与液柱的惯性力的大小与其质量和加速度的乘积成正比，方向则与加速度方向相反。由前面分析知道，悬点在接近上

38、、下死点时加速度最大，因此，惯性载荷也在接近上、下死点时达到最大值。并且，惯性载荷在上死点附近方向向上，减小悬点载荷；在下死点附近方向向下，增加悬点载荷。如果采用曲柄滑块机构模型来计算加速度，抽油杆柱和液柱在上、下冲程中产生的最大惯性载荷值分别为 (3-49) (3-50) (3-51)式中,抽油杆柱和液柱在上冲程中产生的最大惯性载荷，N；抽油杆柱在下冲程中产生的最大惯性载荷，N；油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数，可由下式计算： (3-52)式中油管的过流断面面积。实际上，由于抽油杆柱和液柱的弹性，抽油杆柱和液柱各点的运动与悬点的运动并非一致，因此，上述按悬点最大加速度计算的惯性载荷将

39、大于实际值。4.摩擦载荷抽油机在工作时，作用在悬点上的摩擦载荷由以下五部分组成。(1)抽油杆柱与油管的摩擦力该摩擦力在上、下冲程中都存在，其大小在直井内通常不超过抽油杆重量的1.5。(2)柱塞与衬套之间的摩擦力该摩擦力在上、下冲程中都存在，一般泵径不超过70 mm时，其值小于1717N。 (3)抽油杆柱与液柱之间的摩擦力抽油杆柱与液柱之间的摩擦发生在下冲程，其摩擦力的方向向上，是稠油井内抽油杆柱下行遇阻的主要原因。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，其最大值可近似确定为 (3-53)式中抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，N；井内液体的动力粘度，Pas；m油管内径与抽油杆直径之比，；油管内径，m；抽

40、油杆直径，m；抽油杆柱最大下行速度，。可按悬点最大运动速度来计算，当把悬点简化成简谐运动时可得： (3-54)由式(3-32)看出，决定的主要因素是井内液体的粘度及抽油杆柱的运动速度。因此，在抽汲高粘度液体时，往往采用低冲次、长冲程工作方式。(4)液柱与油管之间的摩擦力液柱与油管之间的摩擦力发生在上冲程，其方向向下，故增大悬点载荷。资料表明，下冲程杆柱与液柱的摩擦力约为液柱与油管间摩擦力的1.3倍。因此，可根据来估算 (3-55)(5)液体通过游动阀的摩擦力在高粘度大产量油井内，液体通过游动阀产生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因，对悬点载荷也会造成不可忽略的影响。液流通过游动阀时产生

41、的压头损失为 (3-56)式中液体通过游动阀的压头损失，m；液体通过阀时的流速，；g重力加速度，；活塞运动速度，；活塞截面积，；阀孔截面积，；阀流量系数。其中式中阀孔径，m；v液体的运动粘度，。如果把活塞运动看成简谐运动，则式(3-56)可写成 (3-57)由液流通过游动阀的压头损失而产生的活塞下行阻力为 (3-58)5.其它载荷除上述各种载荷以外，还有如沉没压力和管线回压产生的载荷等都会影响到悬点载荷。沉没压力的影响只发生在上冲程，它将减小悬点载荷。液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压，将对悬点产生附加载荷，其性质与油管内液体的作用载荷相同，即上冲程中增加悬点载荷，下冲程中减小悬点载荷

42、。因二者可以部分抵消，一般计算中常可忽略。3.2.2 梁式抽油机减速箱曲柄轴扭矩分析为了使悬点以一定的载荷和一定的抽吸方式工作，减速箱曲柄轴就需要给出一定的扭矩，因此减速箱曲柄轴扭矩是游梁式抽油机的基本参数之一。实践证明：减速箱曲柄轴扭矩大小和悬点载荷的设计、各杆件长度的比值和抽油机的平衡情况有密切的关系。它的合理确定对减速箱的设计、电动机功率的选择和抽油设备的正常工作有非常重要的意义。通过对载荷的分析计算，我们可以得出，上下冲程悬点载荷是不同的，这样就造成电机上下冲程所做功的不同，抽油机上下冲程的不平衡，这种不平衡会给抽油机造成以下后果：(1)上冲程中电动机承受极大地载荷，下冲程中抽油机反而

43、带着电动机运转，从而造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命。(2)由于负荷不均匀，会使抽油机发生激烈震荡，而影响抽油设备的寿命。(3)会破坏曲柄旋转速度的均匀性，而影响抽油杆和泵的正常工作。因此，有必要在下冲程把能量储存起来，在上冲程利用存储的能量来帮助电动机做功，这就是进行抽油机破平衡的基本原理，目前有机械平衡和气动平衡，一般普通式抽油机采用机械平衡，而前置式抽油机多采用气动平衡。1.机械平衡：在下冲程中增加重块的位能来存储能量，而在上冲程中平衡重降低位能，来帮助电动机做功。机械平衡有三种方式：(1)游梁平衡：在游梁尾部加平衡块，适用于小型抽油机(2)曲柄平衡：平衡重加在曲柄上，这种平衡方式

44、便于调节平衡，并且可避免在游梁上造成过大的惯性力，适用于大型抽油机。(3)复合平衡：在游梁尾部和曲柄上都有平衡重，上述两种方式的组合，多用于中型抽油机。2.气动平衡：下冲程中通过游梁带动的活塞压缩气包中的气体，把下冲程中作的功存储起来并转化成气体的压缩能，上冲程中被压缩的气体膨胀，将存储的压缩能转化为膨胀能帮助电动机做功。这样平衡方式多用于大型抽油机，可以节约钢材，并且能改善抽油机的受力情况，但加工制造质量要求很高。减速箱曲柄轴扭矩M等于曲柄半径R和作用于曲柄销的切线力T的乘积，即：M=RT (3-27)在工作中，曲柄半径R是不变的，所以减速箱曲柄扭矩M的变化规律和切线力的变化规律是一样的。为

45、了求出M值，要先求出T值。以下图复合平衡抽油机(如图3-6)为例进行受力分析，在曲柄销处的作用力有切线力T，连杆作用力P连，曲柄平衡重折合力Q曲，曲柄轴轴承沿着曲柄的反作用力P柄以及曲柄平衡重质量造成的离心力 图3-6 复合平衡抽油机对曲柄轴中心O作用力矩平衡方程式： (3-59)整理的 (3-60)在游梁上的作用力有悬点载荷W，连杆作用力，游梁平衡重，游梁支点O的反作用力、以及游梁平衡重质量绕游梁支点O1所产生的惯性力矩。由可得： (3-61)将式(3-61)代入式中(3-60)，得 (3-62)因此，复合平衡时减速箱曲柄轴扭矩为： (3-63)当用游梁平衡时，=0，则 (3-64)当用曲柄

46、平衡时，=0，则 (3-65)式中：称为曲柄最大平衡扭矩。令=,称为油井负荷扭矩，=，称为曲柄平衡扭矩，则净扭矩：，图3-7是曲柄平衡式抽油机的减速箱曲柄扭矩变化曲线，同样使用CYJ10-3-53HB型抽油机，其它几何尺寸和表3-1中相同。上式适用于常规型游梁式抽油机的计算，对于异相型抽油机，考虑到平衡滞后角，同样可以推得曲柄破平衡时的M值： (3-66)如果考虑游梁本身及各附件重量，同时考虑到现有游梁抽油机游梁最大摆角为1弧度，可近似认为，则对于曲柄平衡异相型抽油机，其M为： (3-67)式中：B游梁结构不平衡重，其中为的重心至游梁支点的距离，即可把转化为作用于悬点处的载荷B图3-7减速箱曲

47、柄扭矩曲线3.2.3 梁式抽油机的受力分析在了解悬点载荷变化规律和抽油机各杆件运动规律基础上，利用图3-6，可推导出游梁式抽油机受力分析的计算式44。1.作用于曲柄和连杆节点的切线力T当复合平衡时，按3-61计算。当游梁平衡时： (3-68)当曲柄平衡时： (3-69)2.连杆上的作用力P连当复合平衡和游梁平衡时，按3-65计算。当曲柄平衡时： (3-70)3.沿曲柄的作用力P柄当复合平衡和游梁平衡时： (3-71)当曲柄平衡时： (3-72)4.沿游梁的切向力和轴向力 (3-73) (3-74)5.作用于游梁支点的垂直分力和水平分力垂直分力： (3-75)水平分力： (3-76)6.支架腿部

48、支承的反作用力， (3-77) (3-78)3.2.4 从上述分析看出(1)悬点载荷是对各个杆件和节点受力大小影响最大的因素。因为悬点载荷是变化的，所以各杆件和节点的受力也是变化的。(2)不同的平衡方式也影响到各杆件和节点的大小。(3)因为在受力计算公式中包括各杆的长度和转角以及悬点的速度及加速度，故各杆件和节点受力大小在一定程度上决定于抽油机的运动4 电机转速波动时抽油系统等效模型的建立4.1 等效模型的建立在抽油机的研究中，往往将曲柄视为匀速转动，即电动机轴的转速是恒定的。采用超高转差率电动机拖动抽油机。因为这种电动机具有软特性，悬点加速度将减小，以悬点的最大载荷下降，这将明显地改善抽油杆

49、的受力，因而减少抽油杆的断脱,增加统的可靠性。由于使用超高转差率电动机，启动电流和工作电流都有明显减小，功率因数有所提高，可取得很好的节能效果，但使用超高转差率电动机后抽油机的曲柄不再是匀速转动，因此求解抽油机的真实运动规律是设计和使用超高转差率电动机驱动抽油机的基础。许多学实际上由于抽油机上、下冲程悬点载荷变化大，以及各构件的质量、转动惯量等因素的影响，造成减速器曲柄的转速有较大幅度的波动，因此这种方法的简化具有很大的相似性，求出的运动规律与实际相差很大；也有求解波动方程来计算悬点载荷，但这种计算复杂。在此把抽油机有杆系统作为一个系统来研究抽油机的运动规律，所以提出一种求超高转差率电动机驱动

50、抽油机真实运动规律的方法。由于采用了超高转差率电动机驱动，其外特性较软，抽油机曲柄转速将随负载的变化有一个较大幅度的波动，因此这种抽油机一有杆泵系统就不能再用以前分析曲柄匀速系统的方法。根据机械系统动力学原理，将整个系统简化为一个等效的动力学模型。如图3-8所示，将抽油机有杆泵系统动力学的研究转化为一个等效构件的分析研究。为便于分析计算，将曲柄作为等效构件，等效后曲柄的运动与原系统中曲柄的实际运动完全一致，曲柄的转动惯量与原系统的转动惯量相等，曲柄上所受的力与原系统中力的作用效果完全一样，这样就通过等效构件将复杂的抽油机有杆泵系统简化为一个构件的力学模型，等效构件具有系统的等效转动惯量，其上作

51、用有等效力矩。JM图4-1 抽油机的动力学等效模型4.1.1 等效转动惯量等效系统的动能： (4-1)整个机械系统动能： (4-2)等效转动惯量根据动能守恒原则进行换算，即根据等效构件所具有的动能与原系统中所有构件所具有的动能之和相等来计算等效构件所具有的转动惯量。曲柄的等效转动惯量： (4-3)式中，系统中构件i的质量及构件i对质心的转动惯量；，系统中构件的角速度及贡合的速度；曲柄的角速度。4.1.2 等效力矩电动机上的等效力矩： (4-4)式中：等效力矩；等效驱动力矩；等效阻力矩。(1)等效驱动力矩等效驱动力矩：等效驱动力矩即为电动机输出扭矩，由电动机的特性曲线可知等效驱动力矩是电机转速的

52、函数。在电机转速恒定的情况下，可以看做常量。在无实测电机机械特性曲线时，可根据电动机的额定参数由下式计算得到45： (4-5)式中：电动机最大扭矩与额定扭矩之比；电动机额定功率，kw；电动机同步转速，；电动机的额定转速。(2)等效阻力矩等效阻力矩是指减速器曲柄净扭矩转化到电动机轴上的力矩，即 (4-6)式中：i传动比；传递效率。等效力矩根据作用在等效构件上的力矩所作的功等于作用在系统上所有外力所作的功来确定。曲柄上的等效力矩为： (4-7)4.1.3 等效微分方程的建立根据动能定理，在dt时间内，等效模型的动能增量dE应等于瞬时等效力或等效力矩所做的功dW，即：dE=dW (4-8)由于等效模

53、型做定轴转动，则有： (4-9)化简有： (4-10) (4-11)4.2 等效模型的求解由于，所以有： (4-12) (4-13)在常用的机械中，变速比传动的机构一般安排在低速部分。由于等效转动惯量中的变量部分一般很小，为了便于讨论，可将其忽略不计，因此等效转动惯量可视为常量。曲柄平衡块也产生很大的动能。但因其转速低，故其等效到电动机上就很小，与下面的计算可以看出来。设曲柄平衡重产生的转动惯量等效到电动机轴上为，根据动能定理的原则有： (4-14) (4-15)设传动带的传动比为3；减速器传动比为40，则i=3*40=120。 (4-16)可见曲柄平衡块产生的转动惯量转化到电动机轴上仅为，可

54、以忽略不计，因此可得： (4-17)式4-11可简化为： (4-18)对于式(4-16)的二阶常微分方程，可以利用数值积分的方法求解，在本文中利用四阶龙格库塔的方法。将式(4-18)简化为： (4-19)当t=0时，=；驴头悬点位于死点时电动机轴的转角，rad；驴头悬点位于死点时电动机轴的角速度，。一般情况下，电机轴初始角速度是不知道的，但根据抽油机的周期性运动规律，可以任意给定初始角速度，经过几次迭代就能满足精度要求，本文选取额定角速度。这样，利用上面等效模型求解出电动机轴的加速度，通过减速比，就可以得到抽油机曲柄的角速度。利用前面在转速恒定下仿真得到的曲柄净扭矩来对抽油机等效模型进行仿真研

55、究，如图4-2所示，此图是在电机轴转速接近稳定以后的抽油机曲柄角速度曲线。电动机型号：Y250M-6，电机转动惯量=0.8502，冲次=6。图4-2 抽油机等效模型曲柄角速度仿真曲线 根据仿真结果可以看出，把抽油机系统化简为一个等效模型进行分析，虽不如抽油机精确模型分析精确，但是误差也不是很大，简单方便，所以说在实际工程分析时利用这种等效模型进行分析时可行的。通过等效微分方程可以看出，增加电动机轴上的转动惯量可以减少电动机转速的波动，有利于系统稳定。5 基于模糊PID控制的抽油系统5.1 模糊PID控制原理抽油系统闭环控制的总体控制策略是根据电动机输出功率和泵的充满度的关系来控制抽油机系统。电

56、动机输出功率与泵充满度有着密切的关系46。图5-1从理论上给出了当油井动液面基本保持不变的情况下，不同冲次下深井泵产生液击时电动机的输出功率与泵充满时电动机输出功率的比值和泵充满度之间的关系曲线。所谓液击就是指当泵充不满时，塞住与泵内液面撞击引起的抽油设备受力剧烈变化的现象。这一曲线适用于正常井下摩擦的各类油井。由图可看出，在冲次一定的情况下，电机输出功率与泵充满度成正比，可以用电动机功率作为控制参数来控制抽油系统。泵在某一充满度时电动机输出功率与冲次有关，在同一井况下，冲次越低，电动机输出功率越小。于是可以设定一个充满度为设定值时电动机的输出功率，以此作为电动机输出功率的阀值进行控制。图5-

57、1 电动机输出功率与泵充满度关系电动机的输出功率与电压有关，电压越高，输出功率越高，而抽油机冲次也是通过电机转速控制的，因此整个控制策略归根到底是对电机转速进行控制。所以可以通过模糊PID进行仿真控制电机的转速。5.2 模糊控制理论模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。对于缺乏数字模型的被控制对象的控制问题，可以依据系统的模糊关系，利用模糊控制条件语句写出控制规则，设计出比较理想的控制理论。模糊控制系统由模糊控制器和被控制对象组成，如图5-2，其中虚线部分为模糊控制器。它主要包括以下四部分。1.模糊化模糊化的作用是将输出的精确量转化为模糊化量。其输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态，其具体过程如下：（1）首先对这些输入量进行处理，已变成模糊控制器要求的输入量；（2）将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围；（3）将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并相应的模糊集合来表示。图5-2 模糊控制系统组成2.知识库知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和模糊控制规则两部分组