測試抽油機用開關磁阻電機的試驗裝置設計

郭登明，汪隨，胡航行，周靖力

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

測試抽油機用開關磁阻電機的試驗裝置設計

郭登明，汪隨，胡航行，周靖力

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

為測試抽油機用開關磁阻電機在采油現場應用情況，設計了一種柔性無游梁抽油機試驗裝置用于測試電機的節能特性，推導了該試驗裝置的運動及受力特性公式,優化了試驗裝置的幾何參數，繪制了其在試驗功率達到30、37、45kW時的凈扭矩特性曲線，并在試驗功率為45kW的工況下將該試驗裝置與常規游梁式抽油機直接掛載的扭矩特性曲線進行對比。結果表明，該試驗裝置在上述3種試驗功率下的凈扭矩特性曲線一致，且與常規游梁式抽油機直接掛載的凈扭矩特性曲線相近，能較為真實地模擬抽油機現場工況，可用于開關磁阻電機的節能特性測試。該研究結果對開關磁阻電機在油田現場的應用具有指導意義。

開關磁阻電機；抽油機；節能；試驗裝置

游梁式抽油機因為結構簡單、易損件少、可靠性高、耐久性好、操作維修方便等優點，一直處于有桿采油設備的主導地位，約占機采總數的75%。據統計，油田生產成本的1/3為電能消耗。目前我國抽油機用電機的總裝機容量在3.5×106kW以上，年耗電超過1×1010kW·h，而且電機普遍負載率小、效率低，嚴重影響油田的綜合開發效益[1]。永磁同步電機、高轉差率電機、變頻調速電機、雙功率電機等在油田中的應用已經較為廣泛和成熟，有一定的節能效果[2，3]。開關磁阻電機具有起動轉矩高，低負載系統效率高，節電性能好，使用壽命長等諸多優良特性，但在抽油機中的應用并不廣泛。開關磁阻電機的優點若能發揮在抽油機上，將大大推動抽油機的節能改造，也為將來的智能數字化抽油機的實現打下基礎。在大批量使用開關磁阻電機之前，必須對該電機的節電性能進行測試。文獻[4]采用負載電機模擬抽油機的載荷特性并測試開關磁阻電機的性能指標，這種方法并不能真實地反映采油現場抽油機的實際工況。筆者設計出一種能較為真實地模擬抽油機實際工況的試驗裝置，通過調節掛重和曲柄轉速，可實現功率的調節，達到測試開關磁阻電機性能的目的。該試驗裝置亦可用于其他類型電機的性能測試。

1 試驗裝置方案設計

某電機廠根據油田現場抽油機用電機的使用情況，擬定試驗的開關磁阻電機額定功率為30、37、45kW等3種規格。為達到功率要求，設計了一種柔性無游梁抽油機裝置，其結構方案如圖1所示。電機通過減速箱帶動曲柄作低速旋轉運動，連桿一端連接曲柄，另一端連接柔性繩，并通過雙滑輪將曲柄的往復旋轉運動轉化為掛重的上下往復直線運動。其中，掛重模擬現場工況的懸點載荷。

2 試驗裝置的運動分析及動力計算

將抽油機的游梁和驢頭簡化為滑輪和鋼絲繩的組合，機構運動簡圖如圖2所示。圖2中的符號定義如下：I為滑輪軸承中心O1到減速器輸出軸中心O的水平距離，m；(H-G)為滑輪軸承中心O1到減速器輸出軸中心O的垂直距離，m；C點為鋼絲繩與滑輪的切點；P為曲柄銷中心B點與C點的距離，m；β為鋼絲繩所在直線與O1C所在直線的夾角，(°)；J為曲柄銷中心B點與O1點的距離，m；K為機架長度，即點O1到點O的距離，m；r為滑輪半徑，m；R為曲柄回轉半徑，m；θ為曲柄轉角，(°)；α為曲柄所在直線與連桿所在直線的夾角，(°)；τ為曲柄偏置角，(°)；φ為線段O1O與豎直方向的夾角，(°)；ρ為∠BO1O的大小，(°)；χ為∠BO1C的大小，(°)；W′為懸點載荷，N。

圖1 試驗裝置結構簡圖 圖2 試驗裝置運動簡圖

2.1 幾何計算公式

1)P的計算公式為：

(1)

2)α的計算公式為：

α=β+(χ-ρ)-(θ-φ)

(2)

2.2 運動計算公式推導

1)懸點速度Vt的計算公式為：

(3)

式中，n為曲柄轉速，r/min。

2)懸點加速度at的計算公式為[5]：

(4)

式中，ω為曲柄的角速度，rad/s。

2.3 主要構件受力計算公式推導

整機的力學模型如圖3所示。

1)掛重W0的計算公式為：

(5)

式中，W0為掛重，N；W為額定懸點載荷，kN；amax為上沖程的最大加速度，m/s2，向上為正。

圖3 試驗裝置受力簡圖

2)連桿拉力FL的計算公式為：

(6)

忽略滑輪摩擦力、鋼絲繩彎曲和彈性變形等因素。

3)工作扭矩TW、平衡扭矩TR、凈扭矩TN的計算公式為[5]：

TW=FLRsinα

(7)

TR=Msin(θ-τ)

(8)

TN=TW-TR

=FLRsinα-Msin(θ-τ)

(9)

式中，M為曲柄最大平衡扭矩，N·m；τ為偏置角，(°)。

4)電機功率P的計算公式為：

(10)

3 試驗裝置的參數確定及模擬試驗結果

3.1 幾何參數

表1 試驗裝置的幾何參數

該試驗裝置可通過調整掛重和曲柄轉速來調節功率。為保證TN滿足條件，通過調試M、τ、I、(H-G)，對計算結果進行優化，確定出相關參數，結果如表1所示。

取電機效率0.6為參考值，在保證TN滿足條件的情況下，調節曲柄轉速和掛重，使得測試功率分別達到30、37、45kW，結果如表2所示。

表2 測試不同功率電機時試驗裝置的掛重及曲柄轉速

3.2 模擬試驗結果

圖4 試驗裝置的懸點速度、加速度曲線

將上述計算公式及數據輸入到Excel數據表中進行處理，得出曲柄旋轉一周的懸點速度、加速度曲線，如圖4所示；試驗裝置在3種功率下的凈扭矩曲線如圖5所示；試驗功率在45kW時的各扭矩曲線如圖6所示。

3.3 模擬試驗結果與常規游梁式抽油機計算結果的對比

為驗證該試驗裝置是否能較為真實地模擬抽油機的現場工況，筆者同樣推導出常規游梁式抽油機的扭矩計算公式，代入尺寸及其他相關數據，其中曲柄半徑為1.0m，連桿長度為3.2m，游梁后臂長為2.1m，游梁前臂長為3.0m，掛重為92780N，曲柄轉速為10r/min，抽油機計算功率為45.0W，用此來測試功率為45kW時的電機性能。用Excel表格繪出凈扭矩曲線圖如圖7所示。

圖5 試驗裝置在3種功率下的凈扭矩曲線 圖6 試驗裝置在試驗功率45kW時的各扭矩曲線

圖7 常規游梁式抽油機直接掛載的凈扭矩曲線

比較圖6和圖7可以看出，在測試功率相同時，試驗裝置與常規抽油機直接掛載的扭矩特性相近，在一個曲柄旋轉周期中均出現2次最大正扭矩值。不同點在于，試驗裝置由于簡化了游梁和驢頭，忽略了滑輪摩擦力、鋼絲繩彎曲和彈性變形，也未考慮抽油桿柱震動載荷、井下摩擦力等，計算出的扭矩相對于實際抽油機略微偏小，計算功率也偏小。

4 結論

1)采用柔性無游梁試驗裝置，其懸點速度、加速度曲線符合抽油機懸點的運動規律。從試驗裝置凈扭矩曲線與常規游梁式抽油機直接掛載的曲柄凈扭矩曲線對比發現，試驗裝置能較為真實地模擬抽油機在采油現場的實際工況。將其用于測試開關磁阻電機節能特性、運轉穩定特性都是可行的。

2)改變掛重、曲柄轉速等參數，可使測試功率分別達到30、37、45kW。

3)試驗裝置可用于室內測試抽油機用開關磁阻電機的性能，對現場開關磁阻電機的使用具有相應的指導意義，試驗裝置也可用于其他類型電機的性能測試。

[1]馮子明,張金東,顧慧珊,等.抽油機用電動機節能特性的試驗研究[J].石油礦場機械,2013,42(7):55～58.

[2]戴洪森.大慶油田抽油機節能電機及其應用效果分析[J].長江大學學報(自科版),2013,10(31):98～100.

[3]胡亮,馬海,劉建國. 河南油田抽油機節能電機應用效果分析[J].內蒙古石油化工,2015,(14):62～63.

[4]母丹.抽油機節能改造項目中開關磁阻電機的應用[D].北京：北京交通大學，2008.

[5]游梁式抽油機，SY/T 5044-2003[S].

[編輯] 趙宏敏

2016-11-15

湖北省高等學校創新團隊基金項目(T200906)。

郭登明(1963-)，男，碩士，教授，現從事石油機械與設計方面的教學與研究工作。

汪隨(1993-)，男，碩士生，現主要從事石油機械與設計方面的研究工作,1846609187@qq.com。

TE933

A

1673-1409(2017)01-0044-04

[引著格式]郭登明，汪隨，胡航行，等.測試抽油機用開關磁阻電機的試驗裝置設計[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(1)：44～47.