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基于电机特性及特殊工况的抽油机设计与评价方法研究

赵海晖  
【摘要】:抽油机是机械采油的关键设备之一,目前抽油机设计通常依据基于电机匀转速工况的常规力学分析。由于抽油机属于低速运转机械,驱动电机的特性一般较硬,故基于常规力学分析设计的抽油机可满足一般工况的要求,但无法满足抽油机载荷波动较大、启动以及失载等特殊工况下的要求。按常规力学分析而设计的抽油机由于缺乏对失载和换向冲击动力学分析,致使某些类型的抽油机失载时部分构件受力情况恶化,甚至造成重大事故,成为油田生产亟待解决的问题。油田在用抽油机种类繁多,但是抽油机的行业标准对抽油机性能和可靠性没有统一的测试及评价规范,无法进行不同抽油机间的性能和可靠性比较,使油田缺乏抽油机选型依据。针对以上问题,本文建立了考虑电机特性的常用抽油机等效动力学模型,对抽油机进行换向冲击和特殊工况下(失载)的动力学性能分析,研究典型抽油机考虑特殊工况下基于电机特性和传动特性耦合的动力学分析的设计方法,设计抽油机自学习加载实验系统,建立抽油机测试评价方法。考虑游梁平衡游梁式抽油机构件的惯性和惯性力,建立了基于电机特性的动力学模型,分析了失载工况下抽油机机构受力变化规律,得出游梁平衡游梁式抽油机失载后有较大冲击载荷,连杆瞬间由受拉转为受压,易失稳造成抽油机冲击破坏而出现恶性事故。基于游梁平衡游梁式抽油机失载工况动力学分析和考虑电机特性的真实运动状态下的动力学分析对易破坏构件进行了再设计,提出了考虑特殊工况下基于电机特性和传动特性耦合的动力学分析的抽油机设计方法。首先基于模糊聚类理论对抽油机悬点载荷电测数据进行聚类分析,以数学方法解决了区块特征提取示功图。基于拟合生成的设计模型示功图,对游梁平衡游梁式抽油机进行动态静力分析,求出在给定示功图下构件的初步受力;依据动态静力分析的结果对其结构、尺寸进行初步设计,确定构件的转动惯量;然后考虑电机非匀速转动的机械特性,建立抽油机等效动力学模型,进行其真实运动状态和失载时的动力学分析,求出失载时连杆等关键部件的受力;最后,依据失载分析的结果,对主要受力构件的强度及刚度进行分析和结构再设计,得到满足失载等恶劣工况条件的游梁平衡游梁式抽油机的设计方案。应用上述设计思想,对CYJ12-4.8-73HY型游梁平衡游梁式抽油机进行了结构再设计。通过分析以已知悬点速度加速度变化规律为依据的电机换向抽油机设计方法的优缺点,基于电机特性建立了电机换向抽油机动力学模型。分析了考虑电机特性的真实运动下和失载时动力学性能,研究表明:电机换向抽油机在换向瞬时有加速度冲击,WCYJD12-6-40Z12型电机换向式抽油机最大速度可达平均速度的1.8~2.0倍,最大加速度达20~30m/s~2,是同冲程、冲次游梁式抽油机的10~15倍。基于考虑电机特性的真实运动状态下动力学分析和失载动力学分析建立电机换向抽油机设计方法。考虑电机非匀速特性建立了真实运动状态下链条式抽油机的等效动力学模型,进行了动力性能分析给出了链条式抽油机换向时系统的速度、加速度变化规律;然后对换向冲击和失载状态下动力学进行了分析,得出链条式抽油机换向时存在换向冲击,需设计减振系统。进而依据真实运动状态和失载状态动力学分析结果,对两种类型抽油机进行电机、减速器以及刹车系统等进行了选型和再设计。基于在用抽油机结构安全性和适用性的原则,确定了抽油机性能检测的关键节点和技术指标。设计了基于模拟示功图的主要承载件设计安全性指标以及整机能耗测试指标和检测方法,完善了抽油机性能检测指标体系和方法。提出了基于直接转矩控制的交流电力测功机加载方案。完成了交流电力测功机加载方案的整体设计计算。研制了自学习智能试验平台,克服了以往吊重试验台无载荷能耗的弊端,试验验证交流电力测功机加载方案和电能回馈方案的可行性。实验平台加载示功图与理论模拟功图拟合的最大偏差小于3%,试验电力测功机变频器实际输出电平信号与理论信号一致性好,发电机组电能回馈系统运转稳定,能量回馈效率高,为抽油机性能测试评价提供了有效的试验平台。


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