直线电机抽油机悬点运动特性的动态仿真分析

第３期（总第１７２期）　２０１２年６月　机械工程与自动化　

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ　ＮＯ．３　

Ｊｕｎ．　

文章编号：１６７２—６４１３（２０１２）０３－００４３－０３　直线电机抽油机悬点运动特性的动态仿真分析　许德福，樊　军，郭书军　（新疆大学机械工程学院，新疆　乌鲁木齐８３００４７）　

摘要：以直线电机抽油机悬点运动的数学模型为基础，采用ＭＡＴＬＡＢ软件的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块建立悬点的运动　模型，对直线电机抽油机的悬点进行动态仿真，得出了悬点的速度、加速度以及位移的变化规律，并结合现　场采油时的实际情况分析比较了仿真结果。　关键词：悬点；抽油机；动态仿真　中图分类号：ＴＥ９３３　．１；ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　．　

０　引言　我国目前多数油田的开采都进入了中后期，对采　油设备的开发与研究水平也越来越高Ｌ１］。大多数油田　的抽油机无论是游梁式的还是无游梁式的所采用的动　力设备都是旋转电机。电机将电能转化为旋转运动，　再经过减速器两次减速，然后通过四杆机构将旋转运　动转化为直线往复运动［２。］。这样在中间转化过程中　必然存在转化效率低、电能浪费大等一系列现象。而　直线电机抽油机能很好地解决这些问题，因此直线电　机抽油机从问世到现在得到了广泛的应用。　直线电机抽油机主要由直线电机、桁架、转向滑　轮、刹车装置、钢丝绳、抽油杆等部件组成。与常规的　抽油机相比减少了减速装置、传动装置以及四杆机构，　因此直线电机抽油机在结构上比游梁式抽油机和无游　梁式抽油机要简单得多，因此在实际应用中它具有结　构简单、维护方便、成本低、冲程长、冲次低等一系列优　点。　悬点运动参数是标志抽油机工作能力的重要参数　之一，也是抽油机设计计算和选择使用的主要根据，掌　握悬点运动规律是优化和改进抽油设备的基础　］。在　Ｉ　ｆ　（￡）＝ｌｌ　ｌｎ　ｌｎ　ｌｎ　抽油机的运动过程中悬点的速度、加速度以及位移等　都在发生周期性的变化，掌握这些变化是掌握悬点运　动规律的基础。本文利用悬点运动的数学模型，利用　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立其仿真计算模型，得出了悬点运动的周　期性变化图谱。　１　直线电机抽油机悬点运动的数学模型　悬点的运动形式主要取决于电机的初级运动形　式，即电机的初级速度、加速度等变化规律［５］。而电机　的初级运动变化规律主要取决于电机本身的性能。　直线电机抽油机在上冲程和下冲程的运动过程　中，其运动形式主要分为加速、匀速、减速３个阶段。　它们可以用以下方程组表示［６３。　（１）悬点上冲程的速度表示为：　ｒ６ｓ　Ｉ　

（　）：Ｊ６ｓ　Ｉｆ　６ｓ　

ｏｚ）　Ｏ≤ｔ≤　加速阶段　ｃｃ，￡。）￡。＜￡≤吾一　。匀速阶段。　

∞　）　一　＜　≤　减速阶段　…………………………………………………（１）　（２）悬点下冲程的速度表示为：　

ｃｃ，￡）　Ｔ＜　≤　Ｔ＋￡。　加速阶段　

∞（　＋￡。）］　Ｔ＋　＜￡≤Ｔ—　。　

匀速阶段。………………………………………………　２　

ｗｔ）　Ｔ～ｔ。＜￡≤Ｔ减速阶段　（３）悬点上冲程的位移表示为：　

收稿日期：２ｏ１２一Ｏｌ一０５，修回日期：２ｏ１２一ｏ２—１９　作者简介：许德福（１９８５一），男，甘肃武威人，在读硕士研究生，研究方向为计算机集成制造技术。　・　４４　・　机械工程与自动化　２０１２年第３期　ｆ　ｂ　Ｉ　

ｓ∽一Ｊ鱼　ｌ（Ｕ　ｌ　６　【　

１・——ＣＯ　１－——ＣＯ　ｌ—ＣＯ　

ｍｔ　ｍｔ　ｍｔ　

０４￡≤　加速阶段　＋６（　一　。）ｓｉｎ（ｃｕ　）　＜￡≤　一ｆ。匀速阶段。　百Ｔ—ｔｏ＜￡≤　减速阶段　２　２　。　

（４）悬点下冲程的位移表示为：　ｆ　ｂ　ｌ∞　ｌ　ｓ（　）一ｌ旦　ｌ

（ｕ　Ｉ　ｂ　●‘。一　Ｌ　ＣＤ　

￡）］　∞（　）］）＋６（　一　Ｔ　）Ｓｉｎ（　

叫　）］　其中：　为加速运动或者减速运动的时间，它可以根据　ｒ　实际需要来增大或者减小；Ｔ为运动周期，丁＝＝＝　，它　ＵＵ　可以根据需要通过调节电机来控制，Ｎ为冲次；　为圆　‘）一　频率，　＝＝＝　；ｂ为系数。　』　２在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立仿真模型　在Ｆｕｎｃｔｉｏｎ模块中采用编程的方法来控制位移　函数，以时间为函数变量，采用Ｃｌｏｃｋ　＜　≤　Ｔ＋　。　加速阶段　ｔ。）　÷＋ｔ。＜ｆ≤了、一ｔ。　匀速阶段。　…………（４）　Ｔ—ｔ。＜　≤Ｔ减速阶段　模块控制时间变量。在建立速度、加速度的模型时，用　加速度函数通过积分器来模拟速度的变化。图１为位　移仿真计算图，图２为速度、加速度仿真计算图。　

、　ｕ　ｆｃｎ　ｙ　－ｎｋ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＭＡＴＬＡＢ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　

图１位移仿真计算图　

２Ｔ０　图２速度、加速度仿真计算图　Ｍａｔｌａｂ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ中的部分程序如下：　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｙ—ｆｃｎ（ｕ）　％＃ｅｍｌ　

Ｙ＝ｕ　０　ｉｆ（ｕ＞一０＆＆ｕ＜一２．３６）　

ｙ一１５／（２　ｐｉ）＊（１一ｃｏｓ（２　ｐｉ／１５＊ｕ））；　ｅｌｓｅｉｆ（ｕ＞２．３６＆＆ｕ＜＝５．２２）　

ｙ＝１５／（２　ｐｉ）＊（１一ｃｏｓ（２　ｐｉ／１５　ｕ））＋０．５＊ｓｉｎ（２　ｐｉ／１５＊ｕ）；　在本文的仿真计算中，直线电机抽油机的冲次　

Ｎ＝＝＝４次／ｒａｉｎ，冲程Ｓ一４．６　ｍ，悬点允许最大载荷为　１００　ｋＮ。　３仿真计算结果　图３、图４分别为位移仿真图谱和速度、加速度仿　真图谱。　由图３和图４可以看出：位移、速度、加速度均呈　

现周期性变化，这是因为悬点受一个周期性载荷的作　用；位移、速度都呈现先增大后减小的变化趋势。在三　者的变化中位移的变化幅度最大，加速度的变化幅度　最小。位移的最大值出现在８　Ｓ的时刻，最大值为４．６　ｍ，在１５　Ｓ的时刻又变为０，这是因为在７　Ｓ以后悬点　的运动方向发生了改变，由上冲程变为下冲程，在１５　Ｓ　时刻运动到了初始位置，即下死点。速度的最大值约　为０．９　ｍ／ｓ，出现在２．６　Ｓ时刻，而后变为减速运动，在７　Ｓ的时刻变为０，这是因为７　Ｓ的时刻到了上死点，悬点　停止了运动。加速度从０．４　ｍ／ｓｚ开始减小，在３　Ｓ的时　刻方向发生了改变，变为一个减速过程。　目前大多数油田的开采都进人到了中后期，经常　出现较为复杂的开发环境，如呈现稠油、黏度高、多蜡、　２０１２年第３期　机械工程与自动化　・　４５　・　多沙、强烈腐蚀等环境啪。悬点的运动过程受到以上　环境的影响，经常发生左右摇摆、剧烈震动，这些因素　导致悬点的磨损加剧，也是导致抽油杆和钢丝绳发生　断裂的主要因素。　／／／—＼　／　、　ｆ　？　＼　ｆ　＼　／　Ｏ　５　１０　１５　ｔ／ｓ　图３位移仿真图谱　／＾＼　｜。　｛　／７　｜　速度　ｅ＼　／　＼　｝　＼　．　ｌ　Ｌ　．Ｉ　ｔ／ｓ　图４速度、加速度仿真图谱　４结束语　本文通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真计算了直线电机抽油机　在采油过程中悬点的运动情况，得出了悬点的位移、速　度和加速度图谱。在周期性的运动中悬点的速度呈正　弦变化，加速度呈余弦变化，这是因为悬点在实际运动　的过程中受到井下诸多不确定因素的影响，运动发生　了改变，因此在抽油机实际的设计和优化过程中要充　分考虑这些因素。　

参考文献：　［１３　王建萍．直线电机抽油机系统的优化设计［Ｄ］．大庆：大庆　石油学院，２００６：２５－３０．　［２］　陈小丽．杨胡坤，苏颖，等．直线电机抽油机运行参数优化　设计［Ｊ］．石油矿场机械。２００９，３（９）：４６—４９．　［３］李立毅．吴红星，寇玉泉，等．直接驱动直线电磁抽油机系　统的研究及实验［Ｊ］．石油学报。２００３，５（５）：２３—２７．　［４］李洪涛．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ游梁式抽油机动态性能　仿真及控制方案的研究［Ｄ］．杭州：浙江大学。２００９：２１—３０．　［５］　肖文生，周小希，谷玉虹，等．直线电机抽油机的研制［Ｊ］．　石油学报２００６．２７（５）：４３－４６．　［６３　张公社，石慧宁，聂飞朋，等．直线电机抽油机悬点运动规　律［Ｊ］．石油天然气学报，２００６．２８（４）：１４３—１４６．　［７］王立名．往复式抽油机控制系统研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨　理工大学，２００８：２３—３０．　

Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　Ｐｏｉｎｔ　ｏｎ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｍｏｔｏｒ　Ｐｕｍｐｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　ＸＵ　Ｄｅ－ｆｕ，ＦＡＮ　Ｊｕｎ，ＧＵＯ　Ｓｈｕ－ｊａｌｌ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００４７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ａ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｗａｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂｙ　ＭＡＴＡＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｏｎ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ＯＵｔ，ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃａＩ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｐｏｉｎｔ；ｐｕｍｐｉｎｇ　ｕｎｉｔ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

（上接第４２页）　Ｅｘｐｅｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｕｒｎｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　

ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ－ｈｕａ。ＤＯＮＧ　Ｃｈａｎｇ－ｓｈｕａｎｇ　（Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｔｉａｌ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｓ　ｅｘｐｅｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ＣＯＳｔ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｂａｓｅ　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ；ｒｅａｓｏｎｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ