CN110457766B - 基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法，以游梁式抽油机的曲柄转角、电动机功率为自变量，基于游梁式抽油机四连杆机构的连接与运动关系，建立起悬点的实时参数动态模型，即以曲柄转角的变化可以实时地计算出悬点位置、速度与加速度的对应变化，加之电动机功率(P)、曲柄转角(θ)以间接地测量出悬点实时力的大小，从而有效地提高油井监控的实时性与可靠性、降低设计与生产成本。即在已知电动机功率和曲柄转角的前提下，间接地测量求得悬点的实时动态受力值。

Description

基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法

技术领域

本发明是一种全新的游梁式抽油机悬点运动测力方法，具体地是以曲柄转角(θ)和电动机功率(P)为自变量而间接测量获取悬点的实时受力值变化，属于石化行业油田施工生产与计算机信息化领域。

背景技术

目前国内油田勘探施工领域，较普遍地采用游梁式抽油机。现有技术针对悬点运动参数的求解，基本上是通过示功图或电功图以揭示机井光杆的悬点载荷与冲程之间的变化关系。

如以下在先公开文献，如《石油学报》第19卷第2期第107-110页，游梁式抽油机运动参数的精确解，1998年4月刊。通过悬点运动参数建立游梁摆动方程，从而得出悬点运动的位移、速度和加速度计算公式，最终给出求游梁式抽油机悬点运动参数的精确解。

再如《石油机械》第34卷第5期第22-24页，游梁式抽油机运动规律的多体动力学分析，2006年3月刊。采用多体动力学方法进行分析，以动力学方程值积分的结果对位移和速度级约束方程进行求解和违约修正。

上述现有技术实现的测力方法，计算过程复杂且具有多维的特点，计算结果因此也就累积较大的误差，仍非真正意义上的精确解。另外，计算过程过于复杂而具有较低的实地使用参考价值。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法，在于解决现有技术存在的问题而以游梁式抽油机的曲柄转角(θ)、电动机功率(P)为自变量，基于游梁式抽油机四连杆机构的连接与运动关系，建立起悬点的实时参数动态模型，即以曲柄转角的变化可以实时地计算出悬点位置、速度与加速度的对应变化，加之电动机功率(P)、曲柄转角(θ)以间接地测量出悬点实时力的大小，从而有效地提高油井监控的实时性与可靠性、降低设计与生产成本。

为实现上述设计目的，所述基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法，在游梁式抽油机四连杆机构中，悬点动态受力符合以下表达式：

即在已知电动机功率(P)和曲柄转角(θ)的前提下，间接地测量求得悬点的实时动态受力值。

如上所述，基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法具有的优点是：

1、实现了一种新的间接式测力方法，相较于现有技术具有实时性强、可靠性高、成本低、准确性高的特点。

2、在此基础上能显著地提高油井状态监控的实时性，及时反映悬点载荷、位移、加速度的动态关系，在游梁式抽油机自动化、信息化升级改造过程中具有使实用价值。

附图说明

图1是游梁式抽油机四连杆机构的工作原理图；

图2是电动机输入转矩与减速机输出扭矩之间的关系图；

图3是基于本申请和抽油机实际参数所获取悬点运动位移变化周期的示意图；

图4是基于本申请和抽油机实际参数所获取悬点运动速度变化周期的示意图；

图5是基于本申请和抽油机实际参数所获取悬点运动加速度变化周期的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，一种基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法，是已知游梁式抽油机电动机功率P数值的前提下，通过依次计算出电动机输入功率与转矩、减速机输出扭矩之间的关系，通过曲柄转角θ间接地测量出在四连杆机构运动模型中悬点实时的受力变化，即图1中悬点C受到的实时拉力变化情况。

如图1所示，游梁式抽油机四连杆机构的直角坐标运动模型原理示意图。

在四连杆机构中，O点为游梁式抽油机支架轴的支点，O₁点为游梁式抽油机动力输入轴的中点，C点为游梁式抽油机的悬点，B点为游梁式抽油机横梁轴(游梁后臂)的端点，A点为游梁式抽油机曲柄的端点。

工作过程是，电动机的动力输入轴通过曲柄将力矩传递到A点，A点绕O₁点以半径为R、角速度为ω做圆周运动，A点与B点通过连杆P连接，使B点以半径为M在A点的带动下做圆弧往复运动；C点与B点为同一梁(游梁)的两端，以O点为支点做圆弧往复运动，且C点的运动方向与B点相反。

其中，R是曲柄长度(单位：mm)；P是连杆长度(单位：mm)；I为支架轴中点到动力输入轴中点的水平距离(单位：mm)；F为支架轴中点到动力输入轴中点的垂直距离(单位：mm)；M为支架轴中点O到横梁轴端点B的长度(单位：mm)；N为支架轴中点O到悬点C的长度(单位：mm)。

曲柄的转角θ，是在电动机通过减速机出扭矩的驱动下，在直角坐标系中的实时转角。

具体的计算过程如下：

设定电动机的输出功率P与电压U、电流I之间的关系表达式如下：

P＝UI (1)

其中，功率P的单位为W，电压U的单位为V，电流I的单位为A。

电动机的输出转矩T，是使抽油机曲柄转动的力矩，简称转矩。转矩T与功率P、转速n的关系表达式如下：T＝9550P/n (2)

由此也可推导出：P＝T·n/9550 (3)

其中，功率P的单位为kW，转速n的单位为r/min，转矩T的单位为N·m，9550是计算得出的常数值系数。

以下是常数值系数9550的推到过程：

通常可知，功率P＝扭力F*线速度V (1-1)

由转矩T＝扭力F*作用半径R，即T＝F*R，推出F＝T/R (1-2)

而线速度V＝2πR*每秒转速(n秒)＝2πR*每分转速(n分)/60＝πR*n分/30。

即得出，V＝πR*n/30 (1-3)

将公式(1-2)、(1-3)代入公式(1-1)得：

P＝F*V＝T/R*πR*n/30＝π*T*n/30

如果将P的单位换成kW，那么就是如下公式：P*1000＝π/30*T*n

即，30000/3.1415926*P＝T*n

9549.297*P＝T*n→T＝9550P/n

由以上公式(1)、(3)，电功率P(单位为kW)可由下式表示：

P＝Tn/9550＝UI/1000 (4)

可变形为Tn/9.55＝UI (5)

也可变形为T＝9.55UI/n (6)

如图2所示的是电动机输入转矩与减速机输出扭矩之间的关系示意图。

电动机与减速机之间角速度的比值为传动比，也称速比。

即，ε＝n/n₁ (7)

式中ε为传动比，无量纲；n为电动机向减速机输入的转数，单位r/min；n₁为减速机输出的转数，单位r/min；

减速机输入扭矩T与输出扭矩T₁具有如下关系：

即减速机输入轴的扭矩T与其转速n的乘积，与输出轴的扭矩T₁与其转速n₁的乘积是相等的。即，T·n＝T₁·n₁→T₁＝εT (8)

式中，ε为传动比，无量纲；T为电动机输入扭矩，单位N·m；T₁为减速机输出扭矩，单位N·m；

如图1所示，以O点为零点建立直角坐标系，即O点直角坐标为(0,0)，则O₁点的坐标为O₁(-I,-F)，A点以O₁为圆心作圆周运动，运动角速度为ω。则有，(x_a+I)²+(y_a+F)²＝R²(9)

θ＝ωt (10)

x_a＝Rcosθ-I (11)

y_a＝Rsinθ-F (12)

则B点的运动方程：x_b ²+y_b ²＝M² (13)

由A到B点的距离公式得：

(x_b-x_a)²+(y_b-y_a)²＝P² (14)

将式(14)展开：

x_b ²+x_a ²-2x_bx_a+y_b ²+y_a ²-2y^by^a＝P² (15)

式(15)﹣(9)﹣(13)得到：

-2x_bx_a-2Ix_a-2y_by_a-2Fy_a＝P²-M²-R²+F²+I²

2x_bx_a+2y_by_a＝M²+R²-P²-F²-I²-2Ix_a-2Fy_a

将式(16)代入式(13)中：

设Q＝(M²+R²-P²-F²-I²-2(x_a-2Fy_a)/2，则有

由一元二次方程根与分数的关系解得：

由图中可知，|y_b|≤R，即-R≤y_b≤R (18)

由式(9)得：

x_a ²+y_a ²＝R²-2Ix_a-2Fy_a (19)

将(19)代入式(17)：

依据线性方程，悬点C位置：

如图3所示的悬点C位置曲线图，通过悬点C位置坐标值y_c的变化，可求出悬点C的速度V_c，即V_c是y_c的一阶导数：

据此可绘制出抽油机悬点C基于曲柄转角θ的速度曲线图，如图4所示。

基于相同的原理，由悬点C的坐标值y_c得到悬点C的加速度a_c，即a_c是y_c的二阶导数：

据此绘制抽油机悬点(C)基于曲柄转角θ的加速度曲线图，如图5所示。

如图1所示，在A点的力分解为以下表达式：

Fx＝F_Acosθ (24)

Fy＝F_Asinθ (25)

悬点C悬挂的总重量W，则力矩T_C

T_C＝W(g+a)N (26)

同理，在B点的力矩为：

由以上公式(8)可知，在A点的力矩符合以下表达式：

T_A＝εT

其中T为电动机的转矩；则在A点的受力是：

F_A＝T_A/R (28)

由于B点与C点，是以O为支点且力矩达到平衡的，则有：

T_B＝T_C (29)

即：

因此，悬点C实时动态受到的力可表示为：

将以上公式(8)和(6)T＝9.55P/n代入公式(30)中则悬点C实时受力是：

其中，x_b由公式(16)计算得出，则P为电动机输入功率，θ为减速机驱动曲柄的转角，n为电动机转数，电动机功率单位为kW。

通过以上公式(31)可知，在已知电动机输入功率P的基础上，再通过曲柄的转角θ应可间接地测量出悬点C实时受到拉力的变化情况。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (1)

1.一种基于电动机功率间接测量游梁式抽油机悬点力的方法，其特征在于：在游梁式抽油机四连杆机构中，悬点动态受力符合以下表达式，

其中，在四连杆机构中，O点为游梁式抽油机支架轴的支点，O₁点为游梁式抽油机动力输入轴的中点，C点为游梁式抽油机的悬点，B点为游梁式抽油机横梁轴的端点，A点为游梁式抽油机曲柄的端点；

工作过程中，电动机的动力输入轴通过曲柄将力矩传递到A点，A点绕O₁点以半径为R、角速度为ω做圆周运动，A点与B点通过连杆P连接，使B点以半径为M在A点的带动下做圆弧往复运动；C点与B点为游梁的两端，以O点为支点做圆弧往复运动，且C点的运动方向与B点相反；

基于已知电动机功率(P)和曲柄转角(θ)，间接地测量悬点实时动态的受力值；

其中，F_C是点C实时动态受到的力，单位为N；

ε为传动比，无量纲；

θ为减速机驱动曲柄的转角，在电动机通过减速机出扭矩的驱动下、在直角坐标系中的实时转角；

n为电动机转数；

N为支架轴中点O到悬点C的长度，单位为mm；

R为曲柄长度，单位为mm；

x_b是横梁端点B到支架轴中点O的长度在x轴的投影，其单位为mm；

以O点为零点建立直角坐标系，则O点直角坐标为(0,0)，O₁点的坐标为O₁(-I,-F)，B点的坐标为B(x_b,y_b)，A点的坐标为A(x_a,y_a)，单位为mm；

x_b由下式计算得出，

其中，P是连杆长度，单位为mm；

I是支架轴中点到动力输入轴中点的水平距离，单位为mm；

F是支架轴中点到动力输入轴中点的垂直距离，单位为mm；

M是支架轴中点O到横梁轴端点B的长度，单位为mm；

W(g+a)是重力加速度g和运动加速度a共同作用的载荷力，单位为牛顿，其由下式计算得出，

其中，W为作用C点上的质量，单位为kg；

g为重力加速度，单位为m/s²；

a为C点运动的加速度，单位为m/s²；

θ为曲柄与x轴正方向的夹角，单位为rad；

T_A为A点的力矩，单位为牛·米。

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