一种新型节能液压抽油机的设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 1 1 期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 2 0 一 种新型节能液压抽油机的设计 宋锦春 ， 李振河 ， 黄裘俊 东北大学 机械工程与 自动化学院 液压与气动研究所 ， 辽宁 沈 阳l 1 0 0 0 4 摘 要 在对液压抽油机相关研究的基础上， 提出了一种新型节能液压抽油机的设计方案。该机采用了双井平衡结构， 使得一侧抽油 杆下降的重力势能和动能直接为另一侧抽油杆的上升提供动力 ， 从而减小了装机功率， 实现了系统的连续性抽油； 同时利用负载敏感 技术和比例控制技术 ， 使压力和流量同时满足负载的要求 ， 并实时做出适应调节， 达到较高的控制精度， 产生了显著的节能效果。 关键词 液压抽油机； 双井平衡 ； 负载敏感技术； 比例控制； 节能 中图分类号 T HI 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 1 1 - 0 0 6 2 0 4 De s i g n o f a Ne w En e r g y s a v i n g Hy d r a ul i c P u mp i n g Un i t S O NG J i n c h u n , L I Z h e n h e ． HU A NG Q i u -j u n I n s t i t u t e o f H y d r a u l i c a n d P n e u ma t i c T e c h n o l o g y , S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g＆Au t o ma t i o n ． No r t h e a s t e rn U n i v e r s i t y , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ． C h i n a Ab s t r a c t A n e w d e s i g n s c h e me o f e n e r g y s a v i n g h y d r a u l i c p u mp i n g u n i t wa s p u t f o r wa r d o n t h e b a s i s o f r e l e v a n t r e s e a r c h t o h y dr a u l i c p u mp i n g u n i t ． Ad o p t i n g b a l anc e d s t r u c t u r e o f Do u b l e We l l s ma k e s t h e f a l l i n g p o t e n t i a l e n e r gy o f t h e s u c k e r r o d a t o n e s i d e s u p p l y p o we r f o r ris i n g o f the s u c k e r r o d a t th e o the r s i d e ． wh i c h d e c r e a s e s th e p o we r o f i n s t a l l a t i o n a n d r e a l i z e s c o n t i n u o u s p u m p i n g o i l ． Ut i l i z i n g t h e t e c h n o l o gy o f l o a d s e n s i n g and p r o p o r t i o n a l c o n t r o l make s the p r e s s u r e a n d f l o w me e t t h e r e q u i r e me n t o f l o a d s i mu l t ane o u s l y a n d a d j u s t a d a p t i v e l y i n r e a l t i me ， wh i c h r e a c h e s h i g h e r p r e c i s i o n o f c o n tro l an d b ri n g s r e ma r k a b l e e ffe c t o f e n e r g y - s a v i n g ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c P u mp i n g Un i t ； Ba l an c e o f Do u b l e We l l s ； L o a d S e n s i n g T e c h n o l o gy ； Pr o p o r t i o n a l Co n tro l ； E n e r gy s a v i n g O 引言 液压抽油机已被国内外油田生产实践证实具有采 油经济性好、 重量轻、 体积小、 冲程长度及冲程次数可 实现无级调节和工作性能优越等特点， 因此得到了国 内外工程技术人员的高度重视。液压抽油机在近十几 年来得到了迅速发展， 国外液压抽油机已达到了一个 较高的技术水平，形成了一系列性能优良的抽油机产 品， 并得到了油 田生产的广泛应用。我国液压抽油机 的研究虽然起步较晚， 但其发展迅速， 目前不仅出现了 结构性能均具特色的液压抽油机结构方案， 而且也出 现了许多液压抽油机产品样机并在油田得到了一定的 应用 。 提高采油效率及节能增效一直是液压抽油机研究 的重要方向。目 前一般是通过蓄能器直接或间接先储 存能量再 释放 的形 式对能量进行 回收利用 以实现节 能 ， 由于能量转换过程 中的损耗以及转换元件 的效率 不容忽视， 使得能量回收利用率不高， 本文提出了一种 新型节能液压抽油机的设计方案 ， 不但充分回收利用 重力势能并采用了节能的液压控制策略， 而且通过双 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 1 7 作 者简介 宋锦春 1 9 5 7 一 ， 男 ， 辽 宁沈 阳人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从 事液压 伺服比例系统及机电液一体化方面的研究工作。 6 2 井结构实现了连续性抽油， 节能效果显著。 1 系统结构及工作原理 如 图 1 所示 ， 该液压系统主要 由两个柱塞缸 l 2 、 电 磁换 向阀 1 1 、 比例节流 阀9 、 负载敏感 阀 8 、 变量泵 2 等 部件组成， 并且两个柱塞缸上的动滑轮的轮轴通过铰 接支撑件 l 7 刚性连接 ， 从而使两侧抽油杆的重力达到 平衡 。 系统工作过程如下 变量柱塞4 在弹簧力的作用下 使变量泵2 处于最大排量位置， 泵启动后输出高压油。 当电磁方 向阀左位得 电时 ， 高压油液经过 比例节流阀9 及电磁换向阀 1 1 后流向左侧柱塞缸， 柱塞杆顶起动滑 轮1 6 并带动钢丝绳 1 5 拉起抽油杆 l 3 实现抽油， 与此同 时， 右侧柱塞杆在铰接支撑件 1 7 带动下同步下降， 右侧 柱塞缸 中 的油液经可调节流 阀 1 9回油箱 2 O 。当抽油 杆到达预设的下止点 时 ， 加速过程完成并 达到设 定速 度 ， 减小 比例节流 阀的开 口面积 ， 使抽油杆匀速上升 ， 当抽油杆到达预设的上止点时， 进一步减小比例节流 阀的开口面积， 使抽油杆减速运动， 减速过程中， 抽油 杆的动能也被加以利用， 从而提高了抽油效率。当速 度传感器检测到抽油杆的速度接近零时， 电磁方向阀 右位得电进行换向， 同时增大输人电流使比例节流阀 开 口增大， 右侧抽油杆开始抽油 ， 同时左侧抽油杆下 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 0 1 5 降， 这样循环就实现了抽油机的连续抽油工作。 卜过滤器2 一 变量泵3 一 电动机4 一 变量 柱塞5 一 调压 阀 6 、 7 、 l O 一 液阻 8 一 负载敏感阀 9 一 比例节流阀 1 卜电磁方向阀 l 2 一 液压缸1 3 一 抽油杆1 4 一 定滑轮1 5 一 钢丝绳1 6 一 动滑轮 1 7 一 铰接支撑件1 8 一 安全阀1 9 一 可调节流阀2 0 一 油箱 图 1抽油机液压系统原理图 2 系统节能原理分析 2 ． 1 双井平衡节能原理 该液压系统采用了双井平衡结构， 即两侧抽油杆 的重量通过钢丝绳后作用于柱塞杆上的动滑轮， 两个 动滑轮通过铰接支撑件刚性连接后达到几乎平衡。当 一 侧抽油杆上升抽油时 ， 另一侧抽油杆同步下降并使 其重力势能通过铰接支撑件直接转化为动力协助抽油 动作。相对单井抽油机先通过蓄能器储能再释放的形 式 ， 避免了能量多次转换造成的消耗以及相应液压部 件的安装 ， 同时也省去了单井中的配重。该双井平衡 液压抽油系统不但降低了装机功率 ， 并且使得抽油效 率提高了一倍 、 实现了连续性抽油。 2 ． 2 负载敏感技术节能原理 负载敏感技术是一种感受系统压力一 流量需求， 且 仅提供所需求的流量和压力的液压控制技术。负载敏 感系统具有功率损失小、 效率高的特点。 该液压抽油机的负载敏感节能原理如下 1 在 比例节流阀调定后即系统处于平衡状态时 ， 负载敏感阀两端的压差恰好与其弹簧力相平衡 ， 阀芯 处 于中位 。这时如果 负载减 小 ， 则节流 阀进 出 口压差 亦 即负载敏感 阀两端压差 增大 ， 从而引起 敏感 阀的 阀芯左移， 变量柱塞的大柱塞腔部分卸压 ， 使泵流量减 小， 于是泵出口压力减小， 直至节流阀两端的压差恢复 到变化之前的值。如果负载增大 ， 则系统调解过程与 上述 过程 相反 。 由此得 出当节流 阀开 口调定后 ， 流过 阀 口的流量保持恒定而不受负载变化 的影响 ， 使得柱 塞缸的速度不变， 同时实现了按需供压， 从而改善了系 统 的调速特性并节约能源 。 2 系统处于平衡状态时， 如果减小比例节流阀的 开口， 则负载敏感阀的两端压差增大， 从而引起敏感阀 的阀芯左移 ， 大柱塞腔部分卸压， 使泵流量减小 ， 于是 泵出口压力减小 ， 直至节流阀两端的压差恢复到变化 之前的值。这时敏感阀的阀芯又重新回到中位 ， 系统 在 比原来 较小 的流量下达 到了新 的平衡 ， 从 而实现 了 按需供油 。 3 当负载压力达到调压阀5 的设定值时 ， 由于液 阻 1 0 与调压阀之间构成 B型液压半桥 ， 因此敏感 阀弹 簧腔压力降低 ， 阀芯左移， 大柱塞腔部分卸压 ， 泵流量 减小， 出口压力降低， 直至敏感阀两端压力差再度恢复 原值 由于半桥作用， 此时节流阀9 两端压差小于敏感 阀两端压差 ， 阀芯 又处于中位 。这时系统在 比原来较 小的流量下重新达到平衡 ， 即泵的流量 自动与负载需 要相适应 ， 基本没有溢流损失。为防止调压 阀压力设 定过高损坏系统 ， 在泵 出口处装有安全 阀 1 8 。 3 系统参数分析计算 3 ． 1确定初始参数 以某油田液压抽油机样机为参考 ， 确定系统初始 工作参数如下。 悬点载荷 1 2 0 K N工作行程 3 m 冲次 4 0 ／ m i n 运动周期 1 5 s 根据以上工况分析， 设计抽油杆的最大运动速度 为0 ．6 m ／ s ， 抽油杆加速阶段时间 为1 s ， 加速完毕 后以0 ．6 m ／ s 的速度匀速运行 ， 在到达预设的上止点后 开始减速直到速度为零。 由最大速度及加速时间 ， 抽油杆的加速度为 0 ／ 0 ． 6m ／ s 3 ． 2 液压缸简化受力分析 受力分析时假定柱塞缸的柱塞杆的运动方向的变 化不造 成影 响 ， 即按柱塞杆一直是垂 直方 向运动进行 受力分析简化。由于双井平衡 ， 在加速阶段液压缸受 力最大 ， 此 时作用在柱塞杆上 的总载荷为加速时的惯 性力 、 克服密封形成的阻力 、 滑轮与钢丝绳间的摩擦力 和回油背压形成的阻力之和 。 即 F F m F F f F b 1 6 3 液 压 气 动 与 霉p 封 ／ 20 1 5年 第 1 1 期 式 中 F 柱塞杆所受惯性力 ； F 。 密封 阻力 ； 滑轮与钢丝绳间的摩擦阻力 ； 回油背压形成 的阻力 。 1 F 的计算 F ma 2 式中m抽油杆的质量 ； Ⅱ 抽油杆的加速度。计算值为0 ．6 m ／ s 由悬 点 载荷 为 1 2 0 K N， 即抽 油 杆 的重 量 为 1 2 0 K N 。由于两个抽油杆一起运动 ， 质量加倍 ， 则惯性 力为 F 2 ma21 2 01 0 ／ 9． 80． 6 1 46 9 4N 2 F 。 的计算 F 2 A p A 3 式 中△ p 克服液压缸密封件摩 擦阻力所需 的空 载压力 P a ， 由相关手册取 △ p O ． 2 MP a ； A 为柱塞杆的有效面积 ， 此值未知， 初步估 计为5 0 c m 。由于系统有两个柱塞缸， 则 F 20． 21 0 0． 00 52 0 0 0N 3 F f 的计算 摩擦阻力 的计算公式为 4 式中 K滚动摩擦系数； 选定为O ．0 5 c m； F 单个滑轮承受的正压力， F 2 4 0 K N； 滑轮 的半径 ， 初步设计 为 1 0 0 m m。系统 安装有六个滑轮 ， 则 Ff 651 0一 2 4 01 0 ／ 0． 17 2 0 0N 4 F 的计算 回油背压形成的阻力按下式计算 F p b A 5 式 中P 回油背 压 ， 一般取 O - 3～0 ． 5 M P a ， 取 P 0 ． 4 MPa。 F 0． 41 0 0． 0 052 00 0 N 根据以上计算， 则 FFmF 8 Ft Fb 1 46 9 42 0 0 07 2 0 02 0 0 02 5 8 9 4 N 3 ． 3 确定液压缸的结构和工作压力 按 经验数据初步确定 系统工作压力P为 5 ． 5 MP a ， 则液压缸柱塞杆的有效面积为 A 0 ． 00 4 71 mz 4 7． 1 c m2 一 P 5． 51 0 ‘ 则柱塞杆直径为 d ／ ／ c I n 7 ．7 5 c m 7 7 ．5 m m 1 T 1 T 6 4 取标准直径 d 8 0 mm， 则工作压力 D 墨 5 ．1 5 MP1 1 a D ． 0． 0 8 3 ． 4 液压泵的计算 1 确定液压泵的实际工作压力 P 。 P 。 p A t , 6 式中p 已计算为5 ． 1 5 MP a ； △ p 节流 阀总压 降 ， 比例节流 阀取值 为 1 M P a ， 可调节流阀取值为0 ．4 M P a 。 贝 0 P 。 p △ p 5 ． 1 5 1 O ． 4 6 ． 5 5 MP a 2 确定液压泵的流量 g K g 7 式中卜泄漏系数 ， 取 l _ 2 ； g 一柱塞杆运动时所需最大流量 。 ‰ Ar m ／ 2 “ IT8 0 2 X3 0 06 0 9 0 4L mi n 则 9 K g 一1 ． 2 9 0 ． 4 1 0 8 ． 5 L ／ mi n 根据压力 6 ．5 5 M P a ， 流量为 1 0 8 ．5 L ／ m in ， 且选择液 压泵时泵的额定压力应比最大工作压力高2 5 ％一 6 0 ％， 以便 留有压力储备 ， 额定流量只需满足最大流量即可 ， 则选择型 号为 V 4 1 0 ／ 8 0 公称压 力为 1 0 MP a的变量 叶 片泵 。 3 ． 5 确定液压泵电机的功率 液压泵所需功率 P p p e q p 8 式中 P 。 一液压泵的实际工作压力； q 一液压泵的实际工作流量 ； 叼一液压泵总效率， 取 ， 7 0 ． 6 。 P 丽p p “ q p 2 0 K W 6 0 06 6 O 卵 ． 3 ． 6 负载匀速运动时消耗的功率 由于匀速运动时 ， 惯性力 O ， 则 FF F F 2 0 0 0 7 2 0 0 2 0 0 01 1 2 0 0N此 时 柱塞杆的伸出速度 为0 ．3 m ／ s ， 则 P F l 1 2 0 00- 33． 3 6KW 4 结论 本文提出了一种全新的液压抽油机设计方案 ， 不 但从机械结构设计方面使得双井抽油杆达到了平衡 ， 从而使得一侧抽油时， 另一侧抽油杆的重力势能直接 转化并利用，大大减小了装机功率， 并实现了连续性抽 油， 也从液压系统设计方面， 利用负载敏感技术使得系 统适应压力流量需求达到节能的目的， 利用电液比例 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ．2 0 1 5 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j 。 i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 2 1 新型叶片式静液压耦合器 程旭华， 贾跃虎， 安高成， 丁小宁， 刘 薇 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 摘 要 现有液力耦合器是通过油液动量矩的循环变化来实现动力传递 ， 其功率的传递必须依赖于转差率 ， 这种以功率损失为前提的 传动元件有着一定的改良空间。针对这点问题 ， 借鉴液压传动的优点 ， 基于叶片泵的结构提出了一种新型叶片式静液压耦合器 ， 并对 该耦合器的结构组成、 工作原理 、 特点进行了分析 ， 理论上证明了叶片式静液压耦合器具有尺寸小、 重量轻、 结构紧凑的特点， 可实现 空载启动、 过载保护和吸收冲击等功能 ， 是一种创新的传动方式， 具有很高的工程应用价值和广阔的应用前景。 关键词 液力传动； 液压传动； 耦合器 ； 叶片泵 中图分类号 T H1 3 7 ． 3 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 l 1 0 0 6 5 0 3 Ne w Bl a d e T y p e Hy d r o d y n a mi c Co u p l e r CHENGXu h u a， J I A Y u e - h u。 AN Ga o c h e n DI NGXi n o - n i n g , L I Uwe i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c o u p l i n g i s t h r o u g h t he o i l l i q u i d mo me n t u m c y c l e c h a n g e s t o r e a l i z e p o we r t r a n s mi s s i o n ． Th e p o we r t r a n s f e r mu s t b e d e p e n d e n t o n t h e r e v o l u t i o n a l s l i p ，the t r a n s mi s s i o n e l e me n t b a s e d o n t h e p o we r l o s s h a s c e r t a i n s p a c e f o r i mp r o v e me n t ．I n v i e w o f thi s p r o b l e m ， l e a r n f r o m t h e a d v an t a g e s o f h y dra u l i c t r ans mi s s i o n ，a n e w t y p e o f v ane t y p e h y dro s t a t i c c o u p l e r i s i n v e n t e d ． Th e s t r u c t u r e c o mp o s i t i o n ， o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n d t h e f e a t u r e s o f t h e c o u p l e r a r e a n a l y z e d ． F i n a l l y p r o v e d i t i s s ma l l i n s i z e ， l i g h t we i g ht ， c o mp a c t s t r u c - t u r e ． I t C an r e a l i z e n o ． 1 o a d s t a r t i n g ， o v e r l o a d p r o t e c t i o n ， and t o a b s o r b s h o c k ，and o the r f u n c t i o n s ． I t i s an i n n o v a t i v e wa y o f t r an s mi s s i o n ， h a s the v e r y h i gh a p p l i c a t i o n v a l u e a n d b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s ． Ke y wo r d s h y dro d y n a mi c p o we r tr a n s mi s s i o n ； h y dra u l i c t r ans mi s s i o n ； c o u p l e r ； v a n e p u mp O 引言 液力耦合器作为现代工业传动的一种元件 ， 利用 液体的动量矩来传递动力， 能够实现空载启动、 过载保 护和吸收冲击的功能， 具有广泛的用途。但其功率的 传递必须依赖于转差率而产生的一些问题也限制了其 应用空间。 本文是在液力耦合器所具备的工作特性基础上， 基于静液压传动 ， 创新地提出了基于双作用子母叶片 泵泵芯结构上的新型叶片式静液压耦合器， 在理论上 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 - 0 6 作者简介 程旭华 1 9 8 8 一 ， 男， 山西运城人， 硕士， 研究方向 高性能液 压元件 。 对其工作原理进行了分析， 并与普通型液力耦合器做 了相关的性能对比， 理论上证明了新型液压耦合器在 满足传统液力耦合器功能的基础上 ， 还具有其他一系 列的优点。 1 叶片式静液压耦合器的结构组成、 原 理及其特点 1 ． 1叶片式静液压耦合器结构组成 见图1 、 2 及其剖 面 图 见图3 如图1 所示， 叶片式静液压耦合器主要由前盖、 输人 轴、 泵芯、 后盖、 输出轴、 固定在耦合器四周的溢流阀块、 补油阀块、 缓冲阀块、 补油阀块及附属零件组成， 其中 控制技术， 使系统达到较高的控制精度并实现冲程和 冲次无级调节。通过主要参数分析计算 ， 验证了该系 统显著的节能效果 。 参考文献 [ 1 ] 薄涛． 中国液压抽油机的发展概况与技术水平[ J ] ． 钻采工 艺 ， 2 0 0 2 ， 2 5 2 6 0 6 2 ． [ 2 】 苟昊． 国外液压抽油机的发展概况与技术水平[ J 】 I 新疆石油 科技 ， 2 0 0 1 ， 1 1 1 6 2 6 3 ． 【 3 】 王宣银 ， 李尚义， 刘庆和． 单阀双非对称缸反向驱动同步控 ． -4 - 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