CN110346082B - 游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法，是针对采取间接式测量悬点力的测量系统进行标定与验证，以期通过多点采样数据求得除已知电压、电流数值与曲柄转角之外的参数变量常数化，以有效地缩短实际测力过程中的计算推导进程、减少计算变量，最终提高悬点载荷在动态生产过程中变化的直观性与参考价值。

Description

游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法

技术领域

本发明是一种针对游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法，属于油田施工计算机信息化领域。

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。

上述现有技术的悬点力测量，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

本发明所述游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法，是针对采取间接式测量悬点力的测量系统进行标定与验证，以期通过多点采样数据求得除已知电压、电流数值与曲柄转角之外的参数变量常数化，以有效地缩短实际测力过程中的计算推导进程、减少计算变量，最终提高悬点载荷在动态生产过程中变化的直观性与参考价值。

为实现上述设计目的，所述游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法如下：

包括以下步骤，将质量为W的标准物悬挂于悬点C，则

式中，

F_C：为游梁式抽油机悬点受力，单位：kN；

W:为校准时游梁式抽油机悬点加的标准质量块，单位：kg；

g：为重力加速度，g＝9.81m/s²；

a:为游梁式抽油机悬点上下运动的加速度，单位：m/s²；

ε：为减速机的减速比；

x_b：为连杆与游梁连接点到游梁支点的水平距离，单位：m；

U：为电机的供电电压，单位：V；

L：为电机的工作电流，单位：A；

θ：为曲柄的转角，单位：°；

n：为电机转数，单位：r/min；

N：为悬点到游梁支点的直线距离，单位：m；

R：为曲柄半径，单位：m；

设定

则W(g+a)＝Kx_bUL sinθ

故有系数K满足下式，

设冲次为k，采集曲柄转角θ，瞬时电压U和电流L数值；

设电机的转数为n，曲柄的旋转周数为n₁，按角度间隔Δθ分别取一组数值；

设采样周期为t，采样点数为e，则有

t＝1/e·n₁

曲柄旋转角度θ＝Δθ·i(i＝0，1，2…e)

设Q＝(M²+R²-P²-I²-F²-2Ix_a-2Fy_a)/2，计算每个采样点加速度a_i，则有

式中，

M：为连杆与游梁连接点到游梁支点的直线距离，单位：m；

I：为支架轴中点到动力输入轴中点的水平距离，单位：m；

F：为支架轴中点到动力输入轴中点的垂直距离，单位：m；

x_a：为曲柄与连杆连接点A的横坐标；

y_a：为曲柄与连杆连接点A的纵坐标；

y_b：为游梁与连杆连接点B的纵坐标；

y_c：为悬点C的纵坐标；

基于以上获取的参数，可以确定K的值以对测量系统进行了标定；

基于上述常数K，在任意一组实测瞬时电压U、电流L数值和曲柄旋转角度θ的基础上，计算出悬点C的实时受力值。

进一步地，在执行上述标定方法的基础上，只求出标准物为W的K值，其他量值的标准物的K值是否与其一致，就与测量系统的线性有关，据此可做为验证测量系统的线性特性的依据。相关计算依据的表达式如下：

则具体的线性验证过程可以优选为：

将质量为W的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为W。

将质量为W/2的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为W/2，系统线性较好。若结果不为W/2，则以W/2为标准物，重新进行系统标定，得到常数K1；

将质量为3W/2的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为3W/2，系统线性较好。若结果不为3W/2，则以3W/2为标准物，重新进行系统标定，得到常数K2；

工作点在W/2、W、3W/2范围内，对比分析以上常数K1、K、K2之间的关系，在W/2、W、3W/2之间进行线性插值，提高系统测量的准确性。

本申请游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法具有的优点是：

1、对测量系统进行了标定与验证，除电动机电压、电流与曲柄转角之外的其他参数均计算为常数，因此后续实际测力过程中的计算推导进程较短、计算变量较少，可有效地提高悬点运动参数实时计算的准确性。

2、在此基础上能显著地提高反映悬点载荷在动态生产过程中变化的直观性和参考价值。

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是悬点受力测量系统示意图；

图3是电动机输入转矩与减速机输出扭矩之间的关系图；

图4是悬点运动位移变化2个周期的示意图；

图5是悬点运动速度变化2个周期的示意图；

图6是悬点运动加速度变化2个周期的示意图。

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1，一种用于游梁式抽油机悬点受力的测量系统，是在已知电动机输入电压U、电流L数值的前提下，通过计算出曲柄的转角θ以间接地测量出悬点C实时的受力变化。

对照图1和图2中(a)部分所示，O点为游梁式抽油机支架轴的中点，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；

在游梁式抽油机的工作过程中，电动机输出动力并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，以带动B点以半径为M做圆弧往复运动；C点与B点为游梁的两端，并以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。

在A点绕O₁点做圆周运动的轨迹上设置一信号采集装置，则曲柄每旋转一周则接收到一个脉冲信号，该脉冲信号被传送至专用计算机中，则形成一个冲程。

将曲柄的转角θ进行等分，则在每一等分点Δθ上对应地采集一组电动机瞬时电压U和电流L数值，按设定的时间间隔进行数据采样与记录。

所述的信号采集装置，可以是光电开关或接近开关。

也可以在曲柄的旋转轴上安装一旋转编码器，则在曲柄旋转时的初相位置，由该旋转编码器发出一脉冲信号，后续信号传输、瞬时电压U和电流L数值采集与记录与以上相同。

应用上述游梁式抽油机悬点受力测量系统的测量过程如下：

设定电动机的输出功率P与电压U、电流L之间的关系表达式如下：

P＝UL (1)

其中，功率P的单位为W，电压U的单位为V，电流L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。

以下是该常数值系数的推导过程：

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可由下式表示：

P＝Tn/9550＝UL/1000 (4)

可变形为Tn/9.55＝UL (5)

也可变形为T＝9.55UL/n (6)

如图3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＝R cosθ-I (11)

y_a＝R sinθ-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-I²-2Ix_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-I²-F² (19)

将(19)代入式(17)：

依据线性方程，悬点C位置

如图4所示的悬点C位置曲线图，通过悬点C的坐标值y_c，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5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6所示。

如图1所示，在A点的力分解为以下表达式：

Fx＝F_A cosθ (24)

Fy＝F_A sinθ (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＝9.55UL/n分别代入公式(30)中则悬点C实时受力是：

其中，U为电动机输入电压，L为电动机输入电流，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，在已知电动机电压U、电流L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。

本申请所述游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法是：

如图2所示，将质量为W的标准物悬挂于悬点C，在空气环境下进行如下标定；

设冲次为k，应用如上所述测量系统并进行数据采集，曲柄转角θ由数据采样时间间隔Δθ和采样计数i的乘积获得，电压U和电流L由变频器进行采样并传输至专用计算机。

设电机的转数为n，曲柄的旋转周数为n₁，则有n₁＝εn；曲柄每旋转一周，即完成一个冲次。因运动变化是圆周的，可按角度进行分隔，角度间隔Δθ可按下列分隔中取一组数值，即Δθ：1°(360点)、0.6°(600点)、0.5°(720点)0.3°(1200点)、0.2°(1800点)、0.1°(3600点)。

设采样周期为t，采样点数为e，则有

t＝1/e·n₁ (32)

A点旋转角度θ的计算，依据以上的设定有：θ＝Δθ·i(i＝0，1，2…e)

计算每个采样点加速度a_i，由公式(23)则有：

由公式(31)可知悬点力与电动机电压U、电流L的关系如下：

得：W(g+a)＝Kx_bUL sinθ (33)

已知悬挂物的质量为W、电动机电压U、电流L、A点旋转角度θ，则依据以上公式可以求得系数K，即

按照以上采样点数，可以求出e个K的值，在系统中K应是一个常数，则使用最小二乘法进行回归计算，最终求得常数K。

基于上述常数K，可以在任意一组实测瞬时电压U、电流L数值和曲柄旋转角度θ的基础上，计算出悬点C的实时受力值。

根据上述悬点受力测量系统的标定方法，只求出标准物为W的K值，其他量值的标准物的K值是否与其一致，与测量系统的线性有关，为验证系统的特性，依据：

如图2所示，线性验证过程如下：

将质量为W的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为W。

将质量为W/2的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为W/2，系统线性较好。若结果不为W/2，则以W/2为标准物，重新进行系统标定，得到常数K1；

将质量为3W/2的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为3W/2，系统线性较好。若结果不为3W/2，则以3W/2为标准物，重新进行系统标定，得到常数K2；

工作点在W/2、W、3W/2范围内，对比分析以上常数K1、K、K2之间的关系，在W/2、W、3W/2之间进行线性插值，提高系统测量的准确性。

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 (2)

1.一种游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法，其特征在于：包括以下步骤，将质量为W的标准物悬挂于悬点C，则

式中，

F_C：为游梁式抽油机悬点受力，单位：kN；

W:为校准时游梁式抽油机悬点加的标准质量块，单位：kg；

g：为重力加速度，g＝9.81m/s²；

a:为游梁式抽油机悬点上下运动的加速度，单位：m/s²；

ε：为减速机的减速比；

x_b：为连杆与游梁连接点到游梁支点的水平距离，单位：m；

U：为电机的供电电压，单位：V；

L：为电机的工作电流，单位：A；

θ：为曲柄的转角，单位：°；

n：为电机转数，单位：r/min；

N：为悬点到游梁支点的直线距离，单位：m；

R：为曲柄半径，单位：m；

设定

则W(g+a)＝Kx_bULsinθ

故有系数K满足下式，

设冲次为k，采集曲柄转角θ，瞬时电压U和电流L数值；

设电机的转数为n，曲柄的旋转周数为n₁，按角度间隔Δθ分别取一组数值；

设采样周期为t，采样点数为e，则有

t＝1/e·n₁

曲柄旋转角度θ＝Δθ·i(i＝0，1，2…e)

设Q＝(M²+R²-P²-I²-F²-2Ix_a-2Fy_a)/2，计算每个采样点加速度a_i，则有

式中，

M：为连杆与游梁连接点到游梁支点的直线距离，单位：m；

I：为支架轴中点到动力输入轴中点的水平距离，单位：m；

F：为支架轴中点到动力输入轴中点的垂直距离，单位：m；

x_a：为曲柄与连杆连接点A的横坐标；

y_a：为曲柄与连杆连接点A的纵坐标；

y_b：为游梁与连杆连接点B的纵坐标；

y_c：为悬点C的纵坐标；

基于以上获取的参数，可以确定K的值以对测量系统进行了标定；

基于上述常数K，在任意一组实测瞬时电压U、电流L数值和曲柄旋转角度θ的基础上，计算出悬点C的实时受力值。

2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机悬点受力测量系统的标定方法，其特征在于：进行线性验证过程，计算并对比不同质量标准物系数K的数值以验证测量系统的线性；

计算依据的表达式是，

具体的验证步骤如下，

将质量为W的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为W；

将质量为W/2的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为W/2，系统线性较好；若结果不为W/2，则以W/2为标准物，重新进行系统标定，得到常数K1；

将质量为3W/2的砝码挂在悬点C处，启动游梁式抽油机测量系统，去除加速度a_i对悬点受力的影响，在系数为K的情况下，测得悬点质量应为3W/2，系统线性较好；若结果不为3W/2，则以3W/2为标准物，重新进行系统标定，得到常数K2；

工作点在W/2、W、3W/2范围内，对比分析以上常数K1、K、K2之间的关系，在W/2、W、3W/2之间进行线性插值，提高系统测量的准确性。

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