CN209296334U - 一种抽油机负载模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种抽油机负载模拟试验装置，包括控制系统、负载模拟系统、滑动减振平台以及负载导向机构。所述负载模拟机构由伺服电机和磁粉制动器提供负载，测力传感器反馈调节负载大小。所述减振测力平台上设置有沿固定导杆运动的模具弹簧以及直线滑轨组件，有效降低了设备运行过程中瞬间冲击产生的波动，提高了系统控制负载的精确性和灵敏性。本实用新型提供了一种以伺服电机的扭矩控制模式配合磁粉制动器的数字化抽油机负载模拟试验装置，可以更精确、方便地来模拟各种抽油工况。

Description

一种抽油机负载模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种抽油机负载模拟试验装置，属于机电一体化应用新领域。

背景技术

抽油机是石油开采过程中最重要的机械设备，主要包括游梁式抽油机和塔式抽油机两种类型。游梁式抽油机因其结构简单、使用方便、容易制造成为了目前技术最成熟、使用最广泛的抽油机，但是它存在驴头悬点运动加速度大、平衡效果差、效率低以及长冲程距离有限等显著问题。而塔式抽油机因其结构中的抽油杆和配重之间的平衡，相互不间断地交换存储和释放势能的过程，实现了运动的平衡，能有效解决抽油机械效率低、难以长冲程和高耗能的问题，因此这种类型的抽油机在近十年得到重视，许多单位都投入进行了开发。

然而，目前此领域的现状是许多开发的产品并没有成功，主要原因是在样机开发完后，没有在研究场所进行大量的试验研究，而是马上去油井口进行现场试验，在试验过程中难免会出现在设计时考虑不全的各种问题。但是抽油机油井位于野外，现场环境条件恶劣，发现问题不便于现场采集数据和改良设备，因此需要将设备拆下运回研究场所再做调整，这个过程耗费了大量的时间和人力，增加了不必要的科研成本。

因此，有必要提供一种能够准确模拟抽油机采油过程载荷的模拟试验台，根据试验需要来模拟油井现场的各种载荷工况，在开发过程中可以在实验室进行大量的性能试验，例如型式试验、耐久性试验等，优化抽油机设备的结构和控制程序。

目前，国内关于抽油机负载模拟试验台的设计也有相关的案例。专利号为201521007220.3授权的“抽油机厂内要求试验悬点载荷模拟装置”可以对一定冲程下的多种抽油机进行悬点载荷模拟试验，并可以模拟抽油杆变形，这种模拟抽油杆变形的装置是通过在上横梁与悬绳器中间布置弹簧来实现的，但是这种方法无法模拟不同抽油工况下的抽油杆变形，也无法精确模拟。抽油杆变形是一种常见的现象，反映至悬点就是载荷发生变化，而用伺服电机的扭矩控制模式加上磁粉制动器，可以采用数字化的方式来精确加载，可以更方便地来模拟各种抽油工况，如模拟抽油杆变形产生的力，油泵被石蜡、泥砂卡阻产生的摩擦力等。

专利号为201520676384.9授权的“抽油机悬点载荷模拟装置”提供了一种抽油机悬点载荷模拟装置，通过设置的液压缸配重，并通过液压油阀的启闭给液压缸配重内供应液压油来模拟抽油机工作状态中的负载变化。这种结构存在的弊端是载荷的模拟需要依靠液压缸配重内的液压油量来调节，液压油的泵送和压回需要一定的时间，无法做到快速精确地提供抽油机所需载荷，系统控制的灵敏性不足。而采用伺服电机的扭矩控制模式和磁粉制动器，可以实时精确加载，系统响应迅速，控制灵敏。

专利号为201220332177.8的“数字化抽油机模拟实验台”提供了一种数字化抽油机模拟实验台，包括抽油机本体、用于产生地下载荷的实验台模拟控制系统以及地下载荷执行单元；实验台模拟控制器通过地下载荷执行单元与抽油机本体相连，这项专利只是提供了一种数字化实验台的思路，通过载荷传感器提供反馈，控制器调整电机提供载荷，但这种装置的弊端是连接绳在传递载荷时由于刚度较高，系统的振动所引起的负载波动比较大，载荷传感器无法实时测得准确的载荷大小，实际应用情况下电机控制困难，很容易导致电机超负荷报警停止运行。因此有必要设计一种能有效降低振动的负载模拟试验台，采用伺服电机的扭矩控制模式加载，并加入磁粉制动器提供辅助加载，更精确地提供符合抽油机实际工况的负载。

专利号为201520526201.5的“一种游梁式抽油机负载模拟电液伺服控制装置”提供了一种采用电液伺服控制的液压驱动方式为负载模拟器提供加载动力，液压缸作为执行元件，模拟抽油机的负载，并对其进行驱动力、速度和位置的控制的游梁式抽油机负载模拟电液伺服控制装置。但这种装置具有行程有限的缺点，只能应用于行程有限的游梁式抽油机，无法应用在冲程较长的塔式抽油机上。

因此，为解决以上技术存在的问题，本实用新型提出了一种以伺服电机的扭矩控制模式配合磁粉制动器加载，且具有减振功能的数字化抽油机负载模拟试验装置，可以精确地模拟各种抽油工况，控制灵敏、响应迅速、冲程长，不受行程限制，能广泛适用于游梁式抽油机和塔式抽油机等多种型式的抽油机械设备。

实用新型内容

本实用新型提出了一种结构简单、安装方便、可根据实际参数模拟任意油井抽油工况，且具有减振功能、控制灵敏、响应迅速、不限行程的数字化抽油机负载模拟试验装置。

本实用新型提出的技术方案为：一种抽油机负载模拟试验装置，包括控制系统、负载模拟系统、减振测力平台以及负载导向机构。

所述控制系统包括可编程逻辑控制器PLC和相应的显示屏及操作平台，可人工调节负载参数，模拟任意油井抽油工况，控制系统实时接收测力传感器的数据并按照程序实时调节伺服电机和磁粉制动器工作参数。

所述负载模拟机构包括伺服电机、磁粉制动器、减速器、传动箱、绕线轮及钢丝绳。伺服电机提供模拟抽油工况所需的负载，伺服电机与减速器的输入轴同轴转动，经减速器固定速比减速后传递给传动箱的输入轴，由传动箱输出轴带动绕线轮同步转动，调节钢丝绳的释放和收紧。磁粉制动器位于绕线轮的另一端，在需要提供较大负载时工作。

所述减振测力平台包括测力传感器、沿固定导杆运动的模具弹簧、直线滑轨组件以及滑轨板等。测力传感器实时测量钢丝绳所传递的模拟负载大小，滑轨板可沿直线滑轨组件轨道运动，滑轨板前端的模具弹簧能降低设备运行过程中瞬间冲击产生的振动，显著减小测力传感器所测数据的波动，实现伺服电机扭矩控制模式的精确控制。

所述负载导向机构包括钢丝绳、前导向轮、后导向轮以及相关支撑结构。导向轮的作用是改变钢丝绳的方向。前导向轮将钢丝绳由水平方向转变为竖直方向，再由钢丝绳连接塔式抽油机的悬绳器传递负载；一组后导向轮的作用是保证传递到前导向轮的钢丝绳与前导向轮相切，消除钢丝绳在绕线轮旋转过程中摆动的影响，有效降低钢丝绳的磨损以及摩擦阻尼，提高了输出负载的精确性。

本实用新型有如下优点：

(1)不必在油井现场进行抽油机械设备试验，可以使用该装置在室内进行相关性能试验，例如型式试验、耐久性试验等，便于设计开发过程中优化抽油机设备的结构和控制程序、显著降低试验成本。

(2)该装置采用伺服电机的扭矩控制模式加上磁粉制动器，以数字化的方式来精确施加负载，可以更方便地来模拟各种复杂抽油工况，如模拟抽油杆变形产生的力，油泵被石蜡、泥砂卡阻产生的摩擦力等。

(3)置所包含的减振测力平台有效降低了设备运行时振动所引起的负载波动，提高了测力传感器测得载荷大小的准确性和实时性，因此提高了输出负载的精确性。。

(4)该装置可模拟的冲程长，不受行程限制，能广泛适用于游梁式抽油机和塔式抽油机等多种型式的抽油机械设备。

(5)该装置成本低、体积小，操作简单、调节方便，可以重复利用。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的主视图；

图3是本实用新型的俯视图；

图4是本实用新型的摆动端部分的右视图；

图5是本实用新型与塔式抽油机连接的示意图；

图中：1、钢丝绳；2、前导轮；3、前导轮支撑轴承座；4、一号槽钢；5、三号槽钢；6、后导轮支撑轴承座；7、后导轮；8、四号槽钢；9、传感器支撑竖板；10、测力传感器；11、传感器挡板； 12、弹簧挡板；13、模具弹簧；14、绕线轮；15、绕线轮支撑板；16、传动箱；17、磁粉制动器；18、减速器；19、伺服电机；20、直线滑轨组件；21、铸铁平台；22、滑轨板；23、绕线轮支架；24、圆柱导杆；25、加强筋板；26、直线轴承；27、弹簧浮动板；28、减振测力平台底板；29、圆柱导杆固定支撑座；30、加强筋板；31、加强筋板； 32、二号槽钢；33、加强筋板。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，一种抽油机负载模拟试验装置，包括控制系统、负载模拟系统、减振测力平台以及负载导向机构。

所述减振测力平台包括传感器支撑竖板9、测力传感器10、传感器挡板11、弹簧挡板12、模具弹簧13、弹簧浮动板27、滑轨板22、直线滑轨组件20、减振测力平台底板28、圆柱导杆24、直线轴承26、圆柱导杆固定支撑座29。

减振测力平台底板28通过螺栓连接固定在铸铁平台21上，减振测力平台底板28加工有铣槽用以安装传感器支撑竖板9、直线滑轨组件20，传感器支撑竖板9通过螺栓连接固定在铸铁平台21上，并以加强筋板30提高稳定性，传感器支撑竖板9上打有通孔用以通过螺栓连接安装测力传感器10，测力传感器10另一侧则利用螺栓固定在传感器挡板11上，且测力传感器10对称布置使各传感器测力近似相等，传感器挡板11上还固定有圆柱导杆固定支撑座29，传感器挡板11与弹簧挡板12之间通过螺栓固定连接，模具弹簧13两侧分别固定在弹簧挡板12和弹簧浮动板27上的圆柱形沉槽中，弹簧浮动板27通过螺栓连接固定在滑轨板22上，并以加强筋板25提高稳定性，圆柱导杆24一侧通过圆柱导杆固定支撑座29紧固，并穿过弹簧挡板12上的通孔、模具弹簧13内孔、弹簧浮动板27上的通孔，另一侧通过直线轴承26支撑安装在弹簧浮动板27上，滑轨板22打有沉孔通过螺栓连接与直线滑轨组件 20相连，可相对减振测力平台底板28左右滑动，滑轨板22上还通过螺栓连接固定有绕线轮支架23，并通过加强筋板33提高稳定性。

负载模拟机构包括伺服电机19、磁粉制动器17、减速器18、传动箱16、和绕线轮14。

减速器18通过螺栓连接固定在滑轨板22上，伺服电机19通过法兰盘螺栓连接固定于减速器18的输入端，减速器18的输出轴和传动箱16的输入端连接，传动箱16通过内部的齿轮副等速传递动力到传动箱16的输出轴，绕线轮支撑板15底部打有通孔用以通过螺栓连接固定于绕线轮支架23，绕线轮14通过绕线轮支撑板15两侧通孔内的轴承支撑，一端与传动箱16的输出轴通过联轴器连接，另一端通过联轴器与磁粉制动器17的轴连接。磁粉制动器17以螺栓连接固定于绕线轮支架23。

负载导向机构包括钢丝绳1、前导轮2、后导轮7、前导轮支撑轴承座3、后导轮支撑轴承座6以及不同尺寸的一号槽钢4、二号槽钢32、三号槽钢5、四号槽钢8。

四号槽钢8、二号槽钢32各一组下端焊接于铸铁平台21上，并通过加强筋板31提高稳定性，一号槽钢4焊接于二号槽钢32上端，并在其一侧打有通孔，用以通过螺栓连接固定导轮支撑轴承座3，前导轮2轴的一端通过前导轮支撑轴承座3固定，另一端结构与固定方式相同，两块三号槽钢5凹面对置焊接于四号槽钢8上端，并在其外侧打有通孔，用以通过螺栓连接固定一组后导轮支撑轴承座6，后导轮7 轴的两端通过这组后导轮支撑轴承座6固定。两组后导轮7对称布且相切，保证钢丝绳1可沿轮边凹槽相对滑动且不脱离。前导轮2的轮周下切点的位置位于两后导轮7的对称平面上，且与后导轮7的位置水平，保证钢丝绳1传递负载时在后导轮7和前导轮2之间水平，如图5所示，钢丝绳1通过负载导向机构与塔式抽油机35的悬绳器34相连，以此传递模拟抽油工况所需负载。

本实用新型的工作过程是：

1.模拟抽油机的抽油工况时，需要按照所模拟的油井的正常工作参数通过操作平台输入给控制系统。控制系统计算出对应不同时刻需要提供的负载大小和位移，再转化为伺服电机和磁粉制动器需要提供的扭矩大小以及转速。

2.在模拟抽油杆下降过程时，主要模拟抽油杆自身重力。此时，磁粉制动器不工作，伺服电机在扭矩控制模式下以保持设定的扭矩正转，通过减速器和传动箱带动绕线轮以模拟抽油杆下降速度卷起钢丝绳。

3.在模拟抽油杆上升过程时，主要模拟包括抽油杆自身重力、油柱重力、摩擦力等力。此时，伺服电机在扭矩控制模式下以设定的扭矩反转，同时，磁粉制动器辅助施加制动力，保证伺服电机和磁粉制动器所提供的负载符合模拟工况要求，绕线轮以模拟抽油杆上升速度释放钢丝绳。

4.在上述过程中，测力传感器实时测量本实用新型所提供的负载大小，反馈给控制系统，再由控制系统实时调节伺服电机的扭矩大小和磁粉制动器是否需要工作以及施加的制动力大小。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种抽油机负载模拟试验装置，包括控制系统、负载模拟系统、减振测力平台以及负载导向机构，其特征在于：所述减振测力平台包括传感器支撑竖板(9)、测力传感器(10)、传感器挡板(11)、弹簧挡板(12)、模具弹簧(13)、弹簧浮动板(27)、滑轨板(22)、直线滑轨组件(20)、减振测力平台底板(28)、圆柱导杆(24)、直线轴承(26)、圆柱导杆固定支撑座(29)；

减振测力平台底板(28)通过螺栓连接固定在铸铁平台(21)上，减振测力平台底板(28)加工有铣槽用以安装传感器支撑竖板(9)、直线滑轨组件(20)，传感器支撑竖板(9)通过螺栓连接固定在铸铁平台(21)上，传感器支撑竖板(9)上打有通孔用以通过螺栓连接安装测力传感器(10)，测力传感器(10)另一侧则利用螺栓固定在传感器挡板(11)上，且测力传感器(10)对称布置，传感器挡板(11)上还固定有圆柱导杆固定支撑座(29)，传感器挡板(11)与弹簧挡板(12)之间通过螺栓固定连接，模具弹簧(13)两侧分别固定在弹簧挡板(12)和弹簧浮动板(27)上的圆柱形沉槽中，弹簧浮动板(27)通过螺栓连接固定在滑轨板(22)上，圆柱导杆(24)一侧通过圆柱导杆固定支撑座(29)紧固，并穿过弹簧挡板(12)上的通孔、模具弹簧(13)内孔、弹簧浮动板(27)上的通孔，另一侧通过直线轴承(26)支撑安装在弹簧浮动板(27)上，滑轨板(22)打有沉孔通过螺栓连接与直线滑轨组件(20)相连。

2.根据权利要求1所述的一种抽油机负载模拟试验装置，其特征在于：所述负载模拟机构包括伺服电机(19)、磁粉制动器(17)、减速器(18)、传动箱(16)、和绕线轮(14)，减速器(18)通过螺栓连接固定在滑轨板(22)上，伺服电机(19)通过法兰盘螺栓连接固定于减速器(18)的输入端，减速器(18)的输出轴和传动箱(16)的输入端连接，传动箱(16)通过内部的齿轮副等速传递动力到传动箱(16)的输出轴，绕线轮支撑板(15)底部打有通孔用以通过螺栓连接固定于绕线轮支架(23)，绕线轮(14)通过绕线轮支撑板(15)两侧通孔内的轴承支撑，一端与传动箱(16)的输出轴通过联轴器连接，另一端通过联轴器与磁粉制动器(17)的轴连接，磁粉制动器(17)以螺栓连接固定于绕线轮支架(23)。

3.根据权利要求1所述的一种抽油机负载模拟试验装置，其特征在于：负载导向机构包括钢丝绳(1)、前导轮(2)、后导轮(7)、前导轮支撑轴承座(3)、后导轮支撑轴承座(6)以及不同尺寸的一号槽钢(4)、二号槽钢(32)、三号槽钢(5)、四号槽钢(8)。