基于AMESim的井下全液压抽油系统的建模与仿真.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 01 3 基于 AME S i m 的井下全液压 抽油 系统的建模与仿真 周 晓君 ． 夏麟 上海大学 机电工程与 自动化学院 ， 上海2 0 0 0 7 2 摘 要 该 文根据井下全液压抽油系统的工作原理 ， 搭建液压系统原理图 ， 描 述运用 AM E S i m软件对 该系统进行建模过 程 ， 并通过该软 件的仿真结果 ， 分析系统的动态特性。结果 表明系统性能 良好 ， 工作过程可靠 。 关键词 插装阀 ； 水力活塞泵 ； 建模与仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 0 0 0 3 7 0 3 M o d e l i n g a nd S i mu l a t i o n o f S u b s u r f a c e Hy d r a u l i c Oi l Pu mp i ng S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m Z HOU X i a o -4 Ⅱ n ． X I A L i n S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e wo r k i n g p rin c i p l e o f s u b s u r f a c e h y d r a u l i c o i l p u mp i n g s y s t e m， t h i s p a p e r s e t s u p e l e me n t a r y d i a g r a m o f h y d r a u l i c s y s t e m， d e s c ri b e s t h e mo d e l i n g p r o c e s s o f the s y s t e m o n AME S i m， a n a l y s e s t h e d y n a mi c f e a t u r e of t h e s y s t e m b y the s i mu l a t i o n r e s u l t s ．T h e r e s u l t c o n c l u d e s tha t the s y s t e m h a v e h J g h p e rf o r m a n c e a n d c o n s i s t e n c e of p r o c e s s ． Ke y wo r d s c a r t r i d g e v a l v e； h y d r a u l i c p i s t o n p u mp； mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n 0 引言 随着油田的不断开发 ， 地层压力逐渐降低 ． 原有的 自喷采油法转入机械采油法必然成为一种趋势 ．必须 人为地给地层 中的石油补充能量 ．才能将原油举升到 地面。水力活塞泵 h y d r a u l i c D u mp 是一种液压传动的 无杆抽油设备 ．它 由地面动力泵将动力液增压后经油 管或专用通道泵人井下 ． 驱动马达做上下往复运动 ． 将 高压动力液传至井下驱动油缸和换 向阀 ．来帮助井下 柱塞泵抽油 而由于水力活塞泵采用全液压 系统完成 抽油工作 ． 与通过抽油杆来传递能量的抽油系统相 比． 避免了抽油杆 的偏磨现象 ； 同时 ， 水力活塞泵抽油系统 对高气油 比、 出砂 、 高凝油 、 含蜡 、 稠油 、 深井 、 斜井 、 及 水平井具有较强 的适应性 本文运用 A ME S i m软件对 液压抽油系统进行仿真分析研究[3 1 1 液压抽 油系统工作原理 井下全液压抽油系统包括液压动力源部分 、井下 双管管柱 、套管封隔器、井下插装式两位四通换 向阀 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 9 作者简介 周晓 1 9 6 3 一 ， 男 ， 江苏宜兴人 ， 教授 ， 博士 ， 主要研究方向为油 气 田开采 ， 机械 电子工程 ， 水介质液压传动系统的研究与应用等。 组 、 井下双作用液压柱塞泵 、 液压泵吸排液阀 ， 以及 由 机械定位机 构和先导球 阀组成的位置反馈换向装置 ． 如图 1 所示 图中略去液压动力源部分 。 在图 1 所示 2 位 4通先导球阀位置 时 ， 换 向阀组 中的 2 、 4插装 阀在 图 1 井下液压抽油 系统 图 3 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 3年 第 1 0期 高压控制液作用下 ，处于关闭状态 ； 1 、 3插装阀的控制 口接通低压回油管线而处于开启状态 液压油或乳化 液经液压动力源增压后 ．经插装阀 3进入液压柱塞泵 下 驱 动腔 ． 驱 动 活塞 及活 塞 杆组 上 行 ． 液压 柱 塞泵 上 驱 动腔 的液体经过插装 阀 1 、双管柱 中的副管 低压管 线 ． 回到地面油箱。 这一 过程 中 ．井 下 液 压驱 动柱 塞 泵上 增 压腔 通 过 单 向阀吸液 ． 下增压腔通过单向阀排出高压井液 ． 并通 过油套环空 、 井 口装置 ， 进入集油管线 。当液压柱塞泵 的活塞及活塞杆组上行至最上端时．液压缸中的下活 塞推动机械定位机构使得先导球阀换 向．换 向阀组 中 的 1 、 3插装阀在高压控制液作用下 ， 处于关闭状态 ； 2 、 4插 装 阀 的控 制 口接通 低压 管 线而 处 于开启 状 态 ． 从 而 实现 液压 系统 的正确 换 向 2 AME S i m软件介 绍及插装 阀组建模 2 ． 1 软件 介绍 A ME S i m软 件 是 法 国 I MA G I N E公 司 于 1 9 9 5年 推 出基 于键合 图的液压 、机械系统建模仿真及动力学分 析软件。可以通过该软件 的应用库来设计液压系统． 所 有的液压元器件都可以在软件 中建立相应 的模 型 ． 使 得工程师从繁琐的数学建模过程 中解放 出来 ．仅关注 于物理系统本身的设计 ．最终可 以迅速达到建模仿真 的 目的【 ” 。 2 ． 2二 位 四通插装 阀 组建模 本 系 统 运 用 的插 装 阀组 是 由 四个 二 通 插 装 阀组 成 ， 其结构简单 ， 流通能力大 ， 动态响应快 。 密封性能好 以及抗污染能力强等插装 阀组能够在极短的时间内 平稳地开启和关闭 ．以满足井下大流量液压抽油系统 快速换 向的工作要求 ， 插装阀组连接如图 2所示。 腾 至执行油源 至执行 机构 机构 图 2插 装 阀组 连 接 图 A ME S i m软件库包含许 多液压 、 机械模型 ． 但并非 所有的元器件模型都能找到 软件提供基础模块 ． 使用 者可以根据设计要求搭建所需 的模型 ．插装阀在软件 库 中就没有现成 的模块可调用 液压元器件模型建立 步 骤【 】 1 确定压力作用面 2 确定 可独 立运 动部件 3 确定流通面积 4 确定可变容积 。 根据上示插装阀组连接 ， 运用 A ME S i m软件建模 ． 如 图 3所示 至执行要 导 至先导至执行 机构 控制阀 控制 阀 机构 图 3插 装 阀 组 AMESim 模 型 图 3 液压抽油系统 AS MS i m建模 A S MS i m是一个图形化 的应用界面 ． 根据软件系统 自带的 H Y D、 HS V及 H C D等库可完成液压系统建模。 3 ． 1 A ME S i m模型建立步骤 运用 A ME s i m软件建立液压系统模型按如下步骤 可以作出所需 的仿真结果[ 1 J 。 1 从不同的应用库 中选取现存的图形模块或 自 定义非标准模块来建立系统的模型 2 为系统中每个 图形模块选取相应 的数学模型 ， 且每个数学模型皆为给定合适模型 3 设置系统 中每个 图形模块需要的特定参数 4 运行仿真并根据要求得 出相应的仿真参数及 结果。 根据井下液压抽油系统 的工作原理可 以建立如图 4所示的系统 A ME S i m模型 图 4插装 阀组 A ME S i m 模型图 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 0 ． 2 0 1 3 3 ． 2 参数设置 为系统每个模型选择相应 的数学子模型 ，即可根 耋 据要求进行参数设置 。 - R 在 A ME S i m软件仿真过程 中 ．软件提供所有元器 件模型 的相应参数设置 ，在这里根据液压系统实际的 物理模型结构尺寸及要求 ．就关键 的元器件参数加以 说明 ． 列举如下参数 。 其他不影响系统仿真结果 的参数 按软件推荐的经验值选取圆 1 插装阀组参数 阻尼孔直径 5 ram， 弹簧刚度 1 N ／ tu r n ， 阀芯质量 m 0 ． 0 0 3 k g ， 阀块直 径 D 1 1 8 ． 8 m r n ， D 2 1 6 mm， D 3 1 4 ram。 2 液压驱动柱塞泵参数 活塞块质量 m 0 ． 0 0 5 k g ， 活塞直径 D 1 0 mm， 活塞 杆直径 d 5 ra m。 对称分布。 3 其他参数 动力 源压力 2 0 0 b a r ， 二位 四通换 向阀换 向时 间 1 ／ 5 0 s ． 柱塞泵 吸排油 口阻尼 直径 4 mm， 仿 真时间 5 s ， 采样间隔时间 0 ． 1 s 。 3 ． 3 仿 真结 果 运行液压 系统 A ME S i m模 型 ． 得 出相应仿真结果 。 图 5和图 7是液压驱动柱塞泵的吸油腔和排油腔的压 力变化 图．图 6和 图 8是 吸油腔和排油腔压力相应的 快速傅立叶变换 F r r 图。 葛 R 出 频率， H 图 5柱 塞泵 吸油腔压 力图 图 6吸油腔 压力 F b - l - 0 一O O ．0 - 1 訇 曰 图 7柱塞泵排油腔压力图 图 8排油腔压力 F k- q “ 4 结论 通过对全液压井下抽油系统的仿真研究 ． 根据仿真 结果 曲线可以看出． 液压系统在工作过程中具有一定的 超调量 ， 其动态特性 与预想的情况基本相符 ． 为后续理 论研究奠定基础．设计出更为合理 的液压抽油系统 ． 以 保证抽油系统在高温、 高压工作环境下稳定可靠工作。 参 考 文 献 『 1 1 刘海 丽， 李华 聪． 液压机 械系统 建模仿 真软件 A M E S i m 及其 ff J E J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 ， 6 ． 『 2 ] 王成 宾， 闰政． 基 于 A ME S i m 的液压 钻孔机 液压系统 仿真研 究【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 1 2 ． [ 3 】 邓 习树， 李 白光 ． 当前 液压系统仿 真技术发 展现状及趋 势[ J ] ． 机床与液 压 。 2 0 0 3 ， 1 1 ． [ 4 ] L i Y o n g t a n g ， L e i B u f a n g ． R e s e a r c h o f t h e D y n a mi c C h a r a c t e r - i s t i c s o n a N e w Hy d r a u l i c S y s t e m of E l e c t r o - Hy d r a u l i c Ha mme r 【 J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 1 ， 2 ． [ 5 ]5 Ma s a k a z u H a g a ， Wa t a n a b e Hi r o s h i ， K a z u o F u j i s h i ma ． D i g g i n g C o n t r o l S y s t e m f o r H y d a a u l i c E x c a v a t o r [ J 】 ． Me c h a t r o n i e s ， 2 0 0 1 ， 9 ． [ 6 】 付 永领 ， 祁 晓野． A ME S i m系统 建模 和仿真【 M】 E 京 北京航 空航天大学出版社 ． 2 0 0 6 ． 【 7 】 Wi ff fi d Ma r q u i s - F a v r e ， E r i c B i d e a u x ， S e r g e S c a v a r d a ． A P l a n ar Me c h a n i c a l L i b r a r y i n t h e AMES i m S i mu l a t i o n S o f t wa r e ．P a r t I F o r m u l a t i o n of D y n a mi c s E q u a t i o n s [ J ] ． S i m u l a t i o n Mo d e l i n g P r a c t i c e a n d T h e o ry， 2 0 0 5 ， 3 ． 【 8 】 李永 堂 ， 雷步芳 ， 高雨茁． 液压 系统建模与仿真【 M] ． 北京 冶金 工业 出版社 ． 2 0 0 3 ． 杂志订 J ， 阅回执单 如果您想订 阅 液压气动与密封 杂志， 请 填写下表 ， 并 连同汇款凭证一并传真或 邮寄给我社 ， 或直 接拨 打邮局客服电话 1 1 1 8 5 ， 到 您 当地 的邮局办理订 阅 。 我刊邮发代号 8 2 1 5 2 。 公 司 名 称 订 阅 人 公 司地 址 邮 编 电 话 传真 定 价 8元／ 期 ，全年价 9 6 元 2 0 1 4年第 1期开始， 单价 l O元， 全年价 1 2 0元 订 阅时间 年 月 至 年 月 共 期 共订阅 套 元 汇款方式 户名 液压气动与密封 杂 志社 杂志订阅联系人 李绍 云 开户行 工商银 行北 京礼士路 支行 电话， 传 真 0 1 0 - 6 8 5 9 4 9 0 0 账 号 0 2 0 0 0 0 3 6 0 9 2 0 1 1 2 1 5 4 0 E - ma i l e h p s a - g g me i ． n e t ． c r l 39