有杆泵模拟试验装置的电液比例举升系统研制

摘要

有杆抽油泵在我国众多的油井中得到了广泛使用，然而由于设备水平和采油工艺的局限，在现场使用的大部分有杆抽油泵的存在效率低下的问题。因此，建立实验室内的有杆泵模拟试验装置具有重要的现实意义。作为一种新型的有杆泵举升方式，液压举升应用了液压传动原理，克服了传统游梁式举升方式的各种不足，能够实现冲程冲次等参数的无级调节，对各种开采条件具有很强的适应性。因此，研制有杆泵模拟试验装置的液压举升系统，不仅能够为有杆泵的试验研究提供条件保障，同时能够为以液压举升技术为特征的液压抽油机的研制积累经验。
　　 本论文研制了一套用于有杆泵模拟试验装置的电液举升系统，系统基于电液比例技术，采用计算机控制系统，能够驱动有杆泵完成各种工况下(不同倾角，冲程，冲次)的模拟抽油运行。论文的主要内容如下：
　　 第一章，简要陈述了有杆抽油设备基本概念和工作原理，分别介绍了有杆泵试验研究情况和液压举升技术的国内外研究现状，提出了本课题的研究目的和设计内容。
　　 第二章，介绍了有杆泵模拟装置对举升驱动的功能要求和指标参数，确立了电液比例举升系统的总体方案，从载荷平衡设计，举升方式设计，冲程冲次曲线规划，功能模块划分，总体布局设计五个方面进行了详细的阐述。
　　 第三章，设计了有杆泵举升系统的液压系统部分。详细论述了液压回路工作原理，按照液压执行系统、配重系统、动力源系统、阀控系统、辅助系统五个类别对系统的各个元器件进行了参数计算，结构设计以及调研选型。采用三维设计软件SolidWorks完成了液压系统零部件的三维造型，并实施了虚拟装配。
　　 第四章，开发了电液比例计算机控制系统的硬件和软件。设计了计算机控制系统硬件组成结构，较为详细的介绍了传感器信号与数字信号采集和控制信号输出的实现方法。确定了控制系统软件的总体架构，在LabVIEW开发环境下编写了各个功能模块的程序代码，介绍了控制软件的人机界面设计。
　　 第五章，进行电液比例控制方法的设计与实施。对控制目标和控制策略进行了考察，在AMESim软件中建立了电液比例控制系统的仿真模型，分析了仿真结果。设计了位置闭环随动控制方法，介绍了增量型数字PID调节器和比例阀中位死区补偿方法的实现过程。
　　 第六章，介绍了不同工况下的运行试验，对试验结果进行了分析和研究，归纳总结了试验结论。
　　 第七章，总结了全文内容，提出了下一步工作展望。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章 绪论

1.1有杆抽油设备概述

1.2有杆抽油泵的试验研究现状

1.3液压举升技术的研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4课题的目的和意义

1.5课题的难点

1.6课题研究设计的内容

1.7本章小结

第二章 系统组成和总体设计

2.1系统组成与功能要求

2.1.1试验系统组成

2.1.2系统功能需求

2.1.3性能参数指标

2.2总体实施方案设计

2.2.1载荷平衡设计

2.2.2举升方式设计

2.2.3冲程冲次曲线规划

2.2.4系统功能模块设计

2.2.5总体布局设计

2.3本章小结

第三章 液压系统设计和研制

3.1液压系统设计指标

3.2液压系统工作原理设计

3.3液压执行系统设计

3.3.1复合式液压缸的设计计算

3.3.2复合式液压缸的结构设计

3.3.3复合式液压缸的安装设计

3.4液压配重系统设计

3.5液压动力源系统设计

3.5.1液压泵计算和选型

3.5.2电动机计算和选型

3.6液压阀控系统设计

3.6.1压力控制阀选型

3.6.2电液比例方向阀选型

3.6.3集成阀块的设计

3.7液压辅助系统设计

3.7.1油箱组件设计与计算

3.7.2液压系统的加热和散热设计

3.7.3液压系统的管道计算

3.8液压系统虚拟装配与布局

3.8.1固定设备装配与布局

3.8.2移动设备装配与布局

3.9本章小结

第四章 控制系统设计和开发

4.1电液比例计算机控制系统组成

4.2控制系统硬件设计

4.2.1硬件平台总体设计

4.2.2传感器与信号采集设计

4.2.3开关量控制设计

4.2.4模拟量控制设计

4.3控制系统软件开发

4.3.1软件总体架构

4.3.2数据采集卡操作模块开发

4.3.3控制算法模块开发

4.3.4其他模块开发

4.3.5人机界面设计

4.4本章小结

第五章 控制方法设计与实现

5.1控制目标分析

5.2位置开环控制与闭环控制比较

5.2控制系统建模仿真

5.2.1仿真模型搭建

5.2.2仿真结果分析

5.3控制器设计与实现

5.3.1位置闭环控制器组成

5.3.2数字PID调节器设计

5.3.3比例方向阀零位死区补偿

5.4本章小结

第六章 现场试验与结论

6.1系统功能试验方案

6.2典型工况下的有杆泵试验结果

6.2.1 Φ44mm型泵试验数据曲线

6.2.2 Φ57mm型泵试验数据曲线

6.2.3 Φ120mm型泵试验数据曲线

6.3试验数据分析

6.3.1控制参数的整定

6.3.2液压配重的平衡效果

6.3.3长管道对系统的影响

6.3.4油液温度的影响与控制

6.4试验结论

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果