游梁式抽油機節(jié)能改造的計算機仿真

由于結構簡單、操作方便、使用壽命長等優(yōu)點，浮式汽油機現(xiàn)在主要用于大型油田。但由于結構上的不合理性,使得其無法解決平衡效果差、載荷率低、工作效率低、“大馬拉小車”、能耗高等缺點。為了追求開采效益最大化,以最少的投入來換取最大的回報,開發(fā)節(jié)能高效的新型抽油設備就成了油田生產(chǎn)經(jīng)營者和抽油機設備生產(chǎn)廠致力追求的目標。近年來,對常規(guī)型游梁機的各種節(jié)能改造不斷涌現(xiàn),如改變游梁結構的雙驢頭抽油機、偏輪式抽油機及畜能器、變頻電動機的研制等。但是,有的改造過余復雜,有的成本較高。針對這些改造弊端,本文提出的設計思想是:在盡可能簡單地改變原結構的前提下,使常規(guī)機具有較好的節(jié)能效果,即,通過改變四桿機構的桿長比來得到合理的四桿機構,從而實現(xiàn)節(jié)能。1游梁后臂再加四桿結構的改進圖1是在CYJ8-2.7-48HB型抽油機的基礎上進行節(jié)能改造后的仿真模型。改造型抽油機的結構特點是在縮短游梁后臂的前提下,在游梁后臂和橫梁間增加一個后支座,并在保證原有曲柄存在的前提下,選取原有沖程長度對應曲柄錐孔的后一個錐孔來縮短曲柄長度,實現(xiàn)了四桿機構桿長比的改變。這樣,既保證了原有的采收率,又使傳動角變大,改善了曲柄受力。改變四桿機構的尺寸可實現(xiàn)曲柄在上沖程所轉(zhuǎn)的角度大于下沖程,懸點載荷變小,同時,懸點載荷扭矩曲線右移一定角度,有助于懸點載荷扭矩曲線和平衡扭矩曲線較好地疊加,從而實現(xiàn)節(jié)能。2設計參數(shù)的確定2.1建立四桿機構模型將四桿機構在Pro/E中建好模型,引入虛擬樣機技術ADAMS進行設計參數(shù)的計算和運動、動力學分析。虛擬樣機軟件ADAMS提供了虛擬設計制造的軟件平臺,為了便于求解,對于建立的四桿機構模型做如下假設:a)四桿機構的各桿件都為剛性構件。b)將四桿機構間的連接軸承簡化為旋轉(zhuǎn)副。c)對于支架和底座等固定不動的構件,不參與系統(tǒng)的動力學分析。2.2旋轉(zhuǎn)副運動學建模對于連接約束來說,抽油機的實際桿件連接都是采用軸承連接,在虛擬樣機中簡化為剛性連接,用旋轉(zhuǎn)副來實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)副約束2個構件在某一點處繞旋轉(zhuǎn)軸只能相對轉(zhuǎn)動,約束了2個構件之間的3個平動自由度和2個旋轉(zhuǎn)自由度,2個構件之間只有1個旋轉(zhuǎn)自由度。根據(jù)多剛體運動學原理,在旋轉(zhuǎn)副中點分別建立eh0和eh2個基,如圖2所示。其中,eh0為本地基,eh為動基。令eh0=eh=AKP1,其中P1是鉸軸的單位矢量。令P1的轉(zhuǎn)角q1為旋轉(zhuǎn)副的廣義坐標,則方向余弦矩陣Ah是q1的函數(shù)。若初始轉(zhuǎn)角q0=0,則Ah=???1000C1S10S1C1???Ah=[1000C1S10S1C1]式中,S1=sinq1,C1=cosq1。根據(jù)剛體運動學規(guī)律,旋轉(zhuǎn)副的相對角速度和相對角加速度矢量分別為ωr=P1q˙1ωr=Ρ1q˙1;αr=P1q¨1αr=Ρ1q¨1抽油機的外力約束條件是驢頭的懸點載荷,懸點載荷是關于位移的分段函數(shù),由于驢頭的往復運動,故懸點載荷是關于時間的周期函數(shù)。四桿機構模型建立之后,進行模型檢驗,確定剛體和約束數(shù)量是否正確,驗證模型成功后,施加約束和運動,進行設計參數(shù)的計算。將連桿長L2和游梁后臂長L3設為設計變量,分別用LOC-ALONG-LINE(POINT-3,POINT-2,L2)和LOC-ALONG-LINE(POINT-4,POINT-4,L3)來表示;pt2-x、pt2-z、pt3-x、pt3-z、pt4-x、pt4-z來參數(shù)化POINT-2、POINT-3和POINT-4的x和z坐標;曲柄、最小傳動值、極位夾角等為約束條件;轉(zhuǎn)矩因數(shù)為目標函數(shù),打開四桿機構的參數(shù)化模型,輸入目標函數(shù),選擇設計變量、優(yōu)化目標和約束函數(shù),輸入不同沖程、沖次,對改造型抽油機的運動、動力仿真曲線進行對比,得出結構參數(shù)最優(yōu)值。3改造型抽油機的液壓系統(tǒng)在原動機性能不變的情況下,抽油機的懸點運動規(guī)律主要由四桿機構決定。四桿機構結構參數(shù)的變化如表1。其運動、動力性能也都發(fā)生了改變,如表2。懸點載荷的大小由懸點的加速度決定,而懸點上、下沖程過程中的加速度又與懸點上、下沖程過程中曲柄所轉(zhuǎn)的角度有關。在改造型抽油機中,通過改變抽油機四桿機構的尺寸實現(xiàn)了上沖程曲柄所轉(zhuǎn)的角度大于下沖程曲柄所轉(zhuǎn)的角度,即存在一個較大的極位夾角。這樣,在上沖程時,由于懸點的加速度變小,載荷也相應變小;在下沖程時,懸點的加速度變大,載荷也變大。運動曲線對比如圖3。由于最大載荷發(fā)生在上沖程,最小載荷發(fā)生在下沖程,從示功圖上分析,在改造型抽油機中比在原機中載荷和沖程所圍成的示功圖面積必將減小。可見,從載荷方面來看,有一定的節(jié)能效果。對于扭矩因數(shù)來說,扭矩因數(shù)曲線和扭矩曲線的變化規(guī)律是一致的。凈扭矩曲線對比如圖4,可以得出,增大上沖程曲柄擺角,使懸點載荷扭矩曲線在上沖程時大于180°,即懸點載荷扭矩曲線右移一定角度,有助于懸點載荷扭矩曲線和平衡重扭矩曲線較好地疊加。因此,凈扭矩上、下峰值將會下降,負扭矩也會減小,從而達到節(jié)能的目的。4優(yōu)化四桿機構1)ADAMS是以多體系統(tǒng)動力學為理論基礎,通過建立拉格朗日動力學方程和對方程求解來仿真計算復雜系統(tǒng)的運動學和動力學關系。運用ADAMS對改造型抽油機進行運動、動力分析,可以準確、快捷地得到剛體的運動情況和各鉸接點的受力情況,通過優(yōu)化得到四桿機構各桿件長的最優(yōu)值。2)通過運用ADAMS對改造型抽油機的仿真計算表明,改變四桿機