1、機械系統(tǒng)動力學項目報告,游梁式抽油系統(tǒng)曲柄運動規(guī)律動態(tài)仿真模型,一、研究背景,1.1簡介 游梁式抽油機主要由游梁連桿曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝備等四大部分組成。工作時，電動機的傳動經(jīng)變速箱、曲柄連桿機構變成驢頭的上下運動，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動井下深井泵的柱塞作上下運動，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。 游梁式抽油機具有性能可靠、結構簡單、操作維修方便等特點。技術參數(shù)符合中華人民共和國行業(yè)標準SY/T 5044游梁式抽油機和美國石油協(xié)會API標準，技術成熟。 主要特點： 1、整機結構合理、工作平穩(wěn)、噪音小、操作維護方便； 2、游梁選用箱式或工字鋼結構，強度高、剛性好、承載能力大； 3、

2、減速器采用人字型漸開線或雙圓弧齒形齒輪，加工精度高、承載能力強，使用壽命長； 4、驢頭可采用上翻、上掛或側轉三種形式之一； 5、剎車采用外抱式結構，配有保險裝置，操作靈活、制動迅速、安全可靠； 6、底座采用地腳螺栓連接或壓杠連接兩種方式之一。,分類 常規(guī)游梁式抽油機 以常規(guī)曲柄平衡抽油機為例，結構示意圖如下圖所示。 圖中，1底座；2支架；3懸繩器；4驢頭；5游梁；6橫梁軸承座；7橫梁；8連桿；9曲柄銷裝置；10曲柄裝置；11減速器；12剎車保險裝置；13剎車裝置；14電動機；15配電箱。 游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支

3、架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續(xù)不間斷地工作。,異形游梁式抽油機 異形游梁式系列抽油機包括雙驢頭抽油機、彎游梁抽油機和對常規(guī)游梁抽油機節(jié)能改造的機型等機型。 異形游梁式抽油機是以常規(guī)抽油機為基礎模式而研制出的新機型，它采用變徑圓弧狀的游梁后臂，游梁與橫梁之間采用柔性件連接結構，在主要結構上具有常規(guī)游梁式抽油機簡單，牢靠，耐用等特點，在性能上易于實現(xiàn)長沖程，并且具有突出的節(jié)能特點。 平衡方式 1游梁平衡：在游梁的尾部裝設一定重量的平衡板，這是一種簡單的平衡方式，適用于3噸以下的輕型抽油機。,2曲柄平衡：這是一種在油田上常用的平衡方式。顧名

4、思義是將平衡塊裝在曲柄上，適用于重型抽油機。這種平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油機擺動，調(diào)整比較方便，但是，曲柄上有很大的負荷和離心力。 3復合平衡：在一臺抽油機上同時使用游梁平衡和曲柄平衡。特點：小范圍調(diào)整時，可以調(diào)整游梁平衡：大范圍調(diào)整時，則調(diào)整曲柄平衡。這種平衡方式適用于中深井。 4氣動平衡：利用氣體的可壓縮性來儲存和釋放能量達到平衡的目的，可用于10噸以上重型抽油機。這種平衡方式減少了抽油機的動負荷及震動，但其裝置精度要求高，加工復雜。,1.2我國石油開采技術概況 目前， 我國石油開采技術仍落后西方。 中國油田的種類比較復雜， 主要有中高滲透多層砂巖油田、復雜斷塊油田，低滲透砂巖油田以

5、及稠油油田。根據(jù)不同的地質(zhì)條件和油田類型，中國形成了具有特色的 油氣開發(fā)技術。三元化學負荷駁對提高中國可采儲量具有明顯的效 益，約可以提高 5 億動左右石油開采量。在大慶、勝利等油田進行的 先導性試驗和礦場實驗，都取得了良好的效果，原油采收率平均可以 提高 15%20%。此外，中國對其他提高原油采收率的新技術，如微 生物采油、納米膜驅油等也進行了研究與試驗。盡管中國石油開采技 術經(jīng)過 50 多年開展已經(jīng)取得很大發(fā)展，但是同西方先進國家相比， 總體上應該還有 5 至 10 年的差距。而且從具體的技術上看，完全屬 于中國原始創(chuàng)新的技術比較少， 一部分具有中國知識產(chǎn)權的國際先進 技術，如聚合物驅、化

6、學復合驅技術等，最早也是在模仿學習國外理論和方法上發(fā)展起來的。,二、游梁式抽油機的系統(tǒng)總成,2.1系統(tǒng)總成,游梁式抽油系統(tǒng)示意圖 1電動機；2皮帶減速箱傳動裝置；3抽油機主體機構；4-懸繩器； 5抽油桿柱；6油管柱；7抽油泵,2.2電動機已知參數(shù)及機械特性 (1) 電動機參數(shù),電動機機械特性,電機特性曲線Md隨n的變化,Med=132.789*Md; n=0:0.005:1000; Md=(2*2*360*0.0847*104.7198*(104.7198-pi*n/30)./(0.08472*104.71982+(104.7198-pi*n/30).2);,2.3抽油機已知參數(shù) (1)抽油機

7、型號 根據(jù)抽油機型號，可以確定抽油機傳動系統(tǒng)的機構尺寸、運動件質(zhì)量、轉動慣量、質(zhì)心位置等參數(shù)。具體參數(shù)包括： R曲柄半徑，m； P連桿長度，m； C游梁后臂長度，m； K基桿長度，m； A游梁前臂長度，m； I基桿的水平投影，m；曲柄平衡重滯后角，rad； JB1小皮帶輪轉動慣量，kg.m2； JB2大皮帶輪轉動慣量，kg.m2； JR1二級減速箱高速軸（輸入軸）系轉動慣量，kg.m2；,JR2二級減速箱中間軸系轉動慣量，kg.m2； JR3二級減速箱底速軸（輸出軸）系轉動慣量，kg.m2； iB皮帶傳動比； iR1二級減速箱的第一級傳動比； i R2二級減速箱的第二級傳動比； mQ單曲柄質(zhì)量

8、，kg； rQ曲柄質(zhì)心半徑，m； MC單側曲柄平衡塊質(zhì)量，kg； RC曲柄平衡塊質(zhì)心半徑，m； JC單側曲柄平衡塊相對其質(zhì)心的轉動慣量，kg.m2； ML連桿質(zhì)量，kg； JL連桿相對其質(zhì)心的轉動慣量，kg.m2； JB游梁組建相對其回轉中心的轉動慣量，kg.m2。,(2)油井參數(shù) 油井參數(shù)包括油藏參數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)。 根據(jù)假設，和數(shù)學建模相關的幾個參數(shù)包括： 抽油桿柱質(zhì)量，kg； 抽油桿柱在液柱中的重量，N； 油井動液面以上整個柱塞面積上的液柱重量，N； 抽油桿柱在液體載荷 作用下的靜變形，m。 各參數(shù)具體數(shù)值可?。?R1.060m； P3.390m； C2.820m； K=4.280m； A3

9、.935m； I2.82m；,0； JB12.0kg.m2； JB215.0kg.m2； JR13.0 kg.m2； JR28.0 kg.m2； JR315.0 kg.m2； iB=5.0； iR1=5.5； i R2=5.45； mQ=500kg；,rQ=1.0m； MC=1000kg； RC=1.2m； JC=100kg.m2； ML=300kg； JL=300kg.m2； JB=1000kg.m2; MR=4000kg； =30000N； =36000N； =0.2m。,三、力學模型和數(shù)學模型的建立,3.1假設條件 為了對異相曲柄平衡抽油機的優(yōu)化設計，以放映抽油機動力性能的最大扭矩因素為

10、最小目標函數(shù)優(yōu)化抽油機的機構尺寸，將整個抽油機裝置簡化為以曲柄為等效構件的運動情況，我們做了以下假設條件：,1、 電網(wǎng)供電電壓與供電頻率是常數(shù)； 2、 不考慮電動機轉子到減速箱曲柄軸各傳動副的間隙與傳動件的彈性變形； 3、 在分析抽油機主體機構的運動規(guī)律時，不考慮各傳動副的間隙與傳動件的彈性變形； 4、 懸繩與懸繩器在垂直方向上的等效彈簧常數(shù)為定值； 5、 油管全長錨定或不錨定，當油管不錨定時，考慮液體靜負荷引起的油管柱彈性變形； 6、 不考慮油管內(nèi)液柱的振動；,7、 假設抽油桿柱與油管同心； 8、 油井是鉛直的； 9、 連桿與游梁之間的軸承座質(zhì)量忽略； 10、游梁與支架之間的軸承座質(zhì)量忽略；

11、 11、所有構件為剛性構件； 12、曲柄為等效構件； 13、求等效力矩時不考慮全部構件的質(zhì)量； 14、求等效轉動慣量時考慮連桿質(zhì)量； 15、懸點載荷簡化為F 16、減速箱效率為0.8806,3.2工作系統(tǒng)各部件分析,將圖中各桿件看成矢量，可以得到如下的矢量方程 上述矢量方程可以用復變矢量表示為 將上式兩邊對時間t求導，可得到各桿件的角速度為：,將上式對時間求導，可得各桿件運動的角加速度：,圖為Theta2隨theta變化曲線 theta=0:0.005:2*pi theta2=2.219*pi-theta,圖為Theta3隨theta變化曲線 beta=asin(1.064./L).*sin(

12、2.219*pi-theta); theta3=acos(1.2043+L.2)./(6.052*L)-beta;,圖為Theta4隨theta變化曲線 theta4=acos(1.2043-L.2)./(6.052*L)-beta;,（2）下面討論懸點位移，速度與加速度的計算公式： A.懸點中程長度SPR:,B.懸點位移PR 以下死點為位移零點，向上為位移的正方向，則任意時刻的懸點位移PR為： 另外以上死點為位移零點，向下為位移的正方則懸點位移 為 C.懸點速度 與加速度 為： 懸點向上運動為位移的正方向，則 與 為：,圖為懸點pr隨theta變化 x=acos(L.2-1.2043)./(

13、5.64*L); fi=x+beta; pr=3.935.*(0.372*pi-fi);,（3）扭矩因數(shù) 圖為扭矩因數(shù)tf隨theta變化 tf=-1.064*3.935.*sin(theta3-theta2)./(2.82*sin(theta3-theta4);,3.3等效驅動力矩,等效驅動力矩,圖為等效驅動力矩Med隨n的變化 Med=151.3508.*Md;,3.4懸點載荷分析 1,2曲線是抽油機上沖程 3,4曲線是抽油機下沖程,圖中 抽油桿在液柱中的重量36000N 抽油桿液面以上整個柱塞面積上的液柱重量30000N 懸點沖程長度m 抽油桿在液體載荷 作用下的靜變形， 0.2m 圖中

14、四點左邊如下,由曲線形狀得1,2,3,4段曲線的方程為：,特s， ， ， 帶入公式得如下結果： 其中以下死點為位移零點，向上為位移正方向，任意時間懸點的位移 為： 已知如下參量：,將 帶入得,圖為懸點載荷F隨theta的分段變化 F=(180000*pr+30000).*(theta=0,圖為L隨theta的變化曲線 theta=0:0.005:2*pi L=sqrt(19.3223-9.0759*cos(2.219*pi-theta),3.6等效力矩、等效阻力矩 因為構件重量對結果影響不大，故為了簡化方便計算可以忽略全部構件的重量: 又因為 AB 段時,BC段時 CD段時 DA段時,圖為等效

15、阻力矩Mef與theta的分段關系 Mef=(180000.*pr+30000)*3.935*1.064/2.82.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4).*(theta=0,3.7等效轉動慣量,1）簡化后模型 曲柄搖桿機構簡圖如右圖所示 2）等效轉動慣量Je 將抽油機中所有運動件質(zhì)量（從電動機轉子到抽油機懸點）向曲柄處簡化，用作用于曲柄軸上的轉動慣量代替系統(tǒng)中的所有質(zhì)量的轉動慣量，這樣簡化要滿足動能相等條件，即：,:,:,圖為Je隨theta的變化 Je=107549.7594+102195.885.*(1.064/2.82.*sin(theta3-t

16、heta2)./sin(theta3-theta4).2;,3.8系統(tǒng)運動微分方程 非保守系統(tǒng) lagrange方程 注意：角速度只是時間的函數(shù)。,整理的等效構件運動微分方程為 將 :,段時: 段時：,段時: 圖為 關于 t的運動曲線,圖為 關于 的運動曲線,p=(6*2*pi/10+3.55)/2 h=0.0001 n=0 p_rec(1)=p; x_rec(1)=0; x=0; while x0.448 n=n+1; k1=h*f_x10_9(p,x); k2=h*f_x10_9(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_9(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_9(p

17、+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6 x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end; while x3.501 n=n+1; k1=h*f_x10_10(p,x); k2=h*f_x10_10(p+k1/2,x+h/2,) k3=h*f_x10_10(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_10(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end; while x3.72 n=n+1; k1=h*f_x10_11(p,x); k2

18、=h*f_x10_11(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_11(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_11(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end,while x2*pi n=n+1; k1=h*f_x10_12(p,x); k2=h*f_x10_12(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_12(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_12(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end z=0; h=0.0001; n=0;,z_rec(1)=z;