級游梁式抽油機優(yōu)化設(shè)計作業(yè)

1、優(yōu)化設(shè)計作業(yè)要求每人按規(guī)定格式編寫設(shè)計計算說明書1份; 計算說明書附運動分析計算程序和抽油機懸點位移、速度、加速度曲線（以光桿處在最低位置時作為計算位置的起始點）。一、后置式游梁式抽油機幾何尺寸參數(shù)計算1、幾何關(guān)系圖1為后置式游梁抽油機的機構(gòu)簡圖。為便于討論，采用下例符號：游梁前臂長度，m ；游梁后臂長度，m；連桿長度，m；曲柄半徑，m；游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離，m；游梁支承中心到減速器輸出軸中心的垂直高度，m；基桿長度，即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離，m；曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離，m ； 曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑處于12點鐘位置 作為零度，曲柄順時針方向旋轉(zhuǎn)，r

2、ad；基桿與垂線的夾角，rad；游梁后臂與連桿的夾角，即傳動角，rad；游梁后臂與的夾角，rad；基桿與的夾角，rad；游梁后臂與基桿的夾角，rad，（等于時）；當(dāng)光桿位于上死點時，游梁后臂與基桿的夾角，rad；當(dāng)光桿位于下死點時，游梁后臂與基桿的夾角，rad；連桿與曲柄半徑的夾角，rad；基桿與曲柄半徑的夾角，rad；游梁后臂與水平線的夾角，以水平位置作為零度，沿順時針旋轉(zhuǎn)為正。機構(gòu)極位夾角。初始角，即上沖程起始點時刻（即光桿處在最低位置時）而曲柄對應(yīng)的轉(zhuǎn)角。游梁擺動角位移2 角計算設(shè)抽油機以順時針方向旋轉(zhuǎn)，基桿夾角為 （1-1） （1-2） 3角計算 （1-3） （1-4） 4游梁擺角計算

3、 （1-5） （1-6） （1-7） 5扭矩因數(shù)TF計算 （1-8） （1-9） （1-10） 6計算游梁擺角 （1-11） 7計算沖程長度Si （1-12） 8游梁后臂與基桿的最小夾角、最大夾角 （1-13） （1-14） 9最小傳動角、最大傳動角 （1-15） （1-16） 10機構(gòu)極位夾角 （1-17） 11上沖程起始點時刻曲柄初始角 （1-18） 12上、下時游梁前臂相對于水平線擺動角 （1-19） （1-20）二、抽油機運動分析計算以光桿處在最低位置時作為計算位置的起始點。當(dāng)游梁擺動角位移為時，懸點速度和加速度由以下公式計算。1懸點速度計算 （2-1） 式中： ，為抽油機沖次，。2懸

4、點加速度 （2-2） 3游梁擺動的角加速度 （2-3） 三、常規(guī)抽油機機構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計1 目標函數(shù)抽油機機構(gòu)簡圖見左圖，考慮以桿長為設(shè)計變量比較直觀。輸入初始點也比較方便。當(dāng)給定抽油機S，沖程 則設(shè)計變量選用四連桿幾何尺寸和定位尺寸C，P，R， I， H，即目標函數(shù)分別如下。（1）上沖程最大扭矩因數(shù)最小在載荷與平衡扭矩確定的情況下,為追求極小化，一般認為可降低減速器峰值扭矩,減小扭矩的波動，因而可以減小均方根扭矩與電動機功率。在進行極小化中，采用目標函數(shù)僅代表連桿機構(gòu)的運動學(xué)參數(shù),而沒有反映出抽油機的扭矩特性。（2）上沖程懸點最大加速度最小追求加速度極小化，理論上可減小最大懸點動載荷,控制減

5、速器峰值扭矩，但它與扭矩因數(shù)一樣，只是運動指標。其目標函數(shù)為.32 約束條件約束條件是對設(shè)計變量取的限制條件，約束條件有： （1）曲柄存在條件（非線性不等式約束）：，并規(guī)定、取值范圍保證為最長桿，為最短桿。參考國內(nèi)外現(xiàn)有機型，當(dāng)沖程時，各桿長之比取值范圍：0.2R/K0.35，0.7P/K0.85，0.4C/K0.7，1A/C1.8 （3-1） （3-2）（2）極位夾角限制（非線性不等式約束）：上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為，下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為?？刂茦O位夾角可以控制上下沖程運動時間。即 （3-3）（3）游梁擺角限制（非線性不等式約束）。 （3-4）（4）初始角限制（非線性不等式約束）。 （3-5）（5）最小傳

6、動角、最大傳動角限制（非線性不等式約束） （3-6） （3-7）（6）游梁前臂相對于水平線擺動角限制（非線性不等式約束） （3-8）（7）基桿傾角的限制（非線性不等式約束） （3-9）四、異相曲柄平衡抽油機機構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計1 目標函數(shù)抽油機機構(gòu)簡圖見左圖，考慮以桿長為設(shè)計變量比較直觀。輸入初始點也比較方便。當(dāng)給定抽油機S，沖程 則設(shè)計變量選用四連桿幾何尺寸和定位尺寸C，P，R， I， H，即目標函數(shù)分別如下。（1）上沖程最大扭矩因數(shù)最小在載荷與平衡扭矩確定的情況下,為追求極小化，一般認為可降低減速器峰值扭矩,減小扭矩的波動，因而可以減小均方根扭矩與電動機功率。在進行極小化中，采用目標函數(shù)僅代

7、表連桿機構(gòu)的運動學(xué)參數(shù),而沒有反映出抽油機的扭矩特性。（2）上沖程懸點最大加速度最小追求加速度極小化，理論上可減小最大懸點動載荷,控制減速器峰值扭矩，但它與扭矩因數(shù)一樣，只是運動指標。其目標函數(shù)為.32 約束條件約束條件是對設(shè)計變量取的限制條件，約束條件有： （1）曲柄存在條件（非線性不等式約束）：，并規(guī)定、取值范圍保證為最長桿，為最短桿。參考國內(nèi)外現(xiàn)有機型，當(dāng)沖程時，各桿長之比取值范圍：0.2R/K0.35，0.7P/K0.85，0.4C/K0.7，1A/C1.8 （3-1） （3-2）（2）極位夾角限制（非線性不等式約束）：上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為，下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為?？刂茦O位夾角可以控制上下沖程運

8、動時間。即（3-3）（3）游梁擺角限制（非線性不等式約束）。 （3-4）（4）初始角限制：。 （3-5）（5）最小傳動角、最大傳動角限制（非線性不等式約束） （3-6） （3-7）（6）游梁前臂相對于水平線擺動角限制（非線性不等式約束） （3-8）（7）基桿傾角的限制（非線性不等式約束） （3-9）一、前置式游梁式抽油機幾何尺寸參數(shù)計算前置式游梁抽油機分為機械平衡和氣平衡兩種，氣平衡式前置抽油機具有節(jié)能效果好，重量輕，平衡效果好而受到用戶的好評，但是其失載的危險性也令人擔(dān)擾。機械平衡前置式抽油機具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高等特點。前置式抽油機的機構(gòu)運動簡圖如圖1所示，各符號的意義如圖中定義。圖1前置

9、式抽油機的機構(gòu)簡圖圖中 A游梁前臂長； C游梁后臂長； P連桿長度； R曲柄半徑； I游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離；H游梁支承中心到底座底部的高度； G減速器輸出軸中心到底座底部的高度； K即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離； J曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離,mm；曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑R處于6點鐘位置作為零度，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量,曲柄逆時針方向旋轉(zhuǎn)；零度線與K的夾角，由零度線到K沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量；C與P的夾角，稱傳動角；C與K的夾角；b光桿在最低位置時的角；t光桿在最高位置時的角；P與R的夾角。首先參照標準和樣本初步游梁的前臂長、后臂長、游梁擺動中心高H、曲柄旋轉(zhuǎn)中心高

10、G、游梁擺動中心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的1計算角 （1-1）2計算角 （1-2）3計算游梁擺角 （1-3） （1-4） （1-5）4計算扭矩因數(shù)TF （1-6） （1-7）5游梁后臂與基桿的最小夾角、最大夾角 （1-9） （1-10） 6計算游梁擺角 （1-10） 7計算沖程長度 （1-11）9最小傳動角、最大傳動角 （1-12） （1-13） 10機構(gòu)極位夾角 （1-14） 11上沖程起始點時刻曲柄初始角 （1-15） 12上、下時游梁前臂相對于水平線擺動角 （1-19） （1-20）二、運動計算1計算懸點的速度VA ； （2-1） 懸點速度為：（2-2）2計算懸點的加速度懸點加速度為： （2-3）

11、三、前置式油機機構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計1 目標函數(shù)抽油機機構(gòu)簡圖見左圖，考慮以桿長為設(shè)計變量比較直觀。當(dāng)給定抽油機S，沖程 則設(shè)計變量選用四連桿幾何尺寸和定位尺寸C，P，R， K， I，即目標函數(shù)分別如下。（1）上沖程最大扭矩因數(shù)最小在載荷與平衡扭矩確定的情況下,為追求極小化，一般認為可降低減速器峰值扭矩,減小扭矩的波動，因而可以減小均方根扭矩與電動機功率。在進行極小化中，采用目標函數(shù)僅代表連桿機構(gòu)的運動學(xué)參數(shù),而沒有反映出抽油機的扭矩特性。（2）上沖程懸點最大加速度最小追求加速度極小化，理論上可減小最大懸點動載荷,控制減速器峰值扭矩，但它與扭矩因數(shù)一樣，只是運動指標。其目標函數(shù)為.32 約束條件約

12、束條件是對設(shè)計變量取的限制條件，約束條件有： （1）曲柄存在條件（線性不等式約束）：，并規(guī)定、取值范圍保證為最長桿，為最短桿。 （3-1） （3-2） （3-3） （3-4） （3-5） （3-6）（2）設(shè)計變量上下限 （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） （3-11）（3）上沖程初始角取值范圍（非線性不等式約束） （3-12）（4）極位夾角限制（非線性不等式約束）：上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為，下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為?？刂茦O位夾角可以控制上下沖程運動時間。即（3-13）（5）游梁擺角限制（非線性不等式約束）：。 （3-14）（6）最小傳動角、最大傳動角限制（非線性不等式約束） （3-15） （3-

13、16）（7）游梁前臂相對于水平線擺動角限制（非線性不等式約束） （3-17） （3-18）（8）基桿傾角的限制（非線性不等式約束） （3-19）（9）曲柄最大回轉(zhuǎn)半徑邊緣到光桿垂線的距離限制（非線性不等式約束） （3-20）計算結(jié)果輸出要求disp ' *××抽油機桿件尺寸按上沖程最大×××優(yōu)化的最優(yōu)解*'fprintf(1,' 曲柄半徑 R=%fn',R)fprintf(1,' 連桿長度 P=%fn',P)fprintf(1,' 游梁長度 C=%fn',C)fprintf(1,&

14、#39; 前臂長度 A=%fn',A)fprintf(1,' 基桿長度 K=%fn',K)fprintf(1,' 基桿水平投影長度 I=%fn',I)fprintf(1,' 基桿長度垂直投影長度 HG=%fn',HG)fprintf(1,' 抽油機沖程 %fn',S)fprintf(1,' 目標函數(shù)最優(yōu)值 %fn', fval)fprintf(1,' 極位夾角 %fn',(180/pi)*tao)fprintf(1,' 上沖程初始角 %fn',(180/pi)*THTA0)f

15、printf(1,' 最小傳動角 %fn',(180/pi)*BETA_min)fprintf(1,' 最大傳動角 %fn',(180/pi)*BETA_max)fprintf(1,' 游梁擺角 %fn',(180/pi)*KoSai)fprintf(1,' 游梁相對于水平線擺上擺角 %fn',(180/pi)*data_up)fprintf(1,' 游梁相對于水平線擺下擺角 %fn',(180/pi)*data_down)fprintf(1,' 基桿傾角 %fn',(180/pi)*FI)NO：1

16、已知后置式抽油機的沖次n=6，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄長度、連桿，后臂。(最小傳動角，極位夾角，沖程S=1.5m。) 。（1）試繪制懸點的位移、速度、加速度曲線；（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：1沖程S=3.0m，沖次n=9r/min的常規(guī)式抽油機機構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機上沖程最大加速度最小為目標函數(shù)NO：2已知后置式抽油機的沖次，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試繪制懸點的位移、速度、加速度曲線；

17、（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：2沖程S=3.2m，沖次n=8r/min的常規(guī)式抽油機機構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機上沖程最大扭矩因素最小為目標函數(shù)NO：3已知后置式抽油機的沖次，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試繪制懸點的位移、速度、加速度曲線；（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：3沖程S=3.6m，沖次n=8r/min的常

18、規(guī)式抽油機機構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機上沖程最大加速度最小為目標函數(shù)NO：4已知后置式抽油機的沖次，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試繪制懸點的位移、速度、加速度曲線；（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：4沖程S=3.8m，沖次n=6r/min的異相曲柄抽油機機構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機上沖程最大加速度最小為目標函數(shù)NO：5已知后置式抽油機的沖次，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試繪制懸點的位移、速

19、度、加速度曲線；（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：5沖程S=4.0m，沖次n=6r/min的異相曲柄抽油機機構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機上沖程最大扭矩因素最小為目標函數(shù)NO：6已知后置式抽油機的沖次，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試繪制懸點的位移、速度、加速度曲線；（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：6沖程S=4.2m，沖次n=6r/min的異相曲柄抽油機機構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機上沖程最大加速度最小為目標函數(shù)NO：7已知后置式抽油機的沖次，游梁前臂，游梁支點與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試繪制懸點的位移、速度、加速度曲線；（2）試計算抽油機沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動角、最大傳動角、游梁擺角、游梁相對于水平線擺上擺角、游梁相對于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：7沖程S=4.8