游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造的計(jì)算機(jī)仿真

游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造的計(jì)算機(jī)仿真

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，浮式汽油機(jī)現(xiàn)在主要用于大型油田。但由于結(jié)構(gòu)上的不合理性,使得其無(wú)法解決平衡效果差、載荷率低、工作效率低、“大馬拉小車(chē)”、能耗高等缺點(diǎn)。為了追求開(kāi)采效益最大化,以最少的投入來(lái)?yè)Q取最大的回報(bào),開(kāi)發(fā)節(jié)能高效的新型抽油設(shè)備就成了油田生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者和抽油機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠致力追求的目標(biāo)。近年來(lái),對(duì)常規(guī)型游梁機(jī)的各種節(jié)能改造不斷涌現(xiàn),如改變游梁結(jié)構(gòu)的雙驢頭抽油機(jī)、偏輪式抽油機(jī)及畜能器、變頻電動(dòng)機(jī)的研制等。但是,有的改造過(guò)余復(fù)雜,有的成本較高。針對(duì)這些改造弊端,本文提出的設(shè)計(jì)思想是:在盡可能簡(jiǎn)單地改變?cè)Y(jié)構(gòu)的前提下,使常規(guī)機(jī)具有較好的節(jié)能效果,即,通過(guò)改變四桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)比來(lái)得到合理的四桿機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。1游梁后臂再加四桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)圖1是在CYJ8-2.7-48HB型抽油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能改造后的仿真模型。改造型抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)后支座,并在保證原有曲柄存在的前提下,選取原有沖程長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)曲柄錐孔的后一個(gè)錐孔來(lái)縮短曲柄長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)比的改變。這樣,既保證了原有的采收率,又使傳動(dòng)角變大,改善了曲柄受力。改變四桿機(jī)構(gòu)的尺寸可實(shí)現(xiàn)曲柄在上沖程所轉(zhuǎn)的角度大于下沖程,懸點(diǎn)載荷變小,同時(shí),懸點(diǎn)載荷扭矩曲線右移一定角度,有助于懸點(diǎn)載荷扭矩曲線和平衡扭矩曲線較好地疊加,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定2.1建立四桿機(jī)構(gòu)模型將四桿機(jī)構(gòu)在Pro/E中建好模型,引入虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析。虛擬樣機(jī)軟件ADAMS提供了虛擬設(shè)計(jì)制造的軟件平臺(tái),為了便于求解,對(duì)于建立的四桿機(jī)構(gòu)模型做如下假設(shè):a)四桿機(jī)構(gòu)的各桿件都為剛性構(gòu)件。b)將四桿機(jī)構(gòu)間的連接軸承簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)副。c)對(duì)于支架和底座等固定不動(dòng)的構(gòu)件,不參與系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。2.2旋轉(zhuǎn)副運(yùn)動(dòng)學(xué)建模對(duì)于連接約束來(lái)說(shuō),抽油機(jī)的實(shí)際桿件連接都是采用軸承連接,在虛擬樣機(jī)中簡(jiǎn)化為剛性連接,用旋轉(zhuǎn)副來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)副約束2個(gè)構(gòu)件在某一點(diǎn)處繞旋轉(zhuǎn)軸只能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),約束了2個(gè)構(gòu)件之間的3個(gè)平動(dòng)自由度和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,2個(gè)構(gòu)件之間只有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。根據(jù)多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,在旋轉(zhuǎn)副中點(diǎn)分別建立eh0和eh2個(gè)基,如圖2所示。其中,eh0為本地基,eh為動(dòng)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(biāo),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(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,旋轉(zhuǎn)副的相對(duì)角速度和相對(duì)角加速度矢量分別為ωr=P1q˙1ωr=Ρ1q˙1;αr=P1q¨1αr=Ρ1q¨1抽油機(jī)的外力約束條件是驢頭的懸點(diǎn)載荷,懸點(diǎn)載荷是關(guān)于位移的分段函數(shù),由于驢頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng),故懸點(diǎn)載荷是關(guān)于時(shí)間的周期函數(shù)。四桿機(jī)構(gòu)模型建立之后,進(jìn)行模型檢驗(yàn),確定剛體和約束數(shù)量是否正確,驗(yàn)證模型成功后,施加約束和運(yùn)動(dòng),進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。將連桿長(zhǎng)L2和游梁后臂長(zhǎng)L3設(shè)為設(shè)計(jì)變量,分別用LOC-ALONG-LINE(POINT-3,POINT-2,L2)和LOC-ALONG-LINE(POINT-4,POINT-4,L3)來(lái)表示;pt2-x、pt2-z、pt3-x、pt3-z、pt4-x、pt4-z來(lái)參數(shù)化POINT-2、POINT-3和POINT-4的x和z坐標(biāo);曲柄、最小傳動(dòng)值、極位夾角等為約束條件;轉(zhuǎn)矩因數(shù)為目標(biāo)函數(shù),打開(kāi)四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型,輸入目標(biāo)函數(shù),選擇設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化目標(biāo)和約束函數(shù),輸入不同沖程、沖次,對(duì)改造型抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力仿真曲線進(jìn)行對(duì)比,得出結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值。3改造型抽油機(jī)的液壓系統(tǒng)在原動(dòng)機(jī)性能不變的情況下,抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要由四桿機(jī)構(gòu)決定。四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化如表1。其運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能也都發(fā)生了改變,如表2。懸點(diǎn)載荷的大小由懸點(diǎn)的加速度決定,而懸點(diǎn)上、下沖程過(guò)程中的加速度又與懸點(diǎn)上、下沖程過(guò)程中曲柄所轉(zhuǎn)的角度有關(guān)。在改造型抽油機(jī)中,通過(guò)改變抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的尺寸實(shí)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(gè)較大的極位夾角。這樣,在上沖程時(shí),由于懸點(diǎn)的加速度變小,載荷也相應(yīng)變小;在下沖程時(shí),懸點(diǎn)的加速度變大,載荷也變大。運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)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(jī)中比在原機(jī)中載荷和沖程所圍成的示功圖面積必將減小?？梢?jiàn),從載荷方面來(lái)看,有一定的節(jié)能效果。對(duì)于扭矩因數(shù)來(lái)說(shuō),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(duì)比如圖4,可以得出,增大上沖程曲柄擺角,使懸點(diǎn)載荷扭矩曲線在上沖程時(shí)大于180°,即懸點(diǎn)載荷扭矩曲線右移一定角度,有助于懸點(diǎn)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(huì)下降,負(fù)扭矩也會(huì)減小,從而達(dá)到節(jié)能的目的。4優(yōu)化四桿機(jī)構(gòu)1)ADAMS是以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ),通過(guò)建立拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程和對(duì)方程求解來(lái)仿真計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系。運(yùn)用ADAMS對(duì)改造型抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析,可以準(zhǔn)確、快捷地得到剛體的運(yùn)動(dòng)情況和各鉸接點(diǎn)的受力情況,通過(guò)優(yōu)化得到四桿機(jī)構(gòu)各桿件長(zhǎng)的最優(yōu)值。2)通過(guò)運(yùn)用ADAMS對(duì)改造型抽油機(jī)的仿真計(jì)算表明,改變四桿機(jī)