机械系统动力学三级项目说明书

机械系统动力学三级项目报告游梁抽油系统曲柄运动规律的动态仿真学院（系）：机械工程学院年级专业：2012级机设2班小组成员：指导教师：日期：2015/06/29机械系统动力学三级项目目录TOC\o"1-3"\h\u9926一、研究背景及意义 页一、研究背景及意义1.1研究背景目前，采油方法有自喷采油方法和机械采油方法两种。自喷采油法的特点是利用地层本身的能量来举升原油，是最经济的采油方法。但是随着油田的不断开发，地层能量不断消耗，即使是注水开发的油田，它的中后期也出现了水淹和强水淹的现象。为了保证原油稳产、高产，这些油田就不能用自喷法开采。同时由于底层的地质特点，有一些油井一开始就不能自喷。对于上述这些不能自喷的油井，就必须人为的用机械设备给油井内液体补充能量，才能将原油从油井举升到地面，这种采油方法称为机械采油。机械采油法又分为气举法和抽油法两种。气举法的特点是利用压缩气体的能量，把原油举升到地面。而抽油法的特点是将各种结构的泵放到井下进行抽油。从国外石油工业最发达的国家来看，用抽油法开采的井数在生产井数中占绝对多数。在我国，用抽油法开采的井数在生产中占90%以上。用抽油法开采，国内外应用最广泛的抽油设备就是游梁式抽油机，或称作有杆抽油设备。它的结构简单，制造容易，维护方便。游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下深井泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。1.2研究内容及意义通过此次游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真项目的开展，完成游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真分析。在讨论课“游梁式抽油系统曲柄运动规律动态仿真建模”的基础上，完成游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真分析，进一步掌握机械系统动力学仿真的过程和方法。研究内容有：力学与数学模型的建立，包括：悬点运动规律分析、各运动件运动规律分析、等效转动惯量、悬点运动规律分析、等效转动惯量、系统运动微分方程等；数字仿真方法：采用动力学仿真软件、matlab计算平台实现曲柄运动规律的数字仿真;系统动力特性仿真分析,包括：曲柄运动规律分析、悬点运动规律分析、电动机启动过程仿真分析。该项目旨在通过同学们积极思考，利用课堂所学理论知识解决实际工程问题，使其理解和掌握机械系统动力学的基本理论及解题基本方法，提高学生的独立学习能力，应用理论解决实际问题的能力以及团队协作能力。另一方面，通过此次项目可以使同学们初步掌握matlab等数值模拟软件，为同学们今后的深入学习和解决数学模型问题打下良好的基础，从而提高同学们的综合能力。二、抽油机系统参数2.1结构简图游梁式抽油系统示意图1－电动机；2－皮带减速箱传动装置；3－抽油机主体机构；4-悬绳器；5－抽油杆柱；6－油管柱；7－抽油泵2.2电动机已知参数及机械特性2.2.1电动机参数电机型号额定功率/kw同步转速（r/m）满载转速（r/min）过载系数Y250M-63710009802.02.2.2电动机机械特性分析根据电动机一般特性曲线可得出电动机驱动扭矩表达式：其中：将数据代入公式，得其中参数含义如下：—电动机最大扭矩与额定扭矩之比，即过载系数；—电动机的额定功率kw；—电动机的同步转速；—电动机的额定转速；—同步转速；—额定转速。图1电机驱动力矩随的变化2.3抽油机已知参数2.3.1抽油机型号根据抽油机型号，可以确定抽油机传动系统的机构尺寸、运动件质量、转动惯量、质心位置等参数。具体参数包括：R——曲柄半径，m；P——连杆长度，m；C——游梁后臂长度，m；K——基杆长度，m；A——游梁前臂长度，m；I——基杆的水平投影，m；τ——曲柄平衡重滞后角，rad；JB1——小皮带轮转动惯量，kg.m2；JB2——大皮带轮转动惯量，kg.m2；JR1——二级减速箱高速轴（输入轴）系转动惯量，kg.m2；JR2——二级减速箱中间轴系转动惯量，kg.m2；JR3——二级减速箱底速轴（输出轴）系转动惯量，kg.m2；iB——皮带传动比；iR1——二级减速箱的第一级传动比；iR2——二级减速箱的第二级传动比；mQ——单曲柄质量，kg；rQ——曲柄质心半径，m；MC——单侧曲柄平衡块质量，kg；RC——曲柄平衡块质心半径，m；JC——单侧曲柄平衡块相对其质心的转动惯量，kg.m2；ML——连杆质量，kg；JL——连杆相对其质心的转动惯量，kg.m2；JB——游梁组件相对其回转中心的转动惯量，kg.m2。2.3.2油井参数油井参数包括油藏参数与生产参数。根据假设，和数学建模相关的几个参数包括：MR——抽油杆柱质量，kg；——抽油杆柱在液柱中的重量，N；——油井动液面以上整个柱塞面积上的液柱重量，N；——抽油杆柱在液体载荷作用下的静变形，m；各参数具体数值可取：R＝1.064m；P＝3.026m；C＝2.82m；K=4.265m；A＝3.935m；I＝2.82m；τ＝0；JB1＝2.0kg.m2；JB2＝15.0kg.m2；JR1＝3.0kg.m2；JR2＝8.0kg.m2；JR3＝15.0kg.m2；iB=5.0；iR1=5.5；iR2=5.73；mQ=500kg；rQ=1.0m；MC==1000kg；RC=1.2m；JC=100kg.m2；ML=300kg；JL==300kg.m2；JB=1000kg.m2;MR=4000kg；=36000N；=30000N；=0.2m。三、力学模型和数学模型的建立3.1假设条件为便于对每个子系统的建模，作如下假设：（1）电网供电电压与供电频率是常数；（2）不考虑电动机转子到减速箱曲柄轴各传动副的间隙与传动件的弹性变形；（3）在分析抽油机主体机构的运动规律时，不考虑各传动副的间隙与传动件的弹性变形；（4）悬绳与悬绳器在垂直方向上的等效弹簧常数为定值；（5）油管全长锚定或不锚定，当油管不锚定时，考虑液体静负荷引起的油管柱弹性变形；（6)不考虑油管内液柱的振动；（7）假设抽油杆柱与油管同心；（8）油井是铅直的。3.2工作系统各部件分析3.2.1各构件角速度、角加速度的求解图中几何关系为：

将图中各杆件看成矢量，可以得到如下的矢量方程上述矢量方程可以用复变矢量表示为将上式两边对时间t求导，可得到各杆件的角速度为：将上式对时间求导，可得各杆件运动的角加速度：图2随的变化图3随的变化图4随的变化3.2.2悬点位移，速度与加速度（1）悬点冲程长度SPRQUOTE（2）悬点位移PR以下死点为位移零点，向上为位移的正方向，则任意时刻的悬点位移PR为：图5随的变化另外以上死点为位移零点，向下为位移的正方向，则悬点位移为：（3）悬点加速度与加速度悬点向上运动为位移的正方向，则与加速度为：3.2.3扭矩因数图6随的变化3.3等效驱动力矩由参考书可得出电机等效驱动力矩表达式如下：其中：将数据代入公式，得其中各参数含义如下：—电动机输出轴到减速箱输出轴的传动比—电动机输出轴到减速箱输出轴的传动效率—电动机的输出扭矩，—系数当时，当时，图7随的变化3.4悬点载荷曲线321321图中AB、BC曲线是抽油机上冲程，CD、DA曲线是抽油机下冲程—抽油杆在液柱中的重量36000N，即—抽油杆液面以上整个柱塞面积上的液柱重量30000N，即s—悬点冲程长度m—抽油杆在液体载荷作用下的静变形，0.2m3.4.1各段曲线方程由图可知四点坐标如下：A,B,C,D即A(0，36000),B(0.2，66000),C(0.55π，66000)，D(0.55π-0.2，36000)可推出各段曲线方程：AB:BC:CD:AD:图8随的变化3.4.2等效阻力矩由等效阻力矩公式：因此可得出以下四个等效阻力矩：AB:BC:CD:AD:图9随的变化其中以下死点为位移零点，向上为位移正方向，任意时间悬点的位移,已知如下参量:将代入得图10随的变化3.5等效转动惯量3.5.1简化模型将抽油机个构件均简化，以曲柄为等效构件，简图如右：3.5.2等效转动惯量各部件的动能：小皮带轮：其中大皮带轮：其中减速箱高速轴：其中减速箱中间轴：其中减速箱低速轴：其中曲柄：其中平衡块：连杆：其中游梁组件：其中悬点：其中电动机转子：其中将抽油机中所有运动件质量（从电动机转子到抽油机悬点）向曲柄处简化，用作用于曲柄轴上的转动惯量代替系统中的所有质量的转动惯量，这样简化要满足动能相等条件。由，将数据代入公式，化简得图11随的变化3.6系统运动微分方程其中：

四、仿真软件的开发这是使用MATLAB的GUI制作的小型仿真软件。上图是该软件的主界面，主界面主要分成三部分：第一部分为标题栏，可以进行图片的保存（后来出现问题，不能够实现），此外还有设置按钮，可以在绘图区内添加网格和清除网格，还有一个退出按钮，点击退出按钮可以弹出对话框，选择是否退出软件；第二部分是左面的绘图区，可以选择绘制曲线的名称，此外最上方的显示框可以显示可修改的参数；第三部分是右半面的参数区，可以改变相应的参数来观察曲线的变化，从而分析某参数对曲线的影响（在绘制等效转动惯量的曲线时，可以修改全部的参数进行分析）。上图显示可以绘制的全部曲线。当选择好要绘制的曲线名称，点击绘制曲线，弹出一个对话框，显示正在计算，请稍后。上图显示的是改变参数后的不同曲线，进而分析参数的影响。在绘图区右击可以弹出下拉菜单，从而修改曲线的颜色、线宽和线型。上图显示的是在空白处右击或点击标题栏的退出按钮，将弹出对话框，可以选择是否退出软件。五、心得体会通过此次三级项目的开展，我们学到了很多。最初时候根本不知道从何入手，但是经过小组成员的多次讨论以及大家积极的搜集资料，终于有所突破。在项目完成过程中也是困难重重，首先是数值模型的建立，有些量的求解十分困难，比如所等效转动惯量等，最后在大家积极讨论之后，又和其他几个组的同学进行了交流最终得出了结果。另一方面，对matlab大家都从未接触过，所以必须在短时间内，针对此项目的具体问题进行重点学习，大家也是通过从图书馆借书，上网搜索等多种途径进行相关内容的学习，终于通过自己的努力完成了模拟计算。在这个过程中，我们不仅对机械系统动力学的基本理论知识有了更加深刻的理解和掌握，并且对抽油机的具体工作状况也有了一定的了解。在遇到问题时，大家积极交流，各抒己见，不仅学到了很多学科上的理论知识，而且进一步加深了同学之间的感情，增强了自己的团队协作能力。通过对matlab等软件从无到有的学习过程，也进一步提高