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游梁式抽油机的虚拟样机模型研究
1游梁两侧边固定一个连通网络平衡机构图1显示了cyj12-5-73hb基于波动补偿异相抽油机的新水平提取模型。该抽油机的结构特点是:在普通游梁式抽油机的后部固定一个导轨(与水平方向夹角为45°),在横梁上固定一个连杆装置,可以根据需要在连杆上放置平衡块,连杆装置可以随曲柄的转动在导轨上往复滑动,以达到较好的平衡效果。这种平衡机构的平衡原理相当于游梁平衡方式的平衡原理。但普通游梁平衡方式的游梁式抽油机的游梁平衡重是固定在游梁上某一位置固定不动的,而新型平衡方式的游梁式抽油机游梁平衡重可以在游梁后部的导轨上滑动。其优点:①可以方便地增加或减少平衡块的数量;②可以在抽油机整个运转周期中实现平衡,从而达到节能的目的。2虚拟样机建立的方法虚拟样机技术的流程和传统的设计方法类似,但它们之间又存在着本质的差别。虚拟样机是在计算机上设计的虚拟模型,这使得传统的“设计—比较—优化—改进设计”的循环过程效率大大提高,甚至能够实现自动化、半自动化设计,同时可以节省大量的物理样机试验,降低开发费用。虚拟样机软件ADAMS提供了虚拟设计制造的软件平台。该软件基于多体动力学理论和机械系统仿真方法,提供交互式的建模分析环境,满足用户建立三维实体模型的要求,强大的求解器提供多种多体动力学的求解方法,而且使用计算机语言编写建模程序,使建模和求解更加方便、精确和程式化。为了便于求解,对于建立的抽油机虚拟样机模型做如下假设:(1)由于是进行抽油机的整机动力学分析,必须对抽油机的构件进行简化处理。将连接轴承简化为一个转动副,不考虑轴承的细部结构,不考虑摩擦问题。(2)由于抽油机的主要部件都是刚性的,因而抽油机的各个部件都作为刚体处理。(3)抽油机结构中轴承属于刚性连接,不作柔性处理。(4)对于支架和底座等固定不动的构件,不参与系统的动力学分析,不建立模型,不会影响抽油机整机的动力学参数和性能。(5)抽油机的动力通过电机带动减速箱来提供抽油机曲柄轴近似的匀角速度。为了方便建模和进行对照分析,根据抽油机的不同冲数来提供不同的匀角速度。样机模型建立之后,要进行模型的检验,以确保模型建立的准确性。虚拟样机平台提供了3种模型检验方法:①整体模型检验,即对样机整体进行校核,确定样机刚体、约束数量是否正确,并给出模型的自由度数量,验证模型是否成功;②模型静平衡检验,即进行零秒时的表态力平衡分析,求解器会自动重新配置所有的部件,使所有的力在一个特定的点瞬时达到平衡,每次的静态仿真都是独立于受时间变化影响的速度和加速度,因此不考虑惯性力;③模型装配分析,这是一个初始条件仿真,用以检验所建立的模型中存在的矛盾,初始条件仿真是协调所建立模型中在设计构造上存在的任何配置矛盾,使模型能够完成线性和非线性仿真,同时还能正确地定义连接铰,纠正约束错误。3旋转副的接触问题及约束条件对于连接约束而言,抽油机的实际杆件连接都是采用轴承连接,在虚拟样机中简化为刚性连接,用旋转副来实现。旋转副约束了2个旋转自由度和3个移动自由度,即旋转副是一种有一个相对转动自由度的铰,它约束一个部件相对于另一个部件且绕着2个部件的共同转轴转动,如图2(a)。根据多刚体运动学原理[如图2(b)],在旋转副中点分别建立eh0与eh2个基。其中eh0为本地基,即旋转副作用在两部件相对运动参考物上的连体基;而eh是相对该基运动的另一个部件的连体基,称为该运动副的动基,P与Q重合。令基矢量eh0=eh=P1−→−‚h=Ρ1→‚其中P1−→−Ρ1→是铰轴的单位矢量。令绕P1−→−Ρ1→的转角q1为旋转副的广义坐标。则方向余弦矩阵Ah是q1的函数。若初始转角q10=0,则有Ah=[1000C1S10−S1C1]Ah=[1000C1-S10S1C1]其中S1=sinq1;C1=cosq1。根据刚体运动学规律,旋转副的相对角速度矢量为ω⃗r=P⃗1q˙1ω→r=Ρ→1q˙1因矢量P1−→−Ρ1→固结于铰本地基,相对角加速度为ωˆr=P⃗1q¨1ω^r=Ρ→1q¨1单位矢量P1−→−Ρ1→的本地坐标阵为P′1=(100)T。相对角速度和相对角加速度矢量的本地坐标阵分别为ω′r=P′1⋅q˙1ω′r=Ρ′1⋅q˙1和ωˆω^′r=P′1·q¨q¨1。由于2个基的基点P与Q始终重合,故基点的相对位移、速度和加速度为零。对于运动约束,根据前面的假设,把曲柄轴的转动简化为匀角速度。参考CYJY12-5-73HB型抽油机的冲次要求,取光杆的冲次数n=8min-1,则曲柄角速度ω为48°/s。对于外力约束条件,抽油机只有驴头的悬点载荷。采用统计得到的模型示功图计算悬点载荷。悬点载荷是关于悬点位移的分段函数;由于驴头的往复运动,悬点载荷又是关于时间的周期函数。对于分段函数,采用跃阶变化量函数施加悬点载荷,分段用时间作变量,力函数本身用悬点位移作自变量。因此,首先要写出每一段位移对应的悬点载荷的函数。然后再与每一段时间对应;最后写出跃阶变化量函数表达式,并施加载荷。4游梁式抽油机虚拟样机仿真分析在抽油机原动机性能不变的情况下,主要由四连杆机构决定悬点运动规律,因此,由于这种新型平衡方式的游梁式抽油机没有改变原来的四连杆机构,抽油机悬点运动规律与同型号普通游梁式抽油机悬点运动规律相同。由于样机模型中增加了可滑动的游梁平衡重,虚拟样机的动力学性能必然发生变化。对改装后的抽油机进行虚拟样机仿真分析表明,改装后抽油机的受力状况得到明显改善,这是因为游梁支承轴承水平力对游梁式抽油机的工作可靠性影响较大。图3表示抽油机改装前、后样机模型的游梁支架轴承在X方向受力情况。可以看出,改装前、后动力学规律曲线的变化趋势没有改变,这说明进行改装没有改变抽油机原有的多体动力学变化规律。但是因为增加了游梁平衡重,受力的数值发生变化。游梁支架轴承X方向受力的最大值基本没有改变,但是其最小值却明显增大,受力没有负值,这说明改装后游梁支架轴承的受力情况明显改善。曲柄扭矩代表了抽油机的平衡性能,是衡量游梁式抽油机能耗指标的重要参数也是抽油机动态仿真的重要内容。图4表示虚拟样机仿真分析得到的游梁式抽油机改装前、后的曲柄扭矩变化曲线。从图中可以看出,改装后的抽油机样机模型的最大扭矩和最小扭矩都明显减小,特别是负扭矩有了明显降低,说明抽油机改装后平衡性能得到明显改善,具有较好的节能效果。5游梁式抽油机的虚拟样机分析(1)虚拟样机技术的理论基础是多体动力学理论,通过建立拉格朗日动力学方程和对方程求解,可以精确计算多体系统的运动学和动力学规律,避免了传统解析法引起的误差。用虚拟样机技术对游梁式抽油机进行运动学和动力学分析,可以方便而准确地得到各刚体运动情况和各杆件及铰接点的受力情况,可以预测抽油机产品的性能。(2)用虚拟样机技术对一种
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