游梁式抽油机节能改造的计算机仿真

游梁式抽油机节能改造的计算机仿真

由于结构简单、操作方便、使用寿命长等优点，浮式汽油机现在主要用于大型油田。但由于结构上的不合理性,使得其无法解决平衡效果差、载荷率低、工作效率低、“大马拉小车”、能耗高等缺点。为了追求开采效益最大化,以最少的投入来换取最大的回报,开发节能高效的新型抽油设备就成了油田生产经营者和抽油机设备生产厂致力追求的目标。近年来,对常规型游梁机的各种节能改造不断涌现,如改变游梁结构的双驴头抽油机、偏轮式抽油机及畜能器、变频电动机的研制等。但是,有的改造过余复杂,有的成本较高。针对这些改造弊端,本文提出的设计思想是:在尽可能简单地改变原结构的前提下,使常规机具有较好的节能效果,即,通过改变四杆机构的杆长比来得到合理的四杆机构,从而实现节能。1游梁后臂再加四杆结构的改进图1是在CYJ8-2.7-48HB型抽油机的基础上进行节能改造后的仿真模型。改造型抽油机的结构特点是在缩短游梁后臂的前提下,在游梁后臂和横梁间增加一个后支座,并在保证原有曲柄存在的前提下,选取原有冲程长度对应曲柄锥孔的后一个锥孔来缩短曲柄长度,实现了四杆机构杆长比的改变。这样,既保证了原有的采收率,又使传动角变大,改善了曲柄受力。改变四杆机构的尺寸可实现曲柄在上冲程所转的角度大于下冲程,悬点载荷变小,同时,悬点载荷扭矩曲线右移一定角度,有助于悬点载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线较好地叠加,从而实现节能。2设计参数的确定2.1建立四杆机构模型将四杆机构在Pro/E中建好模型,引入虚拟样机技术ADAMS进行设计参数的计算和运动、动力学分析。虚拟样机软件ADAMS提供了虚拟设计制造的软件平台,为了便于求解,对于建立的四杆机构模型做如下假设:a)四杆机构的各杆件都为刚性构件。b)将四杆机构间的连接轴承简化为旋转副。c)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。2.2旋转副运动学建模对于连接约束来说,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2个构件在某一点处绕旋转轴只能相对转动,约束了2个构件之间的3个平动自由度和2个旋转自由度,2个构件之间只有1个旋转自由度。根据多刚体运动学原理,在旋转副中点分别建立eh0和eh2个基,如图2所示。其中,eh0为本地基,eh为动基。令eh0=eh=AKP1,其中P1是铰轴的单位矢量。令P1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q0=0,则Ah=⎡⎣⎢1000C1S10S1C1⎤⎦⎥Ah=[1000C1S10S1C1]式中,S1=sinq1,C1=cosq1。根据刚体运动学规律,旋转副的相对角速度和相对角加速度矢量分别为ωr=P1q˙1ωr=Ρ1q˙1;αr=P1q¨1αr=Ρ1q¨1抽油机的外力约束条件是驴头的悬点载荷,悬点载荷是关于位移的分段函数,由于驴头的往复运动,故悬点载荷是关于时间的周期函数。四杆机构模型建立之后,进行模型检验,确定刚体和约束数量是否正确,验证模型成功后,施加约束和运动,进行设计参数的计算。将连杆长L2和游梁后臂长L3设为设计变量,分别用LOC-ALONG-LINE(POINT-3,POINT-2,L2)和LOC-ALONG-LINE(POINT-4,POINT-4,L3)来表示;pt2-x、pt2-z、pt3-x、pt3-z、pt4-x、pt4-z来参数化POINT-2、POINT-3和POINT-4的x和z坐标;曲柄、最小传动值、极位夹角等为约束条件;转矩因数为目标函数,打开四杆机构的参数化模型,输入目标函数,选择设计变量、优化目标和约束函数,输入不同冲程、冲次,对改造型抽油机的运动、动力仿真曲线进行对比,得出结构参数最优值。3改造型抽油机的液压系统在原动机性能不变的情况下,抽油机的悬点运动规律主要由四杆机构决定。四杆机构结构参数的变化如表1。其运动、动力性能也都发生了改变,如表2。悬点载荷的大小由悬点的加速度决定,而悬点上、下冲程过程中的加速度又与悬点上、下冲程过程中曲柄所转的角度有关。在改造型抽油机中,通过改变抽油机四杆机构的尺寸实现了上冲程曲柄所转的角度大于下冲程曲柄所转的角度,即存在一个较大的极位夹角。这样,在上冲程时,由于悬点的加速度变小,载荷也相应变小;在下冲程时,悬点的加速度变大,载荷也变大。运动曲线对比如图3。由于最大载荷发生在上冲程,最小载荷发生在下冲程,从示功图上分析,在改造型抽油机中比在原机中载荷和冲程所围成的示功图面积必将减小。可见,从载荷方面来看,有一定的节能效果。对于扭矩因数来说,扭矩因数曲线和扭矩曲线的变化规律是一致的。净扭矩曲线对比如图4,可以得出,增大上冲程曲柄摆角,使悬点载荷扭矩曲线在上冲程时大于180°,即悬点载荷扭矩曲线右移一定角度,有助于悬点载荷扭矩曲线和平衡重扭矩曲线较好地叠加。因此,净扭矩上、下峰值将会下降,负扭矩也会减小,从而达到节能的目的。4优化四杆机构1)ADAMS是以多体系统动力学为理论基础,通过建立拉格朗日动力学方程和对方程求解来仿真计算复杂系统的运动学和动力学关系。运用ADAMS对改造型抽油机进行运动、动力分析,可以准确、快捷地得到刚体的运动情况和各铰接点的受力情况,通过优化得到四杆机构各杆件长的最优值。2)通过运用ADAMS对改造型抽油机的仿真计算表明,改变四杆机