抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

1、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)項(xiàng)目報(bào)告 游梁式抽油系統(tǒng)曲柄運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)態(tài)仿真模型 1一、研究背景1.1簡(jiǎn)介游梁式抽油機(jī)主要由游梁連桿曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成驢頭的上下運(yùn)動(dòng)，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動(dòng)井下深井泵的柱塞作上下運(yùn)動(dòng)，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。游梁式抽油機(jī)具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便等特點(diǎn)。技術(shù)參數(shù)符合中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5044游梁式抽油機(jī)和美國(guó)石油協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)成熟。主要特點(diǎn)：1、整機(jī)結(jié)構(gòu)合理、工作平穩(wěn)、噪音小、操作維護(hù)方便；2、游梁選用箱式或工字鋼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、剛性好、承載能力大；3、減速器采用人

2、字型漸開線或雙圓弧齒形齒輪，加工精度高、承載能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)；4、驢頭可采用上翻、上掛或側(cè)轉(zhuǎn)三種形式之一；5、剎車采用外抱式結(jié)構(gòu)，配有保險(xiǎn)裝置，操作靈活、制動(dòng)迅速、安全可靠；6、底座采用地腳螺栓連接或壓杠連接兩種方式之一。2分類常規(guī)游梁式抽油機(jī) 以常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)為例，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。圖中，1底座；2支架；3懸繩器；4驢頭；5游梁；6橫梁軸承座；7橫梁；8連桿；9曲柄銷裝置；10曲柄裝置；11減速器；12剎車保險(xiǎn)裝置；13剎車裝置；14電動(dòng)機(jī)；15配電箱。游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對(duì)于支架來(lái)說(shuō)，如果抽油載荷和平

3、衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作。3異形游梁式抽油機(jī) 異形游梁式系列抽油機(jī)包括雙驢頭抽油機(jī)、彎游梁抽油機(jī)和對(duì)常規(guī)游梁抽油機(jī)節(jié)能改造的機(jī)型等機(jī)型。異形游梁式抽油機(jī)是以常規(guī)抽油機(jī)為基礎(chǔ)模式而研制出的新機(jī)型，它采用變徑圓弧狀的游梁后臂，游梁與橫梁之間采用柔性件連接結(jié)構(gòu)，在主要結(jié)構(gòu)上具有常規(guī)游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)單，牢靠，耐用等特點(diǎn)，在性能上易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程，并且具有突出的節(jié)能特點(diǎn)。平衡方式1游梁平衡：在游梁的尾部裝設(shè)一定重量的平衡板，這是一種簡(jiǎn)單的平衡方式，適用于3噸以下的輕型抽油機(jī)。4 2曲柄平衡：這是一種在油田上常用的平衡方式。顧名思義是將平衡塊裝在曲柄上，適

4、用于重型抽油機(jī)。這種平衡方式減少了游梁平衡引起的抽油機(jī)擺動(dòng)，調(diào)整比較方便，但是，曲柄上有很大的負(fù)荷和離心力。3復(fù)合平衡：在一臺(tái)抽油機(jī)上同時(shí)使用游梁平衡和曲柄平衡。特點(diǎn)：小范圍調(diào)整時(shí)，可以調(diào)整游梁平衡：大范圍調(diào)整時(shí)，則調(diào)整曲柄平衡。這種平衡方式適用于中深井。 4氣動(dòng)平衡：利用氣體的可壓縮性來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量達(dá)到平衡的目的，可用于10噸以上重型抽油機(jī)。這種平衡方式減少了抽油機(jī)的動(dòng)負(fù)荷及震動(dòng)，但其裝置精度要求高，加工復(fù)雜。51.2我國(guó)石油開采技術(shù)概況 目前， 我國(guó)石油開采技術(shù)仍落后西方。 中國(guó)油田的種類比較復(fù)雜， 主要有中高滲透多層砂巖油田、復(fù)雜斷塊油田，低滲透砂巖油田以及稠油油田。根據(jù)不同的地質(zhì)條件

5、和油田類型，中國(guó)形成了具有特色的 油氣開發(fā)技術(shù)。三元化學(xué)負(fù)荷駁對(duì)提高中國(guó)可采儲(chǔ)量具有明顯的效 益，約可以提高 5 億動(dòng)左右石油開采量。在大慶、勝利等油田進(jìn)行的 先導(dǎo)性試驗(yàn)和礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，都取得了良好的效果，原油采收率平均可以 提高 15%20%。此外，中國(guó)對(duì)其他提高原油采收率的新技術(shù)，如微 生物采油、納米膜驅(qū)油等也進(jìn)行了研究與試驗(yàn)。盡管中國(guó)石油開采技 術(shù)經(jīng)過 50 多年開展已經(jīng)取得很大發(fā)展，但是同西方先進(jìn)國(guó)家相比， 總體上應(yīng)該還有 5 至 10 年的差距。而且從具體的技術(shù)上看，完全屬 于中國(guó)原始創(chuàng)新的技術(shù)比較少， 一部分具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際先進(jìn) 技術(shù)，如聚合物驅(qū)、化學(xué)復(fù)合驅(qū)技術(shù)等，最早也是在模仿

6、學(xué)習(xí)國(guó)外理論和方法上發(fā)展起來(lái)的。6二、游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)總成2.1系統(tǒng)總成7游梁式抽油系統(tǒng)示意圖1電動(dòng)機(jī)；2皮帶減速箱傳動(dòng)裝置；3抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)；4-懸繩器；5抽油桿柱；6油管柱；7抽油泵82.2電動(dòng)機(jī)已知參數(shù)及機(jī)械特性 (1) 電動(dòng)機(jī)參數(shù) 9電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 10電機(jī)特性曲線Md隨n的變化Med=132.789*Md; n=0:0.005:1000;Md=(2*2*360*0.0847*104.7198*(104.7198-pi*n/30)./(0.08472*104.71982+(104.7198-pi*n/30).2);112.3抽油機(jī)已知參數(shù)(1)抽油機(jī)型號(hào)根據(jù)抽油機(jī)型號(hào)，可以確定抽油機(jī)

7、傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等參數(shù)。具體參數(shù)包括：R曲柄半徑，m；P連桿長(zhǎng)度，m；C游梁后臂長(zhǎng)度，m；K基桿長(zhǎng)度，m；A游梁前臂長(zhǎng)度，m；I基桿的水平投影，m；曲柄平衡重滯后角，rad；JB1小皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；JB2大皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；JR1二級(jí)減速箱高速軸（輸入軸）系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；12JR2二級(jí)減速箱中間軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；JR3二級(jí)減速箱底速軸（輸出軸）系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；iB皮帶傳動(dòng)比；iR1二級(jí)減速箱的第一級(jí)傳動(dòng)比；i R2二級(jí)減速箱的第二級(jí)傳動(dòng)比；mQ單曲柄質(zhì)量，kg； rQ曲柄質(zhì)心半徑，m；MC單側(cè)曲柄平衡塊質(zhì)量，kg；

8、 RC曲柄平衡塊質(zhì)心半徑，m；JC單側(cè)曲柄平衡塊相對(duì)其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；ML連桿質(zhì)量，kg； JL連桿相對(duì)其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；JB游梁組建相對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2。13(2)油井參數(shù)油井參數(shù)包括油藏參數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)。根據(jù)假設(shè)，和數(shù)學(xué)建模相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)包括：抽油桿柱質(zhì)量，kg；抽油桿柱在液柱中的重量，N；油井動(dòng)液面以上整個(gè)柱塞面積上的液柱重量，N；抽油桿柱在液體載荷 作用下的靜變形，m。各參數(shù)具體數(shù)值可?。篟1.060m；P3.390m；C2.820m；K=4.280m；A3.935m；I2.82m；140；JB12.0kg.m2；JB215.0kg.m2；JR13

9、.0 kg.m2；JR28.0 kg.m2；JR315.0 kg.m2；iB=5.0；iR1=5.5；i R2=5.45；mQ=500kg； rQ=1.0m；MC=1000kg； RC=1.2m；JC=100kg.m2；ML=300kg； JL=300kg.m2；JB=1000kg.m2;MR=4000kg；=30000N；=36000N；=0.2m。15三、力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立 3.1假設(shè)條件為了對(duì)異相曲柄平衡抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以放映抽油機(jī)動(dòng)力性能的最大扭矩因素為最小目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)尺寸，將整個(gè)抽油機(jī)裝置簡(jiǎn)化為以曲柄為等效構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況，我們做了以下假設(shè)條件：161、 電網(wǎng)供電電

10、壓與供電頻率是常數(shù)；2、 不考慮電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子到減速箱曲柄軸各傳動(dòng)副的間隙與傳動(dòng)件的彈性變形；3、 在分析抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，不考慮各傳動(dòng)副的間隙與傳動(dòng)件的彈性變形； 4、 懸繩與懸繩器在垂直方向上的等效彈簧常數(shù)為定值；5、 油管全長(zhǎng)錨定或不錨定，當(dāng)油管不錨定時(shí)，考慮液體靜負(fù)荷引起的油管柱彈性變形；6、 不考慮油管內(nèi)液柱的振動(dòng)；7、 假設(shè)抽油桿柱與油管同心；8、 油井是鉛直的；9、 連桿與游梁之間的軸承座質(zhì)量忽略；10、游梁與支架之間的軸承座質(zhì)量忽略；11、所有構(gòu)件為剛性構(gòu)件；12、曲柄為等效構(gòu)件；13、求等效力矩時(shí)不考慮全部構(gòu)件的質(zhì)量；14、求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)考慮連桿質(zhì)量；15、懸點(diǎn)載荷簡(jiǎn)

11、化為F16、減速箱效率為0.8806173.2工作系統(tǒng)各部件分析18將圖中各桿件看成矢量，可以得到如下的矢量方程 上述矢量方程可以用復(fù)變矢量表示為將上式兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得到各桿件的角速度為：19將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得各桿件運(yùn)動(dòng)的角加速度： 20 圖為Theta2隨theta變化曲線theta=0:0.005:2*pitheta2=2.219*pi-theta21 圖為Theta3隨theta變化曲線beta=asin(1.064./L).*sin(2.219*pi-theta);theta3=acos(1.2043+L.2)./(6.052*L)-beta;22 圖為Theta4隨thet

12、a變化曲線theta4=acos(1.2043-L.2)./(6.052*L)-beta;23（2）下面討論懸點(diǎn)位移，速度與加速度的計(jì)算公式：A.懸點(diǎn)中程長(zhǎng)度SPR: 24B.懸點(diǎn)位移PR以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移的正方向，則任意時(shí)刻的懸點(diǎn)位移PR為：另外以上死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向下為位移的正方則懸點(diǎn)位移 為C.懸點(diǎn)速度 與加速度 為：懸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)為位移的正方向，則 與 為：25 圖為懸點(diǎn)pr隨theta變化x=acos(L.2-1.2043)./(5.64*L);fi=x+beta;pr=3.935.*(0.372*pi-fi);26（3）扭矩因數(shù) 圖為扭矩因數(shù)tf隨theta變化tf=-1

13、.064*3.935.*sin(theta3-theta2)./(2.82*sin(theta3-theta4);273.3等效驅(qū)動(dòng)力矩28等效驅(qū)動(dòng)力矩29 圖為等效驅(qū)動(dòng)力矩Med隨n的變化Med=151.3508.*Md;303.4懸點(diǎn)載荷分析1,2曲線是抽油機(jī)上沖程3,4曲線是抽油機(jī)下沖程31圖中 抽油桿在液柱中的重量36000N抽油桿液面以上整個(gè)柱塞面積上的液柱重量30000N懸點(diǎn)沖程長(zhǎng)度m抽油桿在液體載荷 作用下的靜變形， 0.2m圖中四點(diǎn)左邊如下32由曲線形狀得1,2,3,4段曲線的方程為：33特s， ， ， 帶入公式得如下結(jié)果：其中以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移正方向，任意時(shí)間懸點(diǎn)

14、的位移 為：已知如下參量：34將 帶入得 35 圖為懸點(diǎn)載荷F隨theta的分段變化F=(180000*pr+30000).*(theta=0&theta=0.1378*pi)+(66000).*(theta=0.1378*pi)+(180000*pr-489025.17).*(theta=0.9631*pi&theta=1.2136*pi&theta=0&theta=0.1378*pi)+(66000.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4)*3.935).*(theta=0.1378*pi)+(180000*pr-489025.17)*3.935.*s

15、in(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4).*(theta=0.9631*pi&theta=1.2136*pi&theta=2*pi);403.7等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1）簡(jiǎn)化后模型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如右圖所示2）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je將抽油機(jī)中所有運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量（從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子到抽油機(jī)懸點(diǎn)）向曲柄處簡(jiǎn)化，用作用于曲柄軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量代替系統(tǒng)中的所有質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣簡(jiǎn)化要滿足動(dòng)能相等條件，即：41: 42:43 圖為Je隨theta的變化Je=107549.7594+102195.885.*(1.064/2.82.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-the

16、ta4).2;443.8系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程非保守系統(tǒng) lagrange方程注意：角速度只是時(shí)間的函數(shù)。45整理的等效構(gòu)件運(yùn)動(dòng)微分方程為將 :46段時(shí):段時(shí)：47段時(shí): 圖為 關(guān)于 t的運(yùn)動(dòng)曲線48 圖為 關(guān)于 的運(yùn)動(dòng)曲線49p=(6*2*pi/10+3.55)/2h=0.0001n=0p_rec(1)=p;x_rec(1)=0;x=0;while x0.448 n=n+1; k1=h*f_x10_9(p,x); k2=h*f_x10_9(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_9(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_9(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k

17、3+k4)/6 x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x;end;while x3.501 n=n+1; k1=h*f_x10_10(p,x); k2=h*f_x10_10(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_10(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_10(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x;end;while x3.72 n=n+1; k1=h*f_x10_11(p,x); k2=h*f_x10_11(p+k1/2,x+h/2) k3=h

18、*f_x10_11(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_11(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x;end50while x2*pi n=n+1; k1=h*f_x10_12(p,x); k2=h*f_x10_12(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_12(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_12(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x;end z=0;h=0.0001;n=0;z_rec(1)