石油设备与工具方案设计课程设计-游梁式抽油机优化设计.doc

西南石油大学石油设备与工具方案设计课程设计题目名称： 游梁式抽油机优化设计 学生姓名： 王焜 学生学号 0903030124 专业年级：机械工程及自动化2009（矿机）指导教师： 钟功祥、何畏 评阅教师： 钟功祥、何畏 完成日期： 2013.1.11 1.选题目的和意义（研究的必要性）抽油机是将石油从地下开采到地上的采油设备，它的产生和使用由来已久。其中应用最早、普及最广的是游梁式抽油机。常规游梁式抽油机具有结构简单、容易制造、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位，在今后相当长的一段时间内仍是油田首选的采油设备。但是由于常规游梁式抽油机本身的结构特征，决定了其具有平衡效果差，曲柄轴净扭矩波动大，存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点。所以通过对常规游梁式抽油机杆件尺寸和有关几何参数进行优化设计，找出其最佳匹配关系，达到降低减速器有效输出扭矩目的，从而节约了电能。因此，推广本课题的研究成果可为油田带来巨大的经济效益。2.国内外研究现状分析目前在用的有杆式抽油机主要分为以下几类：目前国、内外研究者主要采取了两个途径：一是在常规游梁式抽油机的基础上改变结构尺寸参数，即改变扭矩因数使悬点扭矩曲线产生变位，或按照变矩平衡原理，研制开发了许多节能高效的新型节能游梁式抽油机，使传统的游梁式抽油机又呈现出了强大的生命力；另一个是从原理到结构形式上另辟新径，研制开发非四连杆机构的新型节能抽油机，如立式无游梁抽油机、电动潜油螺杆泵和无杆泵等。这两大抽油机都已在油田上被广泛采用。3.总体设计方案1) 选择减速器有效输出扭矩作为目标函数，通过约束条件对峰值扭矩和最大扭矩绝对值进行限制。2)认定其净载荷理论示功图如图1所示的抽油机典型载荷模型作为设计依据。假定10型抽油机的原始设计参数为 56抽油泵，下泵深度1700，抽油杆长25.4和22.2各占40%和60%，冲程长度4.2。3)示功图的计算 由表查的10型56的抽油杆型号是，最大冲程为12，电动机采用225-8型，在基本型游梁式抽油机与深井泵组合的特性图上取Q=50m/d，采用美国石油学会推荐的有杆泵抽油系统设计计算方法。3/4抽油杆柱直径为19.05的每米质量为，则7/8的杆柱直径为的每米质量为，同理抽油杆直径为的每米质量为。,。所以，抽汲液体密度=934kg/m（含水34%）。=7850 kg/m为抽油杆（钢）密度。得 （3-17） 忽略沉没度，则L=H。则柱塞截面积为，由抽油泵排量系数表查的，故为考虑沉没压力后，作用在整个柱塞截面积上的液柱载荷，即上冲程中作用在柱塞上、下的载荷差；为考虑液体浮力后的抽油杆柱载荷（即抽油杆柱在液体中的重量），也是下冲程的静载荷。4) 抽油机的平衡计算当抽油机没有平衡装置时，由于上、下冲程中悬点载荷不均衡，满足上冲程负载要求的电动机在下冲程中将做负功，从而出现抽油机不平衡现象。不平衡将造成电动机功率的浪费，降低电动机的效率，缩短电动机及抽油装置的寿命，破坏曲柄旋转的均匀性。要是抽油机在平衡条件下运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功且做功相等。最简单的方法便是在抽油机游梁后臂上加一重物，在下冲程中让抽油杆自重和电动机一起来对重物做功，而在上冲程时，则让重物储存的能量释放出来和电动机一起对悬点做功，即（3-18）（3-19）式中 ，为悬点在上、下冲程做的功；，为电机在上、下冲程做的功；为重物在下冲程储存的能量或重物在上冲程释放的能量。要是抽油机工作平衡，则应使电动机在上、下冲程中所做的功相等，即： 则（3-20）即，为了达到平衡，在下冲程中需要对重物做的功和上冲程中需要重物释放的能量为： （3-21）式（3-21）表明，为了使抽油机平衡运转，在下冲程中需要储存的能量应该是悬点在上、下冲程中所做功之和的二分之一。式（3-21）便是进行平衡计算的基本公式。抽油机的平衡计算，就是在一定抽汲参数条件下，计算为使抽油机工作在平衡状态下所需要的平衡物的重量或确定一定平衡重量物的位置。由于惯性载荷在上、下冲程所做的功等于零，因此在讨论悬点在上、下冲程中所做的功时，可以不考虑惯性载荷。悬点在上、下冲程中所做的功分别为：（3-22）（3-23）将上面结果代入（3-21）中得（3-24） 对曲柄平衡：如图所示，对于曲柄平衡，其重物在下冲程中所储存的能量为（3-25）式中 ，为曲柄自重和曲柄平衡块重；为抽油机本身的不平衡值；，为分别为曲柄平衡半径、曲柄重心半径、曲柄半径。设计时取、0 得 E=2R将上式代入（3-21）中，并考虑s=2ra/b,可得平衡半径R为（3-26）由知,得（3-27） 图3-5抽油机几何尺寸与曲柄销受力图5)净扭矩的计算抽油机的分析如图2-5所示，可从游梁式系统和曲柄连杆系统两部分进行分析。分别在曲柄连杆系统和游梁系统中，取力矩平衡得（3-28）（3-29） （3-30）式中 为悬点运动加速度，；，为分别为作用在曲柄销处的切线力和连杆的拉力，；为折算到曲柄上回旋半径处的平衡重量，。由式（3-29）和式（3-30）消去，可求得复合平衡条件下的扭矩计算公式：（3-31）曲柄平衡抽油机，则扭矩计算公式为（3-32）对于曲柄平衡的抽油机，公式（3-32）中的第一项表示悬点载荷W在曲柄轴上产生的扭矩，称之为油井负荷扭矩，用M表示，可写成 （3-33）令 （3-34）则 （3-35）为称作扭矩因数或扭矩因子，即为悬点载荷在曲柄上造成的扭矩与悬点载荷W的比值。式（3-32）中的第二项表示曲柄及其平衡重在曲柄上造成的扭矩，称之为曲柄平衡扭矩，可写成把曲柄轴上的负荷扭矩M与曲柄平衡扭矩之差，称作净扭矩，用M表示为： （3-36）式中为悬点最大静载荷。，为曲柄与垂线的夹角。 图3-6 抽油机的结构简图由图3-6所建数学模型为：设计变量：目标函数： （3-37）式中，；为曲柄与垂线的夹角。对于游梁式抽油机的优化设计，主要有三种参数限制：即运动参数的约束；耗能参数的约束；动力参数的约束。（1）曲柄存在条件：并规定、取值围保证为最长杆，为最短杆。即 .（2）极位夹角控制：。上冲程曲柄转角为，下冲程曲柄转角为。控制极位夹角可以控制上下冲程 运动时间。（3）曲柄平衡重偏置角限制：。考虑到曲柄结构上实现可能性。当小于时，曲柄上要形成一个凸耳，将影响到平衡重的移动。即。（4） 游梁摆角限制：。因为所以：抽油机最大尺寸限制：。因为，所以（5） 初始角控制：。因为所以（6） 最大负扭矩绝对值限制：。即（7） 峰值扭矩限制：。 即.根据现代机械设计理论及方法，利用MATLAB( )对该模型进行优化求解得：杆件：I=3.29四连杆尺寸：H=3.77m C=2.42m A=4.3m P=3.85m R=1.06m几何角度 ：=12.87 =13.20 =56.33 =32.44 =-11.5性能参数：=2.71 =1.887 =49044=-7869 =25022 =30.8将本次设计的计算参数与目前国内已知的抽油机进行比较可得如下结论：1.抽油机的运动指标，上冲程驴头最大悬点加速度为，低于其它方案。2.抽油机的能耗指标，曲柄轴有效输出扭矩（）电动机有效输出功率（，未考虑减速器传动效率）均低于其它方案。3.抽油机动力指标，减速器峰值扭矩（），最大负扭矩（同样低于其它方案。4.参考