（安全技术及工程专业论文）双天轮直平式抽油机的方案设计和节能研究.pdf

t e c h n oio g yr e m a kin ga n de n e r g yr e s e a r c ho fd o u bie w h e e ia n dd ir e c tb a i a n c ep u m p i n g u n i t a b s t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lp u m p i n g u n i ti ss t i1 1t h em a i no i lr e c o v e r ye q u i p m e n ti n t h eo i lf i e l da tp r e s e n tb e c a u s eo fs i m p l es t r u c t u r e 、c o n v e n i e n to p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c e 、1 0 n gu s ei i f e b u ti tr u n su n e v e n l ya n dc o n s u m e sm u c h ，w h i c hc a n t s a t i s f yt h er e q u e s to fe n e r g y s a v i n g 。s o ，i nt h i sp a p e r ，o no p i n i o no ft h ef a c t ， w em u s td e s i g nan e wt y p ep u m p i n g u n i t w eh a v ed e s i g n e dd o u b l ew h e e la n dd i r e c t b a l a n c ep u m p i n g u n i t ，w h i c hf e a t u r ei sd o u b l ew h e e lr e p l a c et h eb e a mo f c o n v e n t i o n a lp u m p i n g u n i ta n db a l a n c ew e i g h td i r e c tj o i nt h ed o u b l ew h e e l e q u i p m e n ti sf i x e do nt h es h a f to fm o t o rt oa d du pt h em o m e n to fi n e r t i a ，w h i c h c a na d j u s tt h ev e l o c i t yw a v e ，t h e r e f o r et h em o t o rw o r k i n gc o n d i t i o ni m p r o v e d t h e a i mo fe n e r g y s a v i n gi sr e a l i z e d 。 i nt h i sp a p e r ，f i r s t ，w eh a v ed e s i g n e dd r i v es c h e m e ，am a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e da n dt h ea i mf u n c t i o na n dr e s t r a i nf a c t o ra r e1 i s t e d o p t i m a lp r o c e s s i sc o m p i l e db ym e a n so fc o m p o u n dm e t h o dt ow o r ko u tt h er e s u l t ，k i n e m a t i c a l p e r f o r m a n c ea n dd y n a m i c a lp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ec u r v eo fp e r f o r m a n c e i sp l o t t e d w eh a v ea n a l y z e dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee n e r g y s a v i n ge q u i p m e n ta n d h a v ed e s i g n e ds t r u c t u r eo ft h ee n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t a tl a s tt h ec o n c l u s i o n i sg a i n e db yc o m p a r i n gt h er e l a t i r ep a r a m e t e r sa n dc u r v eo fp e r f o r m a n c e t h i sn e wm e t h o di sd e s i g n e di nv i e wo fp r a c t i c a lc o n d i t i o na ts p o t e x c e l f e n c e e n e r g y s a v i n ge f f e c ta n de c o n o m i cb e n e f i tw i l lb eo b t a i n e d k e yw o r d s ：d o u b l ew h e e l 、d i r e c tb a l a n c e 、o p t i m a ld e s i g n 、p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 、 p o w e r 、e n e r g y s a y i n ge q u i p m e n t 、e n e r g y s a v i n g 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 抽油机应用简介 第一章绪论 抽油机是有杆抽油系统的地面动力传动设备，是构成“三抽”系统的主要组成部分。 抽油机的产生和使用己经有了一百多年的历史。发展到现在，抽油机的种类可谓繁多， 主要有游梁式抽油机和无游梁式抽油机两大类。其中游梁式抽油机的应用最为广泛，各产 油国仍然在大面积使用。游梁式抽油机具有结构简单，制造容易，可靠性高，耐久性好， 操作维护方便，适应现场工况，使用寿命长并且一次性投资少等特点，在今后相当长一段 时间内仍然是油田首选的采油设备。但是由于常规机本身结构特征，决定了它平衡效果差， 曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩，载荷率低，工作效率低和能耗大等特点。随着个大油田 逐渐进入开发的中后期，油井含水量不断上升，使生产成本不断增加，常规游梁式抽油机 已经不能满足需要，因此需要开发各种新型节能抽油机来满足降低成本，节能降耗的要求。 近2 0 年来，世界抽油机技术发展较快，科研人员研究开发了多种新型抽油机，特别是无 游梁式抽油机的产生解决了很多常规机出现的弊端。这些新机型的特点是：增加了抽油机 的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽油机的性能，提高了抽油效率，减少了动 力消耗；提高了抽油机的平衡效果，改善了抽油机的动力特性、运动特性、平衡特性；增 加了抽油机的使用范围，减少抽油机的体积和质量，强化了抽油机的自动化和智能化程度。 因此，研制开发新型节能抽油机是当前亟待解决的问题。 1 2 国内、外抽油机技术发展水平及发展方向 1 2 1 国内、外游梁式抽油机技术现状 目前，世界上生产抽油机的国家主要有：美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。 全世界生产抽油设备的公司有3 0 0 多家，其中生产抽油机的公司有1 5 0 多家。美国生产的 抽油机品种最多，技术最先进，应用范围最广泛。 我国抽油机制造业已经有5 0 多年的历史，经过了进口修配，仿制试制，设计研制三 个阶段。5 0 年代以前以进口为主，修配为辅。6 0 7 0 年代在仿制的基础上进行试制。1 9 7 5 年制定国产抽油机的基本型式和参数，1 9 8 1 年制定了抽油机结构尺寸及技术条件，从此 开始自行设计，研究制造国产抽油机，逐渐实现国产化，不仅满足自给，而且还部分出口。 目前，我国已经有兰州石油机械厂、兰州通用石油机械厂、宝鸡石油机械厂、第二石油机 械厂、第三石油机械厂、第四石油机械厂，江汉石油机械厂、抚顺石油机械厂、大庆总机 厂、玉门总机厂，大港总机厂等3 0 多家抽油机制造厂，兰石，兰通等石油机械厂先后获 得a p i 商标使用许可证，抽油机出口美国，从而使抽油机打入国际市场，跻身子世界先 进行列。我国无游梁式抽油机研制起步较晚，但是今年来发展较快”j 。 1 22 今后抽油机的发展方向 第一章绪论 抽油机的发展趋势主要朝以下几个方向 1 ) 大型化方向发展 随着世晃油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也不断增大，采 用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机。所以，近年来国外出了许多 大载荷抽油机，例如前置式气平衡抽油机最大载荷2 1 3 k n 、气囊平衡抽油机最大载荷 2 2 7 k n 等，将来会有更大载荷抽油机出现。 2 ) 低能耗方向发展 为了减少能耗，提高经济效益，近年来研制与应用了许多节能型抽油机。如异相机、 双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装 置和控制装置。 3 ) 朝着高适应性方向发展 现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范围。例如适应各种自然地理和地质 构造条件抽油的需要；适应各种成份石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适 应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无 电源和间歇抽汲的需要；适应油画抽汲的需要。 4 ) 朝着长冲程无游梁式抽油机方向发展 近年来国内、外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁式抽 油机，增大冲程无游梁式抽油机和长冲程无游梁式抽油机。实践与理论表明，增大冲程无 游梁式抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁式抽油机是长冲程抽油机的发 展方向。 5 ) 朝着自动化和智能化方向发展 近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。b a k e r 提升系统公司、 d e l t a - x 公司、a p s 公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井 运动参数及时显示与记录，并通过综合计算分析，得出最优工况参数，进一步指导抽油机 在最优工况抽油。n s c o 公司职能抽油机采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监 测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、经济性好、适应性强等优点【2 】。 总而言之，抽油机将朝着节能降耗并具有自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平 衡等方向发展。 1 2 3 现有抽油机主要存在的问题 游梁式抽油机的有杆泵全系统的总效率在国内一般地区平均只有1 2 , - - 2 3 ，先进地 区至今也不到3 0 。美国的常规抽油机系统效率较高，但也仅有4 6 。系统效率低，能 耗大，耗电就多。因此，节能成为有杆抽油系统的一个亟需解决的问题。 此外，随着老油l i t 油井的注水开发，油田已进入高含水采油期。不断提高产液量，以 液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的冲程越 长越好，使得在役的常规游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足长冲程、低 冲次的要求。 1 系统效率低的原因 究其原因，有杆抽油系，是由电机、地面传动设备及井下抽油设备组成，系统 效率是各个部分效率的连乘积，任何一环的效率变低，都会使总效率变低，因此要提高抽 油系统的总效率实现节能是一个复杂的系统工程问题。 2 抽油机能耗大的原因 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的能耗因地面机型不同而会发生差异。如 示功图会有所改变，表明泵的充满度、光杆功率的变化。 1 ) 抽油机的负荷特性与异步电动机的硬的转矩特性不相匹配，甚至出现“电动机” 工况，出现能量二次转化。一般电动机的负载率过低，约为3 0 ，致使电动机以较低的 效率运行。 2 ) 电动机在一个冲程中的某个时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态， 抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电网不能全部被电 网吸收，引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器齿轮经常受反向载荷，产生背向 冲击，降低了抽油机的使用寿命。 3 ) 常规抽油机扭矩因数大，载荷波动系数c l f 亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。 4 ) 常规抽油机运行的悬点加速度、速度的最大值过大，影响悬点载荷，动载增大。 采用对称循环工作制使泵充满度下降，影响产量，泵效率低，能耗亦增大【3 j 。 1 3 抽油机节能技术及发展情况 抽油机节能技术目前主要从以下几个方面进行研究 1 ) 改进抽油机结构。这种方法主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油 机平衡方式来改变抽油机曲柄净扭矩曲线的形状和大小，见效负扭矩，使扭矩波动平缓， 从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。例如：美国 c m i 公司研究开发t o r q m a s t e r 异相型抽油机，其最大扭矩减少6 0 ，节电1 5 9 扣3 5 ；美 国l u f i l i n 公司开发的m a r k i i 型前置式抽油机，平均节电3 6 8 ，单耗下降1 4 8 7 ；1 9 9 1 年由华北油田采油一厂开发的双驴头节能抽油机与常规机相比，该机系统效率提高了 8 ，2 2 ，但耗下降2 4 5 。 2 ) 采用节能驱动设备。这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机， 使之与采油井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转差 率的电动机( 转差率8 1 3 ) 和朝高转差率电动机代替常规转差电动机( 转差率小于 5 ) 。美国b a l d o r 电器公司生产的高转差率电动机驱动抽油机可提高功率因数7 4 ，节 电2 2 7 ；在国内，超高转差率电动机有功节电率为1 0 5 6 ，综合节电率为1 7 4 2 ：还有 采用同步电机、变频器等，但因造价高，难以推广；另外，还有采用节能配电箱来实现节 电的。 3 ) 采用节能控制装置。如d s c 系列抽油机多功能程控装置、间抽定时控制装置。 4 ) 采用节能原部件。如窄v 型带传动或同步带传动等。 5 ) 改进平衡方式。如采用气动平衡或天平平衡等。 6 ) 改进“三抽”系统部件。有采用抽油杆导向器、空心抽油杆、减震式悬绳器等部 件，都可提高三抽系统的工作效率，达到节能的目的。 7 ) 采用高效节能泵，提高泵效，即降低了百米吨耗，实现节能【4 - ”j 。 总之，近年来抽油机节能技术的研究已经成为科技攻关的方向。以上七种方法都已经 取得了显著的节能效果。 1 4 研究本课题的理论意义及应用价值 第一章绪论 1 4 1 本课题研究的理论依据 随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，为了保证原油的稳产、高产，机械采油法 已经成为广泛采用的一种方法。我国有机采油井5 万多口，占油井总数的8 0 左右，而 抽油机是主要耗电设备，因此针对抽油机节能降耗，多年来国内、外开展了各项推广与研 究工作，取得了明显的经济效益。 目前，在用的抽油机系统效率一般在2 0 3 0 之间，因此研制一种新型节能抽油机 势在必行，这就为本课题的研究提供了广阔的领域。 14 2 本课题研究的理论意义及应用价值 本课题是针对天然气总公司提出的“节能降耗”要求展开的。其理论意义在于找出机 械采油中节能降耗的技术关键和理论依据，对双天轮直平式抽油机结构进行优化，使其提 高经济效益。双天轮直平式抽油机是油田采油机械中的新型设备，对它进行深入研究，又 有创新，采油机械中又增添新品种，因而具有较高的理论意义。如果推广本成果，必将为 油田生产提供新的动力，对稳产增效，节能降耗，发展油田生产有很重要的应用价值。 1 4 3 本课题研究的主要内容 本文利用优化设计的方法，对双天轮直平式抽油机的主要结构参数进行优化，寻求最 佳的几何参数，从运动学和动力学的角度，分析悬点的运动规律和减速器曲柄轴及电动机 的动力性能。并对优化后的该机与常规游梁式抽油机的运动、动力性能进行对比，最后得 出相应的结论。 具体内容如下 1 ) 开展对新机型的方案设计，建立设计的运动简图。 2 ) 建立相应的数学模型，编制计算软件对新机型的主要结构尺寸进行优化设计，确 定主要结构尺寸。 3 ) 进行运动学和动力学的计算分析。 4 ) 与常规游梁式抽油机的运动、动力性能进行对比。 5 ) 得出相应的结论。 4 火庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章新机型的方案设计 2 1 传动方案的设计 尽管抽油机的种类很多，但是在油田上被普遍采用的抽油机种类并不多。目前，应用 最广泛的是机械平衡式抽油机。它主要由游梁、驴头、横梁、连杆、曲柄、减速箱、制动 机构、支架、底座，悬绳器、平衡重及原动机等组成。因此，根据油田上被普遍采用的常 规抽油机以及国内、外现行的节能抽油机实现动作所依赖的机构，将机构方案定为四连杆。 传动方案如图2 1 所示。 2 1 图2 - 1 传动方案 f i g 2 - 1d r i v es c h e m e 下面将双天轮直平式抽油机区别于常规游梁式抽油机的地方进行分析如下： 1 ) 双天轮 常规抽油机的驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运动。 我们将常规游梁式抽油机的游梁以及驴头部分改成双天轮机构，这样就简化了结构，并且 能够满足运动要求。为了满足冲程的要求，我们可以让天轮旋转较大角度，这样，大转角 乘以小半径仍然能够实现规定的冲程。 2 ) 平衡重 由于常规游梁式抽油机上、下冲程的载荷很不均匀，上冲程时，驴头需要提起抽油杆 柱和油柱，而下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，这样使发动机做功极不均匀。为了 使上、下冲程发动机做功均匀，采用了平衡重结构。游梁式抽油机平衡重可分为游梁平衡 重和曲柄平衡重。而双天轮直平式抽油机采用直接平衡，即平衡重直接连接在天轮上，这 样就大副降低了悬点负荷，改善了连杆、曲柄的受力状态。 3 ) 极位夹角 第二章方案设计 抽油机在整个工作过程中所要承受的载荷相当大，并且还要保证抽油机的工作寿命， 所以就要降低抽油杆的运动速度。因此，采用了极位夹角，即在整个周期中，上冲程时间 较长，下冲程时间较短。 4 ) 电动机 电动机是抽油机的动力源。由于常规游梁式抽油机负扭矩大以及扭矩波动不平缓，从 而造成了电动机工作不平稳、工作效率较低的现象。双天轮直平式抽油机采用天轮上直接 平衡的方法，使电动机在整个抽油过程中所要克服的扭矩就大为减少，并且在电动机轴上 加装了节能装置，那么电动机的装机功率和实耗功率均有大幅下降。 5 ) 结构尺寸 在设计的过程中始终注意现行抽油机的结构尺寸，让双天轮直平式抽油机尽量比现行 抽油机型结构简单，以便于双天轮直平式抽油机的制造、加工和维护，这样有利于该机型 的市场经济效益。 2 2 传动原理 如图2 一l 所示，l 为电动机、2 为v 带、3 为减速器、4 为曲柄、5 为连杆、6 为平衡 重、7 为双天轮、8 为钢丝绳。电动机通过三角皮带传动带动减速箱，电动机的速度经过 减速箱减速后，再通过曲柄、连杆、天轮将减速箱输出轴的旋转运动变为天轮的往复旋转 运动，天轮的往复旋转运动带动抽油杆作上下往复直线运动。 图2 - 2 传动原理 f i g 2 - 2 d r i v ep r i n c i p l e 实际上双天轮直平式抽油机的传动原理与常规机是一样的，双天轮的后天轮相当于常 规机的游梁后臂，前天轮相当于常规机的游梁前臂，抽油杆变成了弹性钢绳。主要运动部 件如图2 2 所示。图中1 是曲柄，2 是连杆，3 是后天轮( 相当于游梁后臂) 。 2 3 该传动方案的特点 1 ) 该机采用双天轮结构代替了常规游梁式抽油机的游梁，并且是双跨式，这样有利 于修井作业，使之不必让开井口。 2 ) 该机采用无游梁直接驱动，缩短了传动链，使传动效率提高到9 0 3 ) 平衡重直接连接在天轮上，大副降低了悬点负荷，改善了连杆、曲柄的受力状态， 使连杆和曲柄不易发生断裂，增加了使用寿命，提高了该机的安全可靠性。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 4 ) 增大了极位夹角，实现了“上慢下快”的运动方式，增加了泵的充满度，提高了 产液量。 5 ) 由于采用了无游梁驱动，该机的整体结构比常规游梁式抽油机更加简单。 第三章双天轮直平式抽油机结构参数优化设计 第三章主体尺寸的优化设计 3 1 该机主要结构尺寸的优化设计 3 1 1 建立数学模型 3 1 1 1 设计变量 图3 1 是双天轮直平式抽油机的机构模型示意图，显然连杆长p ，垂直中心距h 、水 平中心距，、曲柄回转半径最、后天轮半径e 是决定抽油机结构的独立台勺参数，因此选取 p 、h ，、r 、c 作为设计变量，即 x ：【p h i r c 】t ：( 。l 柚x 3 抽x 5 】1 ( 3 1 ) 图3 - 1 抽油机机构模型示意 f i g ，3 1 t h es k e t c ho fp u m p i n gu n i t 3 11 ，2 目标函数 目标函数是优化设计的准则和基础，采用不同的目标函数，所得到的优化结果也不同， 有时差别甚至很大。目前，国内在抽油机结构优化设计中所选择的目标函数主要有以下几 种： 1 ) 以悬点上冲程的最大加速度。c 。最小为目标函数，以期获得最小的动载荷； 2 ) 以悬点上冲程最大扭矩因数j f 一最小为目标函数，改善减速箱曲柄扭矩特性； 3 ) 以曲柄轴上均方根扭矩 磊最小为目标函数，以期获得波动最小的曲柄扭矩曲线， 大庆石油学院硕士研究生学位论文 从而达到节能的目的： 4 ) 以抽油机能耗最少为目标函数。 前两种目标函数只取决于抽油机的机构尺寸，它决定了抽油机动力性能的优劣；后两 种目标函数既取决于抽油机的机构尺寸，也取决于最大平衡扭矩。因此，后两种目标函数 的优化结果会优于前两种。 本方案以曲柄扭矩因数均方根矾最小为目标函数 1 7 - 1 9 ，即 t f ( x ) = 珥 ( 3 2 ) 式中：矾为曲柄轴扭矩因数均方根，可由下式求得 玩= 痧 t e 2 a q + 嗳睦+ + 孵只 q + 岛+ r 。+ 岛 式中：砰为曲柄轴瞬时扭矩因数( 随曲柄转角目而变) ，m ：口为曲柄转角，d e g 。 扭矩因数是指单位悬点载荷在曲柄上所产生的扭矩，它的值取决于抽油机的几何尺寸 和曲柄转角o ，其大小为 陋：兰r ! 坚( f = l 、2 、3 7 2 ) ( 3 - 3 ) c s i n 崩 式中：a 为游梁前臂长，； c 为游梁后臂长，m ； r 为曲柄旋转半径，m ； 臼为曲柄与连杆的夹角，其大小为 嘎= 2 万+ 属+ 妒一日+ a ； ( 3 4 ) 口为基杆与竖直方向的夹角，其大小为 a = 一( 书 届为连杆与游梁后臂的夹角，即传动角 f l l = c o s - i 些生等坠幽 k 为基杆长度，其大小为 k ：导 寻 ，为水平中心距，m ； 日为垂直中心距，m ； 口为游梁与基杆的夹角，其大小为 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 第三章取天轮直平式抽油机结构参数优化设计 2 1 1 3 约束条件 2 0 - 2 1 】 1 ) 最大冲程长度。的限制条件 g ( 1 ) = ( 吼一一吼。) a - 氏。= o ( 3 8 ) ( 3 9 ) 式中：仍。为游梁后臂与基杆之间的最大夹角， 仍一s 。【生掣l ； 吼m m 为游梁后臂与基杆之间的最小夹角， s 。l 生掣| o 2 ) 机构极为夹角a 的限制条件 g ( 2 ) = 卜1 8 8 ：r o o ( 3 - 1 0 ) g ( 3 ) = 斋珑。 ( 3 - 式中：a 为曲柄和连杆拉直共线与重叠共线，即驴头悬点处于上、下死点时曲柄所夹的夹 锐角，称为极位夹角，其大小为 a = 仍一一伊2 一 其中：妒：为曲柄和连杆拉直共线时基杆与连杆之间的夹角， c o s 。1 帮 。为曲柄和连杆重叠共线时连杆与基杆之间的夹角， 3 ) 初始角丑的限制条件 4 ) 曲柄存在的限制条件 1 0 一s 1 觜 l 、儿，n g ( 4 ) = 面1 5 n + 伊：。一口o ( 3 1 2 ) 一一 大庆石油学院硕士研究生学位论文 g ( 5 、= p + c r k - 0 5 ) 天轮悬点半径与销子作用半径( 前、后臂) 比值的限制条件 g ( 6 ) = c a 2 0 g ( 7 1 = 1 , 5 a c 0 3 1 2 优化算法 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 复合形法是由勃克斯( m j b o x ) 于1 9 6 6 年提出的，它是单纯形法的发展和改进， 可用于求解非线性有约束极小化问题，并在一定程度上可以避免迭代过程中出现的退化现 象，因而使其在工程中的使用日趋普遍。显然，上述结构参数优化设计属于不等式约束的 多元非线性优化问题，因此本文采用复合形法编制优化设计程序。 l 钐 、 6 l 0 1 图3 - 2 复合形法择优过程 f i g 3 - 2o p t i m i z i n gt l l u s t r a t i o no fc o m p o s i t e dm e t h o d 复合形法的基本原理如下： 复合形法可以求解的模型为 m i r i f ( x ) x = h ，屯，l ，) 7 r e 月” s u b - g ，( x ) o ， ，= l ，2 ，l ， ( 3 1 6 ) a t 巨， i = 1 ，2 ，l ，n 。 如以上模型，胙0 l 抛) 1 ，= l ，f - 2 。则它们的一般图形如图3 2 所示。有影线部分为设 计可行域，优择过程应在该域内进行，否则所得结果将无实用价值。 复合形法的择优过程大致为 1 ) 确定初始设计变量m 的基础上，按一定方法共确定2 n 或多于n + 2 个点，这些点都 第三章双天轮直平式抽油机结构参数优化设计 必须在设计可行域内，如为二维问题，则可取四个点构成复合形。 2 ) 算各点函数值，并找出最大函数值对应的点肠。 3 ) 计算除点函以外的点集中心j ，c 。 4 ) 联眦，并在其延长线上求出映射点。 5 ) 计算映射点x 。的函数值，验算其是否满足全部约束。如果不满足，可改变映射系 数，直到全部满足，并达到f 。) f ( 拍) 为止。 6 ) 然后用j 。代替肠，构成新的复合形。 7 ) 重复以上有关步骤，直到满足收敛条件为止。 初始复合形可根据任意选点法或伪随机数法构成。 根据以上分析，编制了优化程序【2 2 。2 8 】，程序框图如图3 3 所示。 3 2 优化结果分析 选用v i s u a lb a s i c 语言进行编程，优化结果如图3 3 所示，优化程序框图如图3 4 所 示。本文以c y j l 0 3 5 3 h b 型游梁式抽油机为例，优化后与常规抽油机结构参数对比见表 3 1 。 图3 - 3 优化设计计算结果 f i g 3 - 3c a l c u l a t e dr es u l to fo p t i m a ld es i g n 大庆石油学院硕士研究生学位论文 3 第三章双天轮直平式抽油机结构参数优化设计 图3 - 4 优化程序框图 f i g 3 - 4f 1 0 wc h a r to fo p t i m i z a t i 0 1 2 上述尺寸优化结果是计算机编程实现的，我们将上面优化结果中的垂直中心距( h ) 、 水平中心距( ，) 、后天轮半径( c ) 以及曲柄回转半径( r ) 的值进行四舍五入，即：h 为4 1 m 、，为2 7 m 、c 为1 7 m 、r 为l o m 。为了准确，对于结构尺寸的具体确定，我们 还采用了计算机绘图的方法。我们只需要赋值垂直中心距、水平中心距、后天轮半径、曲 柄回转半径以及极位夹角，计算机将会算出连杆的长度，然后结合a t u o c a d 绘图我们就能 给出各个具体尺寸。通过计算我们将连杆尺寸定为4 2 5 m 。 1 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 表3 - 1 结构参数对比 t a b 3 - 1c o m p a r is o i l1is to fs tr u c t u r a lp a r a m e t e l s 从表3 - 1 可以看出，双天轮直平式抽油机的水平中心距和垂直中心距变大，前臂长、 后臂长以及曲柄回转半径相对于c y j l 0 3 5 3 h b 减小。极位夹角 由1 8 7 1 。变为 1 3 0 0 0 。，由常规游梁式抽油机的“近似对称循环”工作制变为“非对称循环”工作制， 即在整个运动周期中，上冲程运动时间较长，下冲程的时间较短，真正实现了“上慢下快”， 提高了泵的充满度和泵效，有利于提高产液量。初始角由原来的2 7 1 2 。变为t 5 0 0 0 9 ， 最小传动角卢曲由5 6 7 3 9 。变为6 9 1 5 2 。，最小传动角卢。变大，改善了抽油机四杆机 构的传动性能，提高了传动效率，减小了连杆和曲柄销的受力以及运动副之间的磨损。 第四章双天轮直平式抽油机运动分析 第四章双天轮直平式抽油机运动分析 4 1 悬点运动分析 在分析悬点运动规律时，目前一般采用两种分析方法：一是简化分析方法；二是精确 分析方法。简化分析方法可分为两种：一种是简化为简谐运动：而是简化为曲柄滑块机构。 简化分析方法的研究结果可用于一般计算和分析。但是做精确的分析计算和抽油机机构设 计时，则有必要按精确分析方法来研究抽油机的实际运动规律 2 9 1 。在精确分析抽油机的 运动规律时，复变矢量法是一种比较简单的方法。根据所设计的抽油机的结构，我们对其 进行了简化。如图4 1 所示为双天轮直平式抽油机的运动分析简图。下面我们就对它进行 具体的运动分析 3 0 - 3 6 】。 图4 - 1 运动分析 f i g 4 - 1 k i n e m a t i ca n a l y s is 1 ) 曲柄转角臼从1 2 点钟位置算起，角速度沿顺时针方向时取为正值。 2 ) 各杆件的参考角岛、岛、只等角度均从基杆算起，并且沿逆时针方向取为正值。 图中几何关系为 ( 去 最= 2 7 r p + “ 三：r 2 + k 2 - 2 r k c o s 8 2 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) 大庆石油学院硕士研究生学位论文 f l = s i n - 1 隆n 岛) 0 3 = c o s - 1 ( 等卜 0 4 = c o s - t ( 与等 一筘 图4 1 中各矢量有如下关系式 页十p 一= k 一+ 0 上述矢量方程用复变矢量可表示为 r e , o z + a 拍：k + c d e , 将上式两边对时间求导可得 r 0 2 i e t 岛+ p e 3 i e ? 8 = c o j e ? 8 4 ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) 或 r 0 2 i c o s 0 2 一r 8 2 s i n 0 2 + p e 3 i c o s 0 3 一p e 3 s i n o ；= c 0 4 i c o s o , 一c a , s i n 0 4 令方程两边实部和虚部对应相等，则可得如下方程组 r 8 2 c o s 0 2 + p 8 j c o s 0 3 = c o , c o s 0 4 五日2s i l l 岛+ 尹岛s i n 只= c a , s i n 0 4 将上述联立方程两边对时间t 求导，可求得速度，即 良：丝s i n ( ，o , - 0 2 、) ( 4 1 0 ) ps i n ( 只一只) 幺= 等，丽s i ( e 3 丽- 0 2 ) ( 4 - 1 1 ) 将式( 4 1 0 ) 、( 4 - 1 1 ) 两边对时间t 求导，可求得加速度， 即 毡= 谚隆( 皂一幺) c o t ( b 训+ ”幺) c o t ( 只 奠= 幺陪( 岛一钔c o t ( 岛训+ ( 晚一包) c o t ( 岛一 悬点速度砭及加速度可由下式算出 4 2 运动性能对比 42 1 计算结果对比 k = 只- a口。= 只- a 已) 刚 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 1 7 第四章双天轮直平式抽油机运动分析 经过上面的分析，通过计算机计算得出结果，并与c y j i o 一3 5 3 h b 常规游梁式抽油机 的运动性能进行对比如下： 袁4 - 1 运动性能对比表 t a b k i n e m a t i csa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ec o n t l as t 从上表可以看出：最大加速度下降了1 8 4 ，最大速度下降了2 7 7 1 ，改善了运动性 能，加速度的降低减小了抽油杆柱和油柱惯性载荷对悬点载荷的影响，降低了悬点载荷， 改变了受力状态，使该机的可靠性能增大，同时悬点载荷降低可以使曲柄销的受力变小， 减小了曲柄轴上的扭矩。因此，可以减小电动机的能耗，实现节能。 4 2 2 运动性能曲线对比 在实际井况参数下，双天轮直平式抽油机与常规游梁式抽油机c y j l 0 3 5 3 h b 的运动 曲线对比如图4 2 、4 3 所示，井况参数见表4 2 。 表4 - 2 井况参数 f i g 4 - 2w e l1p a r a m e t e r 大庆石油学院硕士研究生学位论文 常规游梁式抽油机c y j l 0 3 5 3 h b 文m ) ；h m s ) ；a ( n v s ：) 八 步j 义 过蚁。一：d 位移：s 。x = 3 0 0 0 m 速度：。= 1 5 2 1 m s i 。= 一1 3 9 6m s 加速度：止；= 2 0 2 4 m s 2a 。一1 1 8 0 m s 2 图4 - 2c y i l 0 3 5 3 h b 型游粱式抽油机运动曲线 f i g 4 - 2k i n e m a t i cc u r v eo fc y j l0 - 3 53 h b 双天轮直平式抽油机： 研m ) ；v ( m s ) ；x ( n g s 2 ) 3 1 0 l 1 6 5 l 1 0 9 3 l 。0 1 4 i 7 8 1 g ) _ 弋6 0 粕 位移：品。= 3 0 0 0 m 速度：。= 1 0 9 3 m s 。一1 7 8 1m s 加速度：几。= 1 6 5 1 m s 2a 。一1 0 1 4 m s 2 图4 - 3 双天轮直平式抽油机运动曲线 f i g 4 - 3k i n e m a t i c c h r v eo fd o u b l ew h e e la n dd ir e c tb a l a n c e 9 3 2 。 o q q 第五章双天轮直平式抽油机动力分析 第五章双天轮直平式抽油机动力分析 5 1 悬点载荷的确定 悬点载荷是表明抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设计技术和选择使用的 主要根据。当抽油泵工作时，抽油机的悬点上作用有以下六项载荷【3 “6 】： 1 ) 抽油杆柱自重p # ( 它在油中的重量为p # ) ，作用方向向下； 2 ) 油管内、柱塞上的油柱重p 。( 即柱塞面积减去抽油杆面积上的油柱重) ，作用方 向向下； 3 ) 油管外油柱对柱塞下端的压力_ 尸。，尸。的大小取决于泵的沉没度，作用方向向上； 4 ) 抽油杆柱与油柱运动产生的惯性载荷p * * 和pm m ，它们的大小与悬点加速度的大 小成正比，而作用方向与加速度的方向相反； 5 ) 抽油杆柱与油柱运动所产生的振动载荷p 灌，p 的大小和方向都是变化的； 6 ) 柱塞与泵筒间、抽油杆和油管的半干摩擦力p + ，抽油杆柱与油柱间、油柱与油 管间以及油流通过抽油泵游动阀的液体摩擦力p 镕，j p 。* 和p 摩+ 的作用方向与抽油杆的 运动方向相反，其中游动阀的液体摩擦力只在泵下冲程、游动阀打开时产生，所以它的作 用方向只向上。 上述1 ) 、2 ) 、3 ) 三项载荷与抽油杆的运动无关，称为静载荷：4 ) 、5 ) 两项载荷与抽 油杆的运动有关，称为动载荷；6 ) 硕载荷也与抽油杆的运动有关，但是在直井、油管结 蜡少和原油粘度不高的情况下，它们在总作用载荷中占的比重很小，约占2 5 ，一般 可以略去不计。下面分别讨论以上几种载荷。 抽油杆在空气中的重量p * 为 p 许= ；r p r l g = f r y r l 油管内、柱塞上的油柱重p 自为 岛= ( f 一，杆) 锄幻= ( f 一，扦) 三 抽油杆载油中的重量p * 为 礤= ，杆【脚一聩) 坛= 异( 孙一) 工 油井中动液面以上断面积等于柱塞面积的油柱的重量p * 7 为 瑶= ( f 一矗) 风口一m ) g = ( f 一，轩) ( 三一h ) 式中：p # 为抽油杆材料的密度，k g m 3 ； p 为抽汲液体的密度，k g m 3 ； r # 为抽油材料的重度，n m 3 ； r 为抽汲液体的重度，n m 3 ； f 为泵柱塞的面积，m 2 ： 厂# 为抽油杆截面积，m 2 ； 三为抽油杆长度或下泵深度，m ； ” ” 悖 大庆石油学院硕士研究生学位论文 5 1 1 悬点静载荷的大小和变化规律 分别对上冲程、下冲程、上死点、下死点四种情况进行分析，见图5 1 所示。 1 ) 冲程 当悬点从下死点向上移动时，如图5 1 a 所示，游动阀在柱塞上部油柱的压力作用下 关闭，而固定阀在柱塞下面泵筒内、外压差的作用下打开。由于游动阀关闭，使悬点承受 抽油杆自重尸* 和柱塞上油柱重尸，这两个载荷的作用方向都向下。同时，由于固定阀打 开，使油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生向上的压力p m 。因此，上冲程时悬点 的静载荷为 p 静上= 斥+ 岛一囔 = y 杆f n l + ( f 一磊) 上一k f ( 5 5 ) ，杆l ( 蜥一) + ，仁一k ) 碌+ 瑶 2 ) 下冲程 当悬点载荷由上死点向下移动时，如图5 1 b 所示，游动阀在上、下压力差作用下打 开，而固定阀在泵筒内、外压力差作用下关闭。游动阀打开，使悬点只承受抽油杆柱在液 体中的重量尸。7 ，固定阀关闭，使油柱重量转移到固定阀和油管上。因此，下冲程时悬 点的静载荷p * t 为 珞下= 斥 ( 5 6 ) 对抽油杆来说，上死点悬点载荷瞬时发生变化，由下冲程的p * t 变到上冲程的p , u - ， 增加了只其大小为p 7 ，载荷增加使油杆伸长，伸长的大小 # 为 n a p l 墨墨 ( 5 7 ) 2 酉2 赢 “ 式中：e 为钢材的弹性模数，2 1 1 0 ”n m 2 。 在伸长变形完成以后，载荷ap 才全部加在抽油杆或悬点上。实际上，在抽油杆柱受 载伸长的过程中，驴头已经开始上冲程。当悬点向上走了距离 * 时，由于同时产生的抽 油杆柱伸长的结果，使柱塞还停留在原来的位置，即柱塞相对泵筒没有运动，因而不抽油， 如图5 2 c 所示。 对油管柱来说，下冲程时，由于游动阀打开和固定阀关闭，整个油柱重量都由柱塞 和抽油杆柱承担，而油管柱上就没有这个载荷的作用了。因此，在抽油柱加载的同时，油 管柱卸载。卸载引起油管柱的缩短，直到缩短变形完毕以后，油管柱的载荷才全部卸掉。 油管柱缩短的大小 * 为 = 筹 s ， 式中：f 。为油管管壁的断面积，m 2 。 这样一来，虽然悬点带着柱塞向上移动，但是由于油管柱的缩短，使油管柱的下端也 第五章双天轮直平式抽油机动力分析 a 一上冲程b 一下冲程 图5 - 1 悬点载荷作用 3 ) 上死点( 从下冲程到上冲程的转折点) 上冲程下冲程 a 图5 2 抽油杆柱和油管柱变形过程 跟着柱塞向上移动，柱塞相对泵筒没有运动，还不能抽油，如图5 - 2 d 所示。一直到悬点 经过一段距离入f 以后，柱塞才开始抽油。 l q 【i d 大庆石油学院硕士研究生学位论文 经分析表明：悬点从下死点到上死点虽然走了s ，但由于抽油杆柱和油管柱的静变形 使抽油泵柱塞的有效冲程长度5 - m 比s 小， 6 # 2 s 一 而静变形入为 拈辞+ = 筹+ 筹 ：型fl + 盘1 - 叠 el ，管j 妒 式中：p ：称为变形分配系数，一般可取o 6 珈9 。 1 十嚣 ( 5 - 9 ) ( 5 一l o ) 4 ) 上死点( 从上冲程到下冲程的转折点) 它和下死点情况恰恰相反。这时对抽油杆柱来说，静载荷由上冲程的p # t 变到下冲程 的p * 。，减小了油柱重p ，抽油杆因而缩短了) 、# 。因此，当悬点向下走了入# 时，由 于抽油杆柱的缩短，柱塞在井下原地不动，它对泵筒不产生相对运动，因而不能排油。而 对油管柱来说，因为加载p 。而伸长了入o ，油管( 或泵筒) 好象跟着柱塞往下走。所 以，在悬点再走完入* 以前，柱塞和泵筒还不能产生相对运动，也不会排油。因此，在排 油过程中，柱塞的有效冲程长度s m 比悬点冲程长度s 减小了一个同样的静变形 值。 上、下冲程中悬点载荷随悬点位移的变化规律用图5 3 来表示，这种图形称为静力示 图5 - 3 静力示功 f i g 5 3s t a ti cd y n a g r a p h c 上死点 功图。图中a b 斜线表示悬点上冲程开始时载荷由柱塞传递到悬点的过程。e b 线相当于 柱塞与泵筒没有发生相对运动时悬点上行的距离，即e 日= x 。当全部载荷都作用到悬点以 后，静载荷就不再变化而成水平线b c ，到达上死点c 为止。c d 段表示抽油杆柱的卸载 第五章双天轮直平式抽油机动力分析 过程。卸载完毕后，悬点又以一个不变的静载