抽油机曲柄连杆机构的仿真与优化设计【中文3093字】
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抽油机曲柄连杆机构的仿真与优化设计【中文3093字】,抽油机,曲柄,连杆机构,仿真,优化,设计,中文
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【中文 3093 字】ISBN 978-1-84626-152-7第三届国际建模与仿真会议论文集（ICMS2010）第 2 卷：工程建模与仿真无锡，中国，2010 年 6 月 4 - 6 日抽油机曲柄连杆机构的仿真与优化设计贺翠华，王树凤，李华师（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049）摘要：采用虚拟样机技术，以 CYJ10-3-53HB 型抽油机为例，在 ADAMS 中建立了该抽油机的曲柄连杆机构虚拟样 机模型，对其进行了动态仿真，完成了抽油机的运动和力学分析。为获得更好的抽油机工作性能，在曲柄连杆机 构参数化变量的基础上进行了优化设计。优化结果表明，在提升相同的油重和满足各种约束条件的情况下，悬点 加速度均方根值比优化前降低了 26.77%，曲柄扭矩均方根值比优化前降低了 30.91%左右，这显然有利于抽油机 抽油效率的提高和使用寿命的延长。关键词：游梁式抽油机；曲柄连杆机构；优化设计；虚拟样机技术1 引言曲柄连杆机构作为游梁式抽油机的核心机构，其设计质量直接影响抽油机的使用性能。如果设计不合 理不仅会使曲柄轴处扭矩波动过大，造成抽油机工作 不平稳，从而影响抽油效率而且会缩短抽油机的寿命。 目前抽油机的曲柄连杆机构铰接点较多，设计时需反 复计算校核各铰接点的受力情况和运动轨迹，若用解析法、作图法，其计算量大，且易出错1-3 。随着虚拟样机技术的推广应用，技术人员可以在计算机上建立 抽油机模型，模拟在现实环境下曲柄连杆机构的运动 学和动力学特性，然后根据仿真结果进行优化设计。 使用虚拟样机技术设计产品，可以在设计早期确定关键的设计参数，以期及时发现缺陷，达到提高产品质 量、缩短开发周期、降低成本的目的，且易于理解、 便于操作。本文以 CYJ10-3-53HB 型抽油机为例，对其 进行了建模、仿真分析与优化。2 建立模型该抽油机实物图如图 1a 所示，曲柄连杆机构由曲 柄和平衡块、连杆和横梁、游梁和驴头、悬绳等组成。 本文将曲柄连杆机构简化为图 1b 所示的模型，以曲柄 旋转中心 A 为坐标原点，其垂直向上为 y 轴正向，水平向右为 x 轴正向，建立坐标系，AB 为曲柄，BC 为连杆，CD 为游梁后臂， DE 为游梁前臂，在 A 点曲 柄与抽油机的减速器输出轴铰接，在 B 点曲柄与连杆铰接，在 C 点游梁后臂与游梁前臂铰接，在 D 点游梁与抽油机支撑架铰接。a 抽油机实际模型b 四杆机构简化模型c ADAMS 曲柄连杆机构模型图 1 抽油机曲柄连杆机构模型由曲柄连杆机构模型图，利用 Adams/view 建立该 机构的虚拟样机模型，首先确定关键点的坐标，由图 1b 可知，坐标原点 A 和支撑架与游梁的铰接点 D 确定 后，根据曲柄旋转的初始角 以及各杆件的长度（见 表 1）可以确定 B 、 C 和 E 的坐标，根据坐标建立相应的参数化点，然后创建曲柄、连杆和游梁等物体。根据各物体的运动状况施加响应的约束，建立举升机 构的虚拟样机模型，如图 1c 所示。该模型共有 3 个部件， 3 个转动副，1 个移动副，1 个固定副，1 个转动 驱动和 1 个外力构成。表 1 CYJ10-3-53HB 型抽油机结构参数垂直中心距（ m） 3.31水平中心距（ m） 2.3游梁前臂长 l 4（m ） 3游梁后臂长 l 3（m ） 2.4连杆长度 l 2（m） 3.35曲柄回转半径 l 1（m） 1.15冲次（ min-1） 6表 2 CYJ10-3-53HB 抽油机各部件的质量曲柄与平衡块 (Kg) 8005.2连杆与横杆部 (Kg) 822.18游梁与头部 (Kg) 1903.433 仿真分析3.1 抽油机运动分析游梁式抽油机运动分析的目的是对应于抽油机某 一曲柄旋转角速度 ，求出悬点的速度和加速度等参 数随时间或曲柄旋转角 的变化规律，为进行载荷、扭矩等的动力学分析和计算提供数据4。利用 Adams 建立的曲柄连杆机构模型进行动态仿 真。根据该抽油机的冲次取一个循环的时间为 10s，对 一个循环进行研究。通过 Adams 的菜单选项建立测量 参数，可以获得这些参数在一个周期内的变化曲线。 这些参数主要包括悬点 E 的速度、位移和加速度，各 参数曲线如图 2 所示。a 悬点速度b 悬点位移c 悬点加速度图 2 抽油机运动分析参数曲线3.2 抽油机力学分析为了便于进行抽油机的力学仿真分析，此模型在 处理悬点载荷时，直接输入上下冲程的悬点载荷，不 考虑井下杆柱的受力状态。虽然这种方法不够精确，但是由于井下杆柱的受力变形状态相当复杂，要合理 选择各种参数，正确描述出杆柱的受力变形状态也非 常困难。因此，直接给出上下冲程悬点载荷也是一种 切实可行的方法。此处假定上冲程悬挂质量为 1500KG，下冲程为 1350KG5。这可以通过设置外力 force 属性 利用 IF 函数来完成。通过 ADAMS 测得的载荷曲线如图 3 所示。图 3 施加在悬点的载荷泵机组动力学分析的主要模板是计算曲柄转矩。泵机组工作时，由悬吊点载荷 F 和配重引起的转矩 jn 曲柄等于转矩 7，该转矩由电机转化为曲柄转动。 通过悬挂载荷起动转矩不仅可以检测减速机是否承受过载，还可以计算出电机的功率所需参数见表 2.曲柄扭矩曲线通过测量 ADAMS 中的运动转矩得到，如图4 所示。图 4 曲柄扭矩在这些所求的参数中，悬点运动加速度和减速箱 曲柄轴扭矩的均方根值均可以反映抽油机工作能力的 平稳程度，因此被广泛用来评价抽油机工作性能的好坏。4. 优化设计4.1 模型参数化由前面模型可知， B 、 C 、 D 、 E 各点的坐标选 取是曲柄连杆机构设计的关键，其设计的好坏直接影 响抽油机的工作性能，因此对以上各点的坐标进行参数化设计。依次对 B 、 C 、 D 、 E 各点的 x 坐标和 y 坐标进行参数化，创建的设计变量分别为 DV_1，DV_2， DV_3，DV_4，DV_5，DV_6，DV_7 和 DV_8。各设计变量的取值范围由抽油机的具体结构决定。4.2 模型优化分析在优化分析之前首先对每个设计变量进行设计研究。设计研究主要是研究哪些设计变量对系统性能影响的灵敏度较高，以在优化分析中选择灵敏度较高的设计变量作为优化设计变量。取灵敏度为悬点加速度均方根值，对前述所创建 的设计变量 DV_1DV_8 依次进行设计研究，由设计研 究分析报告（如表 3 所示）得 DV_1,DV_2， DV_7 的灵 敏度较大，这些设计变量对该设计的影响较大，因此 在优化分析中选择这些变量作为优化设计变量。优化目标分别为悬点加速度和曲柄扭矩均方根值 最小，即悬点运动对减速箱曲柄造成的负扭矩波动最小，抽油机工作最平稳，优化结果如表 4，表 5 所示。表 3 研究报告分析数据设计变量 设计点 初始值 初始值敏感度DV_1 Bx 163.9244 0.24996DV_2 By 1297.0875 0.58067DV_3 Cx 323.5999 0.13029DV_4 Cy 4643.2799 -0.13415DV_5 Dx 2409.1105 0DV_6 Dy 3458.3946 0DV_7 Ex 5017.5144 0.18800DV_8 Ey 1976.4267 -0.030017表 4 优化结果（此模型取的单位为 MMKS）DV_1 DV_2 DV_7 最小曲柄扭矩均方根值原始数据 163.9244 1297.0875 5017.5 2.9801e+008优化结果 162.73 364.98 2070.2 1.4552e+008表 5 优化结果（此模型取的单位为 MMKS）DV_1 DV_2 DV_7 最小悬点加速度均 方根值原始数据 163.9244 1297.0875 5017.5 481.36优化结果 162.73 1167.4 4516.3 332.58对表 4 进行比较分析，曲柄扭矩均方根值比优化 前降低了 30.91%左右；对表 5 进行比较分析，悬点加 速度均方根值比优化前降低了 26.77%。差别很明显， 这表明原始数据在优化时没有考虑上下冲程悬点运动对减速箱曲柄造成的负扭矩。以悬点加速度和曲柄扭 矩均方根值作为优化目标显然有利于抽油机抽油效率 的提高和使用寿命的延长。曲柄扭矩是抽油机力学分析的计算参数，悬点加 速度是抽油机运动分析的计算参数。在抽油机优化设 计过程中，对二者同时进行优化有一定的矛盾，不可 能两个参数同时达到最优，可以像本文一样一次只选 择一个，也可以采用加权系数的方法进行折中处理。5.结论本文以 CYJ10-3-53HB 型抽油机为例，利用 Adams 软件建立了游梁式抽油机曲柄连杆机构模型，进行了 运动与力学仿真分析，从而获取所求参数的曲线，确 定优化目标，完成了优化设计。仿真过程用的原始数 据为所选型号抽油机的标准数据，所以机构满足需求。 为获得更好的抽油机工作性能，在曲柄连杆机构参数 化变量的基础上进行了优化设计。优化结果表明，在加速度均方根值比优化前降低了 26.77%，曲柄扭矩均 方根值比优化前降低了 30.91%左右，这显然
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