一种新的游梁式抽油机分析方法.docx

游梁式抽油机的一种明确分析方法Xianyue Gang1, a, Cuihua He1, b , Shufeng Wang1, c , Yue Han1,d交通与车辆工程学院,山东科技大学, 淄博, 中国, bhecuihua860325 126.com, , 关键词: 游梁式抽油机; 线性变换; 功率守恒; 曲柄连杆机构.摘要. 根据线性变换和向量运算理论，这个适用于游梁式抽油机的明确分析方法克服了传统分析方法（二次方程法和角象限判别法的根判别法）的缺点及不足。.我们用一种新的根据功率守恒定律的计算方法来计算悬点的运动学和转矩因素和三种游梁式抽油机的曲柄转矩，从而避免了计算每根杆的复杂计算过程。该计算方法经大量例子验证后有效。介绍要计算游梁式抽油机的主参数，比如悬点的位移、速度、加速度之类的。现在的计算方式是采取通过四连杆框架的角度来得出相关的三角函数1,2,3，显然这种推导过程和结果显示在实际上来说还是太复杂。 而且在计算减速器输出转矩或曲柄转矩时，我们采用连杆旋转中心力矩平衡的方程4。所以这就使曲柄成了在计算过程中的首要调查对象，之后才是游梁。而这样也不可避免的去采用一连串复杂的三角函数来计算。 本文介绍一个新的、更加可行、简易、基于线性转换和向量代数理论的计算方法。.抽油机运动学分析给定一个曲柄旋转速度，用游梁式抽油机运动学分析来确定参数的变化规律。比如悬点速度和加速度，这些都是由时间和曲柄旋转角度d来确定的。此外，它还可以给接下来动力学分析中载荷和转矩的计算提供数据。4.游梁式抽油机可以简化成一个简单的四连杆框架 ABCD 如图.1. 把曲柄旋转中心A 为原点建立主要坐标系xAy， y 轴的正方向是它垂直向上的方向而 x 轴的正方向是它水平向右的的向。图.1: 抽油机四连杆框架 图.2: 游梁的摆动角度保留所有权利，没有书面允许或TTP，不得将该文的内容以任何形式进行复制或传播。应用力学与材料 Vols. 26-281011 建立一个局部坐标系 xDy，以游梁CD的支撑点D 为原点， y轴的正方向是矢量DB。 X轴的正方向由右手法则决定。 以y 轴的正方向作为参考； 角 是局部坐标系的旋转角度。根据线性转换的理论， 我们可以得出点C在主坐标系的坐标值： (1)当 xcyc T是C在局部坐标系xDy的坐标值时 (2)是矢量BD 在主坐标系xAy 的余弦方向，是矢量CD在局部标系xDy的余弦方向： (3)式中Lbd 是 点B到点D的距离，点B的坐标值： (4)曲柄旋转角度 是输入变量， 当用Matlab 计算式 变量范围是0360o。 在三角形BCD中，根据余弦定律，我们可以得出的值： (5)根据轴的方向和右手定则，我们可以DCxDB的方向是正的，所以的值是： (6)因此，如果给定中心，曲柄长度L1，连杆长度L2，游梁后臂长度L3之间的垂直距离和水平距离，那么C点的位置就可以确定且是唯一的。游梁的摆角(如图. 2) 是后游梁与水平方向的夹角并且其方向是游梁后臂到水平方向的逆时针方向。 是矢量DC 在主坐标系 xAy 的余弦方向： (7)假如，则=2；假如 n,2n (游梁的位置如图.2的虚线所表达)，然后 =2。游梁的角速度b，可以从推导出来。要计算它， 我们可以用 matlab 的diff 功能 。所以悬点的速度 V 可以这样表示： (8)而且悬点的加速度a也可以从V推导出来，计算它我们要用到matlab.的diff功能。转矩因素 (TF) 是悬点速度V 与曲柄旋转角度之比： (9)式中， 是曲柄旋转角度，rad/s； n 是抽油机的冲刺，r / min。因此我们可以得出悬点速度 V，加速度a和转矩系数并完成抽油机动力学分析。抽油机动力学分析要完成抽油机动力学分析及其计算，我们应分析悬点载荷，因为它是标记抽油机运行状态最重要的参数之一。此外，悬点载荷也是动力学分析和抽油机设计的重要基础参数。悬点载荷分析：要使抽油机的动力模拟分析更简单，悬点上冲刺及下冲刺的载荷应设为一个连续且无视抽油杆在油井中的受力情况。尽管这种方法不是十分准确，但考虑到复杂的油杆变形状态这样是比较简单且易行的，因此我们假定悬点上冲刺载荷为1500KG，和下冲刺载荷1350Kg5。因此悬点的相应负载 F可以这样计算：F = m( g + a) (10) 式中，g 代表重力加速度。图.3: 抽油机的平衡方式曲柄扭矩计算。 当抽油机工作时，由电机-减速器所转换成的曲柄转矩应等同于悬点载荷和平衡块所等同的转矩。因此通过悬点载荷来计算曲柄扭矩不仅可以检查减速器是否过载还可以计算电机的功率。根据机械系统的功率守恒可以计算曲柄扭矩，也可以这样说在一个封闭系统中输入功率Pin 应等于输出功率Pout：Pin= Pout (11) (11)把抽油机作为研究对象，输入功率就是由电机转换成的曲柄转矩，而功率输出于悬点载荷，曲柄，游梁以及相应的平衡块。(如图.3).1) 复合型平衡抽油机(mcrank0,mbeam0)。这种抽油机采用曲柄平衡和游梁平衡。根据公式Eq.11，我们可以得出：T= mcrank gL1sin+ mbeam gbL3cos+ mbeamL32ab/L4-FV(12) 式中，mcrank gL1sin是曲柄上平衡块所造成的功率，mbeam gbL3cos是游梁与驴头所形成的功率，mbeamL32ab/L4t是游梁与驴头绕支撑点摆动所形成的惯性矩，FV 是悬点的功率，rnheam 是游梁与驴头的重量；a 是悬点的加速度；mcrank 是曲柄与平衡块的重量；b是游梁摆动的角速度；F 是悬点载荷。接下的等式是公式 Eq.12的变形：(13) 因此我们可以得出复合平衡抽油机的曲柄转矩。2) 曲柄平衡型抽油机(mcrank0,mbeam0)。这类抽油机只采用曲柄平衡。 让 mheam 在等式 Eq.13 中等于0，然后就能求得曲柄转矩： (14) 3) 游梁平衡型抽油机(mcrank0,mbeam0)。这种抽油机只采用游梁平衡。同上，使 mcrmk在等式 Eq.13中等于0，然后就能求得曲柄转矩： (15)算例以CYJ10-3-53HB 号抽油机为例，用新方法来计算它的主运动参数和曲柄扭矩。它主要的几何尺寸和各部分的重量如表1 5。表 1: CYJ10-3-53HB 抽油机的参数Hm3.310L4 m3.000Im2.300Strokes min19L1m1.150mcrmk kg8005.2L2m3.350mheam kg1903.43L3m 2.400Mlink kg822.18图5: 悬点位移图.4: 悬点加速度曲线图用 Matlab软件来计算运动学和动力学分析的主要参数，相应的参数曲线如图.47。E/lu3EsBldslp=0dsuadsns图.7: 曲柄转矩图.6: 转矩系素总结根据线性转换和矢量代数的理论，并在本论文中建立游梁式抽油机的数学模型。用新的计算方法来进行运动学和动力学分析。我们在运动学分析模块中详细的计算悬点的速度、位移、加速度和扭矩系数，以给接下来的动力学分析提供良好的基础。在动力学分析模块中，首先对悬点载荷进行定性分析。基于以上准备，我们根据功率守恒定律来计算三种游梁式抽油机相应的曲柄转矩。最后，我们以CYJ10-3-53HB 游梁式抽油机为例； 所有的主参数都用matlab 软件计算和绘制。这种新的计算方法在提供抽油机优化过程所需的相应数据比起传统的方法更加简单、易行。 相比于传统的基于二次方程根的判别法和角象限三角函数判别的计算方法，这种新的方法更简单、直接和准确。致谢本论文的全体作者对山东自然科学基金(No. Q2006F04) 和山东省教育厅科研计划基金会(No. J06D56) 资金支持表示感谢。参考文献1 Wang Changbin。抽油机悬点参数的计算， 大庆石油学院院报， 1998, 3。2 Li an Ying. 双驴头抽油机的运动学、动力学分析及优化设计 南京科技大学 硕士论文，20073 Liu Ying.常规式游梁抽油机的调查和优化设计，大庆石油学院硕士论文, 2007.4 Li Renxing. 游梁式抽油机的运动学、动力学仿真和优化设计，西安科技大学 硕士论文，2005.5 Zhang Hongyan. 游梁式抽油机与油杆柱系统的动力学分析，