基于malabsimulink的抽油机仿真研究

基于malabsimulink的抽油机仿真研究

油挤出系统的动态模拟对于改善抽油机系统的设计和改进抽油机系统的依赖性具有重要意义。随着抽油机系统逐渐趋于复杂和对抽油机系统仿真精度要求的不断提高,传统的利用微分方程和差分方程的仿真技术已不能满足需要。而且一般对系统进行研究的技术人员关心的是系统本身的特性,不希望在仿真模型的准备及程序编制上花费太多时间,最好是直接将数学模型输入计算机,由计算机自动生成数字仿真模型进行仿真试验。这样就可以节省时间,将精力集中在所要研究的系统上。Matlab作为一种高级编程语言,集科学计算、自动控制、信号处理等功能于一体,其中的Simulink软件包恰恰体现了以上的技术发展要求,利用它可以方便地对抽油机的动态特性进行仿真。1基于sim.Simulink又称动态系统仿真(DynamicSystemSimulation),它是MATLAB中实现动态系统建模和仿真的一个集成环境,用户既可直接用方块图来输入仿真模型,也可用Matlab语言编写M文件来输入;既可对连续系统也可对离散系统进行仿真,同时可以在仿真过程中动态改变仿真参数;具有可视化建模、编程简单、交互式仿真等优点,可大大减少工作量。其中的SimMechanics更是结合Simulink和Matlab,利用模块框图的建模环境对刚体机构运动进行设计和仿真,易于掌握。利用Simulink进行数字仿真的主要步骤为:①建立系统的数学模型。②在Simulink中建立数字仿真模型并设置仿真参数。③执行仿真得出仿真结果。④最后通过校核和验证检验数字仿真模型的正确性,考察仿真结果的可信性。2动力学模型测试抽油机的机械系统建模,可以直接利用Simulink中的模块对其数学模型进行构建。这里,我们利用MATLAB/Simulink的SimMechanics工具箱对系统进行模块化建模。按照机器环境—Ground模块—铰(Joint)—刚体(Body)—铰—…—刚体的顺序配置刚体和铰的属性,包括质量属性,长度和方向,重心位置及刚体坐标系统等,然后将各个模块连接起来。具体模型如图1所示。其中,Revolute1为曲柄输出轴,Bar1为曲柄;Revolute2为曲柄销,Bar2为连杆;Revolute3为横梁轴,Bar3为游梁,Revolute4为支架轴;最后在MachineEnvironment对话框中设定分析方式以及其他的重要机械设置。在SimulinkConfigurationParameters窗口中运行可视化和调整Simulink设置。在模型中,又给系统添加了一个激励源,作为系统的源动力,通过JointActuator模块确定控制信号(力、力矩或运动)并连入系统;通过使用JointSensor模块可以检测铰的运动,并返回到Simulink中,通过Scope模块,可选择显示角度、角速度、角加速度或扭矩等进行观察,进而对系统的各种状况进行判断处理等。同时,MATLAB具有图形的可视化,在模型运行时,通过可视化窗口即可以看到模型的模拟运动,其仿真过程与Simulink仿真保持同步,如图2所示。3模型参数的确定游梁式抽油机曲柄扭矩是抽油机的主要参数之一,是设计、选择和判断抽油机是否能够达到适时平衡的重要指标。减速箱曲柄轴扭矩大小和悬点载荷、各杆件长度的比值和抽油机的平衡情况有密切的关系。它的合理确定对减速箱的设计、电动机功率的选择和抽油设备的正常工作以及研究新型节能设备有非常重要的意义。这里以CYJF10-4.2-53HB型抽油机为例,对抽油机整体结构进行简要的受力分析,建立游梁抽油机的曲柄扭矩方程。其受力分析如图3所示。首先以游梁为研究对象,将诸力对游梁旋转中心取力矩,联立得到连杆力P。再取曲柄为研究对象,分析得到曲柄轴输出扭矩M,具体计算推导过程如下。以游梁为研究对象,将诸力对游梁旋转中心取力矩,考虑的参量包括:悬点载荷(Qz),驴头重力(Ql),尾部轴承总成和横梁总成的重力(Qw),尾部调节机构重力(Qt)及其产生的转动惯量以及连杆的作用力F,联立,可得到连杆力F(忽略游梁和连杆自重)。(QwCw+QtCt)cosm+FCwsinb=QlRlcosm+Mz+Mr(1)Mz=QzRz(2)Mr=Jε=QtC2taCz=QtC2tw(3)Μr=Jε=QtCt2aCz=QtCt2w(3)其中,Ct为支架轴到尾部调节机构的距离,Cw为支架轴到横梁轴的距离,Cz为支架轴到悬点处的距离,Cl为支架轴到驴头重心的距离,∠b为连杆与游梁之间的夹角,Mz为悬点载荷扭矩值,Mr为尾部调节机构转动产生的扭矩,转速较慢时,可忽略。连杆力F可表示为:F=−1Cwsinb(QwCw+QtCt−QlCl)cosm+Mz+Mr(4)F=-1Cwsinb(QwCw+QtCt-QlCl)cosm+Μz+Μr(4)取曲柄为研究对象,减速箱曲柄轴输出扭矩M、曲柄平衡块重力和曲柄自重所产生的扭矩及共同克服连杆力F的切向力T所产生的扭矩,联立最终得到曲柄轴输出扭矩M。M+TR=(QqRq+QpRp)sin(2π-S)(5)T=Fsin(2π-a1)(6)M=-TR-(QqRq+QpRp)sinS(7)这里,载荷Mz可以分为三种情况:1)空载,即Mz=0;2)固定载荷,即悬挂-固定重物做带载试验;3)参考实际示功图进行计算。根据不同的需要,只需修改模型中的参数即可。这里以针对CYJF10-4.2-53-HB型抽油机模拟的小泵深抽工艺示功图(图4)为例进行分析。泵径下泵深度p1p2p3p4根据示功图,将数学模型在MATLAB中用m函数进行编写,根据每个时间点对应的悬点位移变化转换为悬点载荷的变化,从而计算得到曲柄输出轴扭矩。仿真结果如图5。从上面的仿真结果可以看到,不同的悬点载荷对输出轴扭矩的大小有很大影响。根据不同情况下建模仿真得到的扭矩图,研究人员可以通过动态改变各参数观察曲柄输出轴扭矩的变化趋势,进而对抽油机结构设计进行校验分析,并研究各参量对系统的影响,从而为抽油机的合理设计打下基础。4抽油机曲柄扭矩平衡仿真分析本文利用Simulink/Matlab对抽油