抽油机的设计计算.ppt

1、机械系统动力学项目报告,游梁式抽油系统曲柄运动规律动态仿真模型,一、研究背景,1.1简介 游梁式抽油机主要由游梁连杆曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下深井泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。 游梁式抽油机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。技术参数符合中华人民共和国行业标准SY/T 5044游梁式抽油机和美国石油协会API标准，技术成熟。 主要特点： 1、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便； 2、游梁选用箱式或工字钢结构，强度高、刚性好、承载能力大； 3、

2、减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承载能力强，使用寿命长； 4、驴头可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一； 5、刹车采用外抱式结构，配有保险装置，操作灵活、制动迅速、安全可靠； 6、底座采用地脚螺栓连接或压杠连接两种方式之一。,分类 常规游梁式抽油机 以常规曲柄平衡抽油机为例，结构示意图如下图所示。 图中，1底座；2支架；3悬绳器；4驴头；5游梁；6横梁轴承座；7横梁；8连杆；9曲柄销装置；10曲柄装置；11减速器；12刹车保险装置；13刹车装置；14电动机；15配电箱。 游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支

3、架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。,异形游梁式抽油机 异形游梁式系列抽油机包括双驴头抽油机、弯游梁抽油机和对常规游梁抽油机节能改造的机型等机型。 异形游梁式抽油机是以常规抽油机为基础模式而研制出的新机型，它采用变径圆弧状的游梁后臂，游梁与横梁之间采用柔性件连接结构，在主要结构上具有常规游梁式抽油机简单，牢靠，耐用等特点，在性能上易于实现长冲程，并且具有突出的节能特点。 平衡方式 1游梁平衡：在游梁的尾部装设一定重量的平衡板，这是一种简单的平衡方式，适用于3吨以下的轻型抽油机。,2曲柄平衡：这是一种在油田上常用的平衡方式。顾名

4、思义是将平衡块装在曲柄上，适用于重型抽油机。这种平衡方式减少了游梁平衡引起的抽油机摆动，调整比较方便，但是，曲柄上有很大的负荷和离心力。 3复合平衡：在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡。特点：小范围调整时，可以调整游梁平衡：大范围调整时，则调整曲柄平衡。这种平衡方式适用于中深井。 4气动平衡：利用气体的可压缩性来储存和释放能量达到平衡的目的，可用于10吨以上重型抽油机。这种平衡方式减少了抽油机的动负荷及震动，但其装置精度要求高，加工复杂。,1.2我国石油开采技术概况 目前， 我国石油开采技术仍落后西方。 中国油田的种类比较复杂， 主要有中高渗透多层砂岩油田、复杂断块油田，低渗透砂岩油田以

5、及稠油油田。根据不同的地质条件和油田类型，中国形成了具有特色的 油气开发技术。三元化学负荷驳对提高中国可采储量具有明显的效 益，约可以提高 5 亿动左右石油开采量。在大庆、胜利等油田进行的 先导性试验和矿场实验，都取得了良好的效果，原油采收率平均可以 提高 15%20%。此外，中国对其他提高原油采收率的新技术，如微 生物采油、纳米膜驱油等也进行了研究与试验。尽管中国石油开采技 术经过 50 多年开展已经取得很大发展，但是同西方先进国家相比， 总体上应该还有 5 至 10 年的差距。而且从具体的技术上看，完全属 于中国原始创新的技术比较少， 一部分具有中国知识产权的国际先进 技术，如聚合物驱、化

6、学复合驱技术等，最早也是在模仿学习国外理论和方法上发展起来的。,二、游梁式抽油机的系统总成,2.1系统总成,游梁式抽油系统示意图 1电动机；2皮带减速箱传动装置；3抽油机主体机构；4-悬绳器； 5抽油杆柱；6油管柱；7抽油泵,2.2电动机已知参数及机械特性 (1) 电动机参数,电动机机械特性,电机特性曲线Md随n的变化,Med=132.789*Md; n=0:0.005:1000; Md=(2*2*360*0.0847*104.7198*(104.7198-pi*n/30)./(0.08472*104.71982+(104.7198-pi*n/30).2);,2.3抽油机已知参数 (1)抽油机

7、型号 根据抽油机型号，可以确定抽油机传动系统的机构尺寸、运动件质量、转动惯量、质心位置等参数。具体参数包括： R曲柄半径，m； P连杆长度，m； C游梁后臂长度，m； K基杆长度，m； A游梁前臂长度，m； I基杆的水平投影，m；曲柄平衡重滞后角，rad； JB1小皮带轮转动惯量，kg.m2； JB2大皮带轮转动惯量，kg.m2； JR1二级减速箱高速轴（输入轴）系转动惯量，kg.m2；,JR2二级减速箱中间轴系转动惯量，kg.m2； JR3二级减速箱底速轴（输出轴）系转动惯量，kg.m2； iB皮带传动比； iR1二级减速箱的第一级传动比； i R2二级减速箱的第二级传动比； mQ单曲柄质量

8、，kg； rQ曲柄质心半径，m； MC单侧曲柄平衡块质量，kg； RC曲柄平衡块质心半径，m； JC单侧曲柄平衡块相对其质心的转动惯量，kg.m2； ML连杆质量，kg； JL连杆相对其质心的转动惯量，kg.m2； JB游梁组建相对其回转中心的转动惯量，kg.m2。,(2)油井参数 油井参数包括油藏参数与生产参数。 根据假设，和数学建模相关的几个参数包括： 抽油杆柱质量，kg； 抽油杆柱在液柱中的重量，N； 油井动液面以上整个柱塞面积上的液柱重量，N； 抽油杆柱在液体载荷 作用下的静变形，m。 各参数具体数值可取： R1.060m； P3.390m； C2.820m； K=4.280m； A3

9、.935m； I2.82m；,0； JB12.0kg.m2； JB215.0kg.m2； JR13.0 kg.m2； JR28.0 kg.m2； JR315.0 kg.m2； iB=5.0； iR1=5.5； i R2=5.45； mQ=500kg；,rQ=1.0m； MC=1000kg； RC=1.2m； JC=100kg.m2； ML=300kg； JL=300kg.m2； JB=1000kg.m2; MR=4000kg； =30000N； =36000N； =0.2m。,三、力学模型和数学模型的建立,3.1假设条件 为了对异相曲柄平衡抽油机的优化设计，以放映抽油机动力性能的最大扭矩因素为

10、最小目标函数优化抽油机的机构尺寸，将整个抽油机装置简化为以曲柄为等效构件的运动情况，我们做了以下假设条件：,1、 电网供电电压与供电频率是常数； 2、 不考虑电动机转子到减速箱曲柄轴各传动副的间隙与传动件的弹性变形； 3、 在分析抽油机主体机构的运动规律时，不考虑各传动副的间隙与传动件的弹性变形； 4、 悬绳与悬绳器在垂直方向上的等效弹簧常数为定值； 5、 油管全长锚定或不锚定，当油管不锚定时，考虑液体静负荷引起的油管柱弹性变形； 6、 不考虑油管内液柱的振动；,7、 假设抽油杆柱与油管同心； 8、 油井是铅直的； 9、 连杆与游梁之间的轴承座质量忽略； 10、游梁与支架之间的轴承座质量忽略；

11、 11、所有构件为刚性构件； 12、曲柄为等效构件； 13、求等效力矩时不考虑全部构件的质量； 14、求等效转动惯量时考虑连杆质量； 15、悬点载荷简化为F 16、减速箱效率为0.8806,3.2工作系统各部件分析,将图中各杆件看成矢量，可以得到如下的矢量方程 上述矢量方程可以用复变矢量表示为 将上式两边对时间t求导，可得到各杆件的角速度为：,将上式对时间求导，可得各杆件运动的角加速度：,图为Theta2随theta变化曲线 theta=0:0.005:2*pi theta2=2.219*pi-theta,图为Theta3随theta变化曲线 beta=asin(1.064./L).*sin(

12、2.219*pi-theta); theta3=acos(1.2043+L.2)./(6.052*L)-beta;,图为Theta4随theta变化曲线 theta4=acos(1.2043-L.2)./(6.052*L)-beta;,（2）下面讨论悬点位移，速度与加速度的计算公式： A.悬点中程长度SPR:,B.悬点位移PR 以下死点为位移零点，向上为位移的正方向，则任意时刻的悬点位移PR为： 另外以上死点为位移零点，向下为位移的正方则悬点位移 为 C.悬点速度 与加速度 为： 悬点向上运动为位移的正方向，则 与 为：,图为悬点pr随theta变化 x=acos(L.2-1.2043)./(

13、5.64*L); fi=x+beta; pr=3.935.*(0.372*pi-fi);,（3）扭矩因数 图为扭矩因数tf随theta变化 tf=-1.064*3.935.*sin(theta3-theta2)./(2.82*sin(theta3-theta4);,3.3等效驱动力矩,等效驱动力矩,图为等效驱动力矩Med随n的变化 Med=151.3508.*Md;,3.4悬点载荷分析 1,2曲线是抽油机上冲程 3,4曲线是抽油机下冲程,图中 抽油杆在液柱中的重量36000N 抽油杆液面以上整个柱塞面积上的液柱重量30000N 悬点冲程长度m 抽油杆在液体载荷 作用下的静变形， 0.2m 图中

14、四点左边如下,由曲线形状得1,2,3,4段曲线的方程为：,特s， ， ， 带入公式得如下结果： 其中以下死点为位移零点，向上为位移正方向，任意时间悬点的位移 为： 已知如下参量：,将 带入得,图为悬点载荷F随theta的分段变化 F=(180000*pr+30000).*(theta=0,图为L随theta的变化曲线 theta=0:0.005:2*pi L=sqrt(19.3223-9.0759*cos(2.219*pi-theta),3.6等效力矩、等效阻力矩 因为构件重量对结果影响不大，故为了简化方便计算可以忽略全部构件的重量: 又因为 AB 段时,BC段时 CD段时 DA段时,图为等效

15、阻力矩Mef与theta的分段关系 Mef=(180000.*pr+30000)*3.935*1.064/2.82.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3-theta4).*(theta=0,3.7等效转动惯量,1）简化后模型 曲柄摇杆机构简图如右图所示 2）等效转动惯量Je 将抽油机中所有运动件质量（从电动机转子到抽油机悬点）向曲柄处简化，用作用于曲柄轴上的转动惯量代替系统中的所有质量的转动惯量，这样简化要满足动能相等条件，即：,:,:,图为Je随theta的变化 Je=107549.7594+102195.885.*(1.064/2.82.*sin(theta3-t

16、heta2)./sin(theta3-theta4).2;,3.8系统运动微分方程 非保守系统 lagrange方程 注意：角速度只是时间的函数。,整理的等效构件运动微分方程为 将 :,段时: 段时：,段时: 图为 关于 t的运动曲线,图为 关于 的运动曲线,p=(6*2*pi/10+3.55)/2 h=0.0001 n=0 p_rec(1)=p; x_rec(1)=0; x=0; while x0.448 n=n+1; k1=h*f_x10_9(p,x); k2=h*f_x10_9(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_9(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_9(p

17、+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6 x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end; while x3.501 n=n+1; k1=h*f_x10_10(p,x); k2=h*f_x10_10(p+k1/2,x+h/2,) k3=h*f_x10_10(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_10(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end; while x3.72 n=n+1; k1=h*f_x10_11(p,x); k2

18、=h*f_x10_11(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_11(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_11(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end,while x2*pi n=n+1; k1=h*f_x10_12(p,x); k2=h*f_x10_12(p+k1/2,x+h/2) k3=h*f_x10_12(p+k2/2,x+h/2) k4=h*f_x10_12(p+k3,x+h) p=p+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6; x=n*h; p_rec(n+1)=p; x_rec(n+1)=x; end z=0; h=0.0001; n=0;,z_rec(1)=z;