機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)三級項(xiàng)目說明書

機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)三級項(xiàng)目報(bào)告游梁抽油系統(tǒng)曲柄運(yùn)動規(guī)律的動態(tài)仿真學(xué)院（系）：機(jī)械工程學(xué)院年級專業(yè)：2012級機(jī)設(shè)2班小組成員：指導(dǎo)教師：日期：2015/06/29機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)三級項(xiàng)目目錄TOC\o"1-3"\h\u9926一、研究背景及意義 頁一、研究背景及意義1.1研究背景目前，采油方法有自噴采油方法和機(jī)械采油方法兩種。自噴采油法的特點(diǎn)是利用地層本身的能量來舉升原油，是最經(jīng)濟(jì)的采油方法。但是隨著油田的不斷開發(fā)，地層能量不斷消耗，即使是注水開發(fā)的油田，它的中后期也出現(xiàn)了水淹和強(qiáng)水淹的現(xiàn)象。為了保證原油穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，這些油田就不能用自噴法開采。同時(shí)由于底層的地質(zhì)特點(diǎn)，有一些油井一開始就不能自噴。對于上述這些不能自噴的油井，就必須人為的用機(jī)械設(shè)備給油井內(nèi)液體補(bǔ)充能量，才能將原油從油井舉升到地面，這種采油方法稱為機(jī)械采油。機(jī)械采油法又分為氣舉法和抽油法兩種。氣舉法的特點(diǎn)是利用壓縮氣體的能量，把原油舉升到地面。而抽油法的特點(diǎn)是將各種結(jié)構(gòu)的泵放到井下進(jìn)行抽油。從國外石油工業(yè)最發(fā)達(dá)的國家來看，用抽油法開采的井?dāng)?shù)在生產(chǎn)井?dāng)?shù)中占絕對多數(shù)。在我國，用抽油法開采的井?dāng)?shù)在生產(chǎn)中占90%以上。用抽油法開采，國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的抽油設(shè)備就是游梁式抽油機(jī)，或稱作有桿抽油設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維護(hù)方便。游梁式抽油機(jī)主要由游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時(shí)，電動機(jī)的傳動經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成驢頭的上下運(yùn)動，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動井下深井泵的柱塞作上下運(yùn)動，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。1.2研究內(nèi)容及意義通過此次游梁式抽油系統(tǒng)曲柄運(yùn)動規(guī)律的動態(tài)仿真項(xiàng)目的開展，完成游梁式抽油系統(tǒng)曲柄運(yùn)動規(guī)律的動態(tài)仿真分析。在討論課“游梁式抽油系統(tǒng)曲柄運(yùn)動規(guī)律動態(tài)仿真建?！钡幕A(chǔ)上，完成游梁式抽油系統(tǒng)曲柄運(yùn)動規(guī)律的動態(tài)仿真分析，進(jìn)一步掌握機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真的過程和方法。研究內(nèi)容有：力學(xué)與數(shù)學(xué)模型的建立，包括：懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律分析、各運(yùn)動件運(yùn)動規(guī)律分析、等效轉(zhuǎn)動慣量、懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律分析、等效轉(zhuǎn)動慣量、系統(tǒng)運(yùn)動微分方程等；數(shù)字仿真方法：采用動力學(xué)仿真軟件、matlab計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)曲柄運(yùn)動規(guī)律的數(shù)字仿真;系統(tǒng)動力特性仿真分析,包括：曲柄運(yùn)動規(guī)律分析、懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律分析、電動機(jī)啟動過程仿真分析。該項(xiàng)目旨在通過同學(xué)們積極思考，利用課堂所學(xué)理論知識解決實(shí)際工程問題，使其理解和掌握機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)的基本理論及解題基本方法，提高學(xué)生的獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，應(yīng)用理論解決實(shí)際問題的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。另一方面，通過此次項(xiàng)目可以使同學(xué)們初步掌握matlab等數(shù)值模擬軟件，為同學(xué)們今后的深入學(xué)習(xí)和解決數(shù)學(xué)模型問題打下良好的基礎(chǔ)，從而提高同學(xué)們的綜合能力。二、抽油機(jī)系統(tǒng)參數(shù)2.1結(jié)構(gòu)簡圖游梁式抽油系統(tǒng)示意圖1－電動機(jī)；2－皮帶減速箱傳動裝置；3－抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)；4-懸繩器；5－抽油桿柱；6－油管柱；7－抽油泵2.2電動機(jī)已知參數(shù)及機(jī)械特性2.2.1電動機(jī)參數(shù)電機(jī)型號額定功率/kw同步轉(zhuǎn)速（r/m）滿載轉(zhuǎn)速（r/min）過載系數(shù)Y250M-63710009802.02.2.2電動機(jī)機(jī)械特性分析根據(jù)電動機(jī)一般特性曲線可得出電動機(jī)驅(qū)動扭矩表達(dá)式：其中：將數(shù)據(jù)代入公式，得其中參數(shù)含義如下：—電動機(jī)最大扭矩與額定扭矩之比，即過載系數(shù)；—電動機(jī)的額定功率kw；—電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；—電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；—同步轉(zhuǎn)速；—額定轉(zhuǎn)速。圖1電機(jī)驅(qū)動力矩隨的變化2.3抽油機(jī)已知參數(shù)2.3.1抽油機(jī)型號根據(jù)抽油機(jī)型號，可以確定抽油機(jī)傳動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)尺寸、運(yùn)動件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置等參數(shù)。具體參數(shù)包括：R——曲柄半徑，m；P——連桿長度，m；C——游梁后臂長度，m；K——基桿長度，m；A——游梁前臂長度，m；I——基桿的水平投影，m；τ——曲柄平衡重滯后角，rad；JB1——小皮帶輪轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JB2——大皮帶輪轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JR1——二級減速箱高速軸（輸入軸）系轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JR2——二級減速箱中間軸系轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JR3——二級減速箱底速軸（輸出軸）系轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；iB——皮帶傳動比；iR1——二級減速箱的第一級傳動比；iR2——二級減速箱的第二級傳動比；mQ——單曲柄質(zhì)量，kg；rQ——曲柄質(zhì)心半徑，m；MC——單側(cè)曲柄平衡塊質(zhì)量，kg；RC——曲柄平衡塊質(zhì)心半徑，m；JC——單側(cè)曲柄平衡塊相對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；ML——連桿質(zhì)量，kg；JL——連桿相對其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2；JB——游梁組件相對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。2.3.2油井參數(shù)油井參數(shù)包括油藏參數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)。根據(jù)假設(shè)，和數(shù)學(xué)建模相關(guān)的幾個參數(shù)包括：MR——抽油桿柱質(zhì)量，kg；——抽油桿柱在液柱中的重量，N；——油井動液面以上整個柱塞面積上的液柱重量，N；——抽油桿柱在液體載荷作用下的靜變形，m；各參數(shù)具體數(shù)值可?。篟＝1.064m；P＝3.026m；C＝2.82m；K=4.265m；A＝3.935m；I＝2.82m；τ＝0；JB1＝2.0kg.m2；JB2＝15.0kg.m2；JR1＝3.0kg.m2；JR2＝8.0kg.m2；JR3＝15.0kg.m2；iB=5.0；iR1=5.5；iR2=5.73；mQ=500kg；rQ=1.0m；MC==1000kg；RC=1.2m；JC=100kg.m2；ML=300kg；JL==300kg.m2；JB=1000kg.m2;MR=4000kg；=36000N；=30000N；=0.2m。三、力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立3.1假設(shè)條件為便于對每個子系統(tǒng)的建模，作如下假設(shè)：（1）電網(wǎng)供電電壓與供電頻率是常數(shù)；（2）不考慮電動機(jī)轉(zhuǎn)子到減速箱曲柄軸各傳動副的間隙與傳動件的彈性變形；（3）在分析抽油機(jī)主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律時(shí)，不考慮各傳動副的間隙與傳動件的彈性變形；（4）懸繩與懸繩器在垂直方向上的等效彈簧常數(shù)為定值；（5）油管全長錨定或不錨定，當(dāng)油管不錨定時(shí)，考慮液體靜負(fù)荷引起的油管柱彈性變形；（6)不考慮油管內(nèi)液柱的振動；（7）假設(shè)抽油桿柱與油管同心；（8）油井是鉛直的。3.2工作系統(tǒng)各部件分析3.2.1各構(gòu)件角速度、角加速度的求解圖中幾何關(guān)系為：

將圖中各桿件看成矢量，可以得到如下的矢量方程上述矢量方程可以用復(fù)變矢量表示為將上式兩邊對時(shí)間t求導(dǎo)，可得到各桿件的角速度為：將上式對時(shí)間求導(dǎo)，可得各桿件運(yùn)動的角加速度：圖2隨的變化圖3隨的變化圖4隨的變化3.2.2懸點(diǎn)位移，速度與加速度（1）懸點(diǎn)沖程長度SPRQUOTE（2）懸點(diǎn)位移PR以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移的正方向，則任意時(shí)刻的懸點(diǎn)位移PR為：圖5隨的變化另外以上死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向下為位移的正方向，則懸點(diǎn)位移為：（3）懸點(diǎn)加速度與加速度懸點(diǎn)向上運(yùn)動為位移的正方向，則與加速度為：3.2.3扭矩因數(shù)圖6隨的變化3.3等效驅(qū)動力矩由參考書可得出電機(jī)等效驅(qū)動力矩表達(dá)式如下：其中：將數(shù)據(jù)代入公式，得其中各參數(shù)含義如下：—電動機(jī)輸出軸到減速箱輸出軸的傳動比—電動機(jī)輸出軸到減速箱輸出軸的傳動效率—電動機(jī)的輸出扭矩，—系數(shù)當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，圖7隨的變化3.4懸點(diǎn)載荷曲線321321圖中AB、BC曲線是抽油機(jī)上沖程，CD、DA曲線是抽油機(jī)下沖程—抽油桿在液柱中的重量36000N，即—抽油桿液面以上整個柱塞面積上的液柱重量30000N，即s—懸點(diǎn)沖程長度m—抽油桿在液體載荷作用下的靜變形，0.2m3.4.1各段曲線方程由圖可知四點(diǎn)坐標(biāo)如下：A,B,C,D即A(0，36000),B(0.2，66000),C(0.55π，66000)，D(0.55π-0.2，36000)可推出各段曲線方程：AB:BC:CD:AD:圖8隨的變化3.4.2等效阻力矩由等效阻力矩公式：因此可得出以下四個等效阻力矩：AB:BC:CD:AD:圖9隨的變化其中以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移正方向，任意時(shí)間懸點(diǎn)的位移,已知如下參量:將代入得圖10隨的變化3.5等效轉(zhuǎn)動慣量3.5.1簡化模型將抽油機(jī)個構(gòu)件均簡化，以曲柄為等效構(gòu)件，簡圖如右：3.5.2等效轉(zhuǎn)動慣量各部件的動能：小皮帶輪：其中大皮帶輪：其中減速箱高速軸：其中減速箱中間軸：其中減速箱低速軸：其中曲柄：其中平衡塊：連桿：其中游梁組件：其中懸點(diǎn)：其中電動機(jī)轉(zhuǎn)子：其中將抽油機(jī)中所有運(yùn)動件質(zhì)量（從電動機(jī)轉(zhuǎn)子到抽油機(jī)懸點(diǎn)）向曲柄處簡化，用作用于曲柄軸上的轉(zhuǎn)動慣量代替系統(tǒng)中的所有質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量，這樣簡化要滿足動能相等條件。由，將數(shù)據(jù)代入公式，化簡得圖11隨的變化3.6系統(tǒng)運(yùn)動微分方程其中：

四、仿真軟件的開發(fā)這是使用MATLAB的GUI制作的小型仿真軟件。上圖是該軟件的主界面，主界面主要分成三部分：第一部分為標(biāo)題欄，可以進(jìn)行圖片的保存（后來出現(xiàn)問題，不能夠?qū)崿F(xiàn)），此外還有設(shè)置按鈕，可以在繪圖區(qū)內(nèi)添加網(wǎng)格和清除網(wǎng)格，還有一個退出按鈕，點(diǎn)擊退出按鈕可以彈出對話框，選擇是否退出軟件；第二部分是左面的繪圖區(qū)，可以選擇繪制曲線的名稱，此外最上方的顯示框可以顯示可修改的參數(shù)；第三部分是右半面的參數(shù)區(qū)，可以改變相應(yīng)的參數(shù)來觀察曲線的變化，從而分析某參數(shù)對曲線的影響（在繪制等效轉(zhuǎn)動慣量的曲線時(shí)，可以修改全部的參數(shù)進(jìn)行分析）。上圖顯示可以繪制的全部曲線。當(dāng)選擇好要繪制的曲線名稱，點(diǎn)擊繪制曲線，彈出一個對話框，顯示正在計(jì)算，請稍后。上圖顯示的是改變參數(shù)后的不同曲線，進(jìn)而分析參數(shù)的影響。在繪圖區(qū)右擊可以彈出下拉菜單，從而修改曲線的顏色、線寬和線型。上圖顯示的是在空白處右擊或點(diǎn)擊標(biāo)題欄的退出按鈕，將彈出對話框，可以選擇是否退出軟件。五、心得體會通過此次三級項(xiàng)目的開展，我們學(xué)到了很多。最初時(shí)候根本不知道從何入手，但是經(jīng)過小組成員的多次討論以及大家積極的搜集資料，終于有所突破。在項(xiàng)目完成過程中也是困難重重，首先是數(shù)值模型的建立，有些量的求解十分困難，比如所等效轉(zhuǎn)動慣量等，最后在大家積極討論之后，又和其他幾個組的同學(xué)進(jìn)行了交流最終得出了結(jié)果。另一方面，對matlab大家都從未接觸過，所以必須在短時(shí)間內(nèi)，針對此項(xiàng)目的具體問題進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)，大家也是通過從圖書館借書，上網(wǎng)搜索等多種途徑進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，終于通過自己的努力完成了模擬計(jì)算。在這個過程中，我們不僅對機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)的基本理論知識有了更加深刻的理解和掌握，并且對抽油機(jī)的具體工作狀況也有了一定的了解。在遇到問題時(shí)，大家積極交流，各抒己見，不僅學(xué)到了很多學(xué)科上的理論知識，而且進(jìn)一步加深了同學(xué)之間的感情，增強(qiáng)了自己的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過對matlab等軟件從無到有的學(xué)習(xí)過程，也進(jìn)一步提高