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/題目:游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生:楊存靈(簽名)指導(dǎo)教師:喬心州(簽名)摘要建立了有效凈扭矩為目標(biāo)函數(shù)的游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化模型采用mat(yī)lab對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。通過(guò)對(duì)沖程4.2m10型抽油機(jī)優(yōu)化實(shí)例并與國(guó)、內(nèi)外對(duì)比結(jié)果表明,文中優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有效可行。關(guān)鍵詞:抽油機(jī)游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)Subject:optimizationofBeampumpingunitMajor:MechanicalDesign,ManufacturingandAutomationStudent:Yangcunling(Signat(yī)ure)________(dá)Supervisor:Qiaoxinzhou(Signature)_____(dá)_____AbstractEstablishaneffectivenettorqueastheobjectivefunctionofthebeampumpingunitoftheoptimizationmodelusingmatlabtosolvetheoptimizationmodel.Byoptimizingpumpingunitstroke4。2m10instanceandwithnationalandinternationalcomparisonshowthat(yī)TheeffectiveandfeasibledesignschemeoptimizationKeywords:pumpingunit;beampumpingunit;optimizat(yī)iondesign目錄第一章:引言…….………..11.國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)……..12.本課題研究的主要內(nèi)容…….……….5第二章:游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)…..…….62.1.游梁式抽油機(jī)的工作原理………。。。62。2.現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)存在的主要問(wèn)題………….………………。…。72.3.優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介….………………?!?92。4.對(duì)抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)的要求…………………。。102.5。優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)………………。。162.6.10型抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型……………..………………。.。2.6。1.設(shè)計(jì)變量…………………….2.6.2.目標(biāo)函數(shù)………………..….。2。6。3.約束條件…………..………。.2。7。用進(jìn)行結(jié)果處理……….……………….。262.7.1.簡(jiǎn)介……………….。262。7.2。優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序…………………?!?...272.8.優(yōu)化結(jié)果分析……………..…….。。.29第三章:總結(jié)與展望…….…………….…32參考文獻(xiàn)…………………….………….。.。。33第一章引言1.1.國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)抽油機(jī)是將石油從地下開采到地上的采油設(shè)備,它的產(chǎn)生和使用由來(lái)已久,已有百年歷史。其中應(yīng)用最早、普及最廣的是游梁式抽油機(jī),早在130年前就誕生了。常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況等優(yōu)點(diǎn),在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍是油田首選的采油設(shè)備。但是由于常規(guī)游梁式抽油機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特征,決定了其具有平衡效果差,曲柄軸凈扭矩波動(dòng)大,存在負(fù)扭矩、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)。隨著油田的發(fā)展,有桿抽油技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展,尤其是近十幾年來(lái),科學(xué)工作者不斷的開展對(duì)新型節(jié)能抽油機(jī)的研究,在理論和實(shí)踐上均取得了很大的進(jìn)展。越來(lái)越多的新型抽油機(jī)相繼研制成功,對(duì)油田的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。目前在用的有桿式抽油機(jī)主要分為以下幾類:目前,抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面.1)朝著大型化方向發(fā)展隨著世界油氣資源的不斷開發(fā),開采油層深度逐年增加,石油含水量也不斷增加,采用大泵提液采油工藝和開采稠油等都要求使用大型抽油機(jī)。因此,國(guó)外近幾年來(lái)出現(xiàn)了許多大載荷的抽油機(jī),例如前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷213,氣囊平衡抽油機(jī)最大載荷227。隨著生產(chǎn)的需要,將來(lái)還會(huì)有更大載荷的抽油機(jī)出現(xiàn)。2)朝著低能耗方向發(fā)展為了減少能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益,近年來(lái)國(guó)、內(nèi)外有關(guān)專家研制了許多節(jié)能型抽油機(jī),如異相型抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)、擺桿抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)、磨擦換向抽油機(jī)等。3)朝著高適應(yīng)性方向發(fā)展抽油機(jī)應(yīng)具備較高的適應(yīng)性,以便拓寬其使用范圍,例如適應(yīng)各種自然地理和地質(zhì)構(gòu)造條件抽油的需要;適應(yīng)各種成分石油抽汲的需要;適應(yīng)各種類型油井抽汲的需要;適應(yīng)深井抽汲的需要;適應(yīng)長(zhǎng)沖程的需要;適應(yīng)節(jié)電的需要;適應(yīng)無(wú)電源和間歇抽汲的需要;適應(yīng)優(yōu)化抽油的需要等。4)朝著長(zhǎng)沖程無(wú)游梁抽油機(jī)方向發(fā)展近年來(lái),國(guó)內(nèi)、外研制并應(yīng)用了多種類型的長(zhǎng)沖程抽油機(jī),其中包括增大沖程游梁抽油機(jī)、增大沖程無(wú)游梁抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無(wú)游梁抽油機(jī)。5)朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展20世紀(jì)90年代以來(lái),以華北石油第一機(jī)械廠和新疆第三機(jī)床廠為代表的抽油機(jī)生產(chǎn)廠家,率先應(yīng)用游梁變矩平衡原理,在傳統(tǒng)的常規(guī)游梁式抽油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新,研制成功了新一帶的節(jié)能高效游梁式抽油機(jī)。實(shí)現(xiàn)了10型以上的大型抽油機(jī)有功節(jié)電30%,裝機(jī)功率下降50%的目標(biāo),從而開創(chuàng)了游梁式抽油機(jī)節(jié)能的新時(shí)代。抽油機(jī)是石油行業(yè)的用電大戶,其用電量約占油田總用電量的40%左右。由于抽油機(jī)負(fù)載一般呈周期性波動(dòng),空載和滿載時(shí)負(fù)載相差很大,但是功率并沒(méi)有什么差別,很多的電能浪費(fèi)在空載的時(shí)候,所以常規(guī)抽油機(jī)負(fù)載率低,抽油機(jī)的系統(tǒng)效率也很低,據(jù)統(tǒng)計(jì)最高不超過(guò)30%,電能浪費(fèi)嚴(yán)重.隨著油田的開發(fā),抽油機(jī)的投入量日益增加,提高抽油機(jī)的效率,降低抽油機(jī)的能耗問(wèn)題顯得越來(lái)越突出,于是各式各樣的新型抽油機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生.目前國(guó)內(nèi)、外已有近百家廠商研制無(wú)游梁抽油機(jī),最大功率達(dá)到171千瓦,最大懸點(diǎn)載荷達(dá)到22.7噸,最大沖程達(dá)到24。4米.目前,我國(guó)生產(chǎn)抽油機(jī)的廠家有十幾家,產(chǎn)品主要是以游梁式抽油機(jī)為主,其研制和開發(fā)的各種節(jié)能型游梁式抽油機(jī),如偏置式節(jié)能抽油機(jī)、雙驢頭異型抽油機(jī)、偏輪式高效節(jié)能抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)均以在全國(guó)各油田得到了一定的推廣應(yīng)用,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益.其中1)偏置式節(jié)能抽油機(jī),一般可節(jié)電15%-35%;2)雙驢頭異型抽油機(jī),一般可節(jié)電30%以上;3)偏輪式高效節(jié)能抽油機(jī),一般可節(jié)電30%-50%;4)漸開線抽油機(jī),一般可節(jié)電20%-30%。另外,高轉(zhuǎn)差電機(jī)等節(jié)能電機(jī)在提高系統(tǒng)效率和節(jié)能方面有較大效果,但是造價(jià)較高,難以代替普通異步機(jī)。在長(zhǎng)期的油田使用中,人們普遍認(rèn)為常規(guī)游梁式抽油機(jī)既有它的優(yōu)勢(shì),也有能耗高的缺點(diǎn)。為克服常規(guī)抽油機(jī)能耗高的缺點(diǎn),目前國(guó)、內(nèi)外研究者主要采取了兩個(gè)途徑:一是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上改變結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),即改變扭矩因數(shù)使懸點(diǎn)扭矩曲線產(chǎn)生變位,或按照變矩平衡原理,研制開發(fā)了許多節(jié)能高效的新型節(jié)能游梁式抽油機(jī),使傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)又呈現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力;另一個(gè)是從原理到結(jié)構(gòu)形式上另辟新徑,研制開發(fā)非四連桿機(jī)構(gòu)的新型節(jié)能抽油機(jī),如立式無(wú)游梁抽油機(jī)、電動(dòng)潛油螺桿泵和無(wú)桿泵等.這兩大抽油機(jī)都已在油田上被廣泛采用。1.2.本課題研究的主要內(nèi)容通過(guò)對(duì)游梁式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,以10型抽油機(jī)為模型,確定各個(gè)變量,選出目標(biāo)函數(shù)并對(duì)其它變量進(jìn)行約束,最終達(dá)到各個(gè)目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化,使抽油機(jī)的效率達(dá)到最佳狀態(tài)。1.本課題研究的理論意義及應(yīng)用價(jià)值本課題的理論意義在于研究機(jī)械采油中節(jié)能降耗的技術(shù)關(guān)鍵,通過(guò)對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)桿件尺寸和有關(guān)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),找出其最佳匹配關(guān)系,達(dá)到降低減速器有效輸出扭矩目的,從而節(jié)約了電能。因此,推廣本課題的研究成果可為油田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。第二章:游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1、游梁式抽油機(jī)的工作原理它的工作原理是由交流電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動(dòng)抽油泵,沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負(fù)載特性可知其慣量較大,而不同的油井的粘度大小又很不同,當(dāng)油的粘度較大時(shí),泵的效率也變低,往往啟動(dòng)也很困難.該負(fù)載又是周期負(fù)載,上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同,下降時(shí)尚帶有位勢(shì)負(fù)載性質(zhì).為適應(yīng)這復(fù)雜的工況,抽油機(jī)的配置及其實(shí)際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)上下提升,一個(gè)沖程提升一次,其動(dòng)力來(lái)自電動(dòng)車帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊,當(dāng)滑塊提升時(shí),類似杠桿作用,將采油機(jī)桿送入井中;滑塊下降時(shí),采油桿提出帶油至井口,當(dāng)抽油機(jī)工作時(shí),整個(gè)過(guò)程中負(fù)載是變化的。工作分為兩個(gè)沖程,抽油機(jī)上沖程時(shí),驢頭懸點(diǎn)需要作出很大的功,這時(shí)電動(dòng)機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。在下沖過(guò)程時(shí),抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)做功,使電動(dòng)機(jī)處于類似發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未平衡時(shí),上,下沖程的負(fù)載極度不均勻,這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命,惡化抽油機(jī)的工作條件,增加它的斷裂可能性。為了消除這些缺點(diǎn),一般在抽油機(jī)的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上平衡配重。這樣一來(lái),在懸點(diǎn)下沖程時(shí),要把平衡重從低處抬到高處,增加平衡配重的位能。為了抬高平衡配重,除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外,還要電動(dòng)機(jī)付出部分能量。在上沖程時(shí),平衡重由高處下落,把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來(lái),幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱,減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量。游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1:圖2-1游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)組成1—電動(dòng)機(jī);2-剎車裝置:3-減速器;4-曲柄;5—曲柄平衡塊;6—連桿7-橫梁軸;8-游梁平衡塊;9—支架軸;10-游梁;11-驢頭:12—懸繩器2.2、現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)存在的主要問(wèn)題常規(guī)游梁式抽油機(jī)自誕生以來(lái),經(jīng)歷了各種工況和各種地域油田生產(chǎn)的考驗(yàn),經(jīng)久不衰,目前仍在國(guó)、內(nèi)外普遍使用,其原因是常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢(shì),故而一直占據(jù)著有桿泵采油地面設(shè)備的主導(dǎo)地位。但由于其結(jié)構(gòu)上的不合理性,使得常規(guī)游梁式抽油機(jī)無(wú)法解決“大馬拉小車”、能耗高的缺點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)約有抽油機(jī)8×10臺(tái),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率為20%左右,如果每口抽油機(jī)井實(shí)用功率為10千瓦,每天耗電19.2×10度,一年耗電約7×10度,相當(dāng)于油田開發(fā)總用電量的1/4,若將系統(tǒng)效率提高到30%,則年節(jié)電2。34×10度,這不僅可以節(jié)約大量能源,還可以緩解油田用電緊張的情況,特別是我國(guó)目前正在向節(jié)約型社會(huì)發(fā)展,因此進(jìn)行現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)節(jié)能的研究既有經(jīng)濟(jì)效益又有社會(huì)效益。大慶油田機(jī)械采油中,游梁式抽油機(jī)約占在役抽油機(jī)的50%左右。但隨著節(jié)能降耗的要求,對(duì)在役游梁機(jī)進(jìn)行改造、挖掘設(shè)備潛力,已經(jīng)引起各方面的高度重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),大慶就有兩萬(wàn)余臺(tái)在役的常規(guī)機(jī),如采用節(jié)能技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造,效益是巨大的,有廣闊的發(fā)展前景。針對(duì)90年代前在用的常規(guī)抽油機(jī),從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō),存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:1)由于懸點(diǎn)載荷在上、下沖程中變化大,懸點(diǎn)扭矩曲線為非正弦曲線,加速度大,即動(dòng)載大,事實(shí)上是增大了懸點(diǎn)最大載荷;2)扭矩因數(shù)相比節(jié)能機(jī)來(lái)說(shuō)偏大,因而加大了懸點(diǎn)載荷造成的曲柄軸扭矩峰值.曲柄平衡力矩為一正弦曲線,兩者疊加,不能有效抵消,造成曲柄軸凈扭矩峰值較大,出現(xiàn)負(fù)扭矩,存在二次能量的消耗,減速器齒輪將受到“背向沖擊”。波動(dòng)系數(shù)變大,致使均方根扭矩值變大,電機(jī)輸出功率變大;3)由于工作制度為對(duì)稱循環(huán),極位夾角一般在0°~2°左右,上下沖程平均速度一樣,因而泵的充滿度、泵效較低;4)常規(guī)機(jī)的最小傳動(dòng)角較小,如10-3-53抽油機(jī)最小傳動(dòng)角為30°左右,致使連桿受力變大,即曲柄銷受力變大,減速器輸出軸扭矩變大,輸出功率增大;5)提高采液量,如增大沖程,在游梁機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)。從采油工藝角度來(lái)看,增大沖程減少?zèng)_次可以增加泵效,當(dāng)沖程損失一定時(shí),增大沖程長(zhǎng)度意味著相對(duì)沖程損失的減小,有利于提高泵的充滿度和排量系數(shù),從而提高泵效,同時(shí)可降低泵的磨損以及抽油桿和油管的疲勞次數(shù),改善了工作條件,提高了使用壽命。尤其在泵理論排量一定時(shí),增大沖程可以使光桿有功功率大大增加,系統(tǒng)效率也大為提高。但是要想在游梁機(jī)上增大沖程,從機(jī)構(gòu)學(xué)理論來(lái)說(shuō),只有增加游梁前臂長(zhǎng)度和加大游梁擺角,才能實(shí)現(xiàn),但存在如下困難:1)由剛性四桿機(jī)構(gòu)組成的游梁機(jī),如果前臂長(zhǎng)度增加了,相應(yīng)的其他部分都將隨之增加,整機(jī)結(jié)構(gòu)將變大,既不經(jīng)濟(jì)也不便于安裝和使用;2)增大游梁擺角,則會(huì)使上、下死點(diǎn)加速度增加,增大了懸載荷,使抽油機(jī)的性能變壞。2.3、優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介優(yōu)化設(shè)計(jì)是用數(shù)學(xué)規(guī)劃的理論和方法,借助電子計(jì)算機(jī)高速計(jì)算和強(qiáng)力邏輯判斷的能力,從滿足工程問(wèn)題要求的一切可行方案中,按照預(yù)期的目標(biāo),自動(dòng)尋求最佳方案的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法.它能綜合處理并最大限度的滿足從各個(gè)不同角度提出的甚至互相矛盾的技術(shù)要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。優(yōu)化方法與機(jī)械工程技術(shù)相結(jié)合形成了機(jī)械設(shè)計(jì)這一學(xué)科,它在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程中,能從多方面幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行技術(shù)決策,以尋求最佳方案,從而能極大的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短設(shè)計(jì)周期,提高經(jīng)濟(jì)效率。游梁式抽油機(jī)是油田應(yīng)用最多的抽油機(jī)機(jī)型,是油田抽油機(jī)的主要市場(chǎng),也是油田耗能、費(fèi)用的支出大項(xiàng)。因此設(shè)計(jì)性能優(yōu)良,滿足油田要求,制造成本低,運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能優(yōu),節(jié)能效果好的抽油機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)一直是抽油機(jī)廠家、抽油機(jī)研究單位追求的目標(biāo),進(jìn)行抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究就是為了達(dá)到這一目的而開展的。2.4、對(duì)抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)的要求游梁式抽油機(jī)依靠驢頭的上下往復(fù)擺動(dòng),通過(guò)抽油機(jī)桿柱帶動(dòng)井下抽油泵實(shí)現(xiàn)從井底吸油和向地面排油,其載荷狀況極其特殊。主要特征是,驢頭懸點(diǎn)載荷與抽油桿柱和油井液柱構(gòu)成一彈性系統(tǒng),上下行程載荷相差甚大。因此采取相應(yīng)措施,分析懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖。由于游梁式抽油機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜,在生產(chǎn)過(guò)程中,受到制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量,以及砂、蠟、水、氣、稠油和腐蝕等多種因素的影響,所以,實(shí)測(cè)懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖的形狀很不規(guī)則.為了正確分析和解釋懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖,常常以靜載荷理論示功圖(如圖2—2)、靜載荷和慣性載荷模擬示功圖(如圖2-3)為基礎(chǔ),進(jìn)而分析和解釋抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的變化.圖2-2抽油機(jī)靜載荷理論示功圖靜載荷作用的理論示功圖為一平行四邊形,如圖2-2所示.為上沖程靜載荷變化線,其中為加載線.加載過(guò)程中,游動(dòng)閥和固定閥均處于關(guān)閉狀態(tài),點(diǎn)為加載結(jié)束,因此,此時(shí)活塞與泵筒開始發(fā)生相對(duì)位移,固定閥開始打開液體進(jìn)泵,故為吸入過(guò)程。為下沖程靜載荷變化線,其中為卸載線。卸載過(guò)程中,游動(dòng)閥和固定閥均處于關(guān)閉狀態(tài),到點(diǎn)卸載結(jié)束,因此,此時(shí)活塞與泵筒開始發(fā)生相對(duì)位移,游動(dòng)閥被頂開,泵開始排液,故為排出過(guò)程.考慮到慣性載荷的理論示功圖是將慣性載荷疊加在靜載荷上,結(jié)果因慣性載荷的影響使靜載荷理論示功圖被扭曲一個(gè)角度,并且變?yōu)椴灰?guī)則四邊形,如圖2—3所示,為靜載荷和慣性載荷模型示功圖。如果加上振動(dòng)載荷,并考慮到油井天然氣的影響以及泵閥開啟,關(guān)閉滯后等因素,抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷變化將更加復(fù)雜。圖2—3靜載荷和慣性載荷模型示功圖游梁式抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到這種極其復(fù)雜的載荷特點(diǎn),使抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo),能耗指標(biāo)及動(dòng)力指標(biāo)均獲得最優(yōu)解,或者三者互相兼顧,以達(dá)到最佳狀態(tài)。2.4.1。運(yùn)動(dòng)指標(biāo)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的代表參數(shù)是上行程最大懸點(diǎn)加速度,減小是抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)之一。目前,可以通過(guò)下列方法求的抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確解,其計(jì)算方法如下:圖2-4游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-4所示.在任一時(shí)刻游梁與鉛垂線間的夾角為? ? ???(2-1)??? ?(2—2) ? (2-3) ? ? (2—4)將式(2-2)和式(2-3)代入式(2—1)中得? (2—5)游梁擺動(dòng)時(shí)存在一個(gè)最小夾角,可按下式計(jì)算 (2—6)其中,;。因此,任意時(shí)刻游梁的角位移為 ?? ? (2—7)由式(2—7)便可進(jìn)一步求出懸點(diǎn)的位移s,速度和加速度分別為 ??? ?(2—8)(2-10)考慮到抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)存在如下的幾何關(guān)可得懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和加速度的另一種較為簡(jiǎn)便表達(dá)式 ? ? (2-11)?(2-12)因?yàn)樗援?dāng)時(shí),取得最大值。當(dāng)時(shí) ?? ?(2-13)式中,,當(dāng)時(shí)?? ?(2-14)式中,,減小最大懸點(diǎn)加速度,可以增加抽油泵柱塞向上運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,使上行程時(shí)的抽油桿柱,柱塞及液柱的平均運(yùn)動(dòng)速度降低,這有助于井液的吸入,增加抽油泵的充滿系數(shù)和提高泵效。此外,減小最大懸點(diǎn)加速度,可使作用于抽油桿柱的慣性載荷降低。在相同的靜載荷作用下,降低慣性載荷,就意味著降低懸點(diǎn)載荷。這不僅可以降低作用于抽油機(jī)各桿件上的負(fù)載,而且可以減小抽油桿柱斷脫得可能性。而在抽油機(jī)標(biāo)定的額定載荷下,可以通過(guò)增加抽油泵的泵掛深度,或者通過(guò)加大抽油泵的泵徑達(dá)到“小泵深抽”或“大泵排液”的效果。由于抽油桿柱及包括液流在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力隨著抽油機(jī)上沖程平均速度的減小而降低,同時(shí)也因慣性載荷的降低可以減小抽油桿柱的沖程損失,增加抽油泵柱塞在泵筒中運(yùn)動(dòng)的有效沖程,從而可提高抽油泵的泵效.2。4.2.能耗指標(biāo)抽油機(jī)能耗指標(biāo)的代表參數(shù)是減速器有效輸出扭矩和電動(dòng)機(jī)的有效輸出功率,二者的計(jì)算公式如下 ? ??(2—15)???? ?(2-16)式中,為減速器輸出凈扭矩;為沖次;為傳動(dòng)效率。減小電動(dòng)機(jī)的有效輸出功率就意味著節(jié)能降耗。在油田推廣使用這種節(jié)能降耗的采油設(shè)備無(wú)疑具有十分巨大的經(jīng)濟(jì)利益。2。4。3.動(dòng)力指標(biāo)抽油機(jī)動(dòng)力指標(biāo)的代表參數(shù)是減速器峰值扭矩和最大負(fù)扭矩絕對(duì)值。減速器峰值扭矩太大,使齒輪載荷增加。其最大負(fù)扭矩絕對(duì)值太大使齒輪反沖擊載荷增大,均影響減速器壽命。因此抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)盡量減小減速器峰值扭矩和其最大負(fù)扭矩絕對(duì)值。2。5、優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)對(duì)于一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,存在許多組可行的方案,其中哪一方案最好,需要有一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,這個(gè)用于評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)變量取值好壞的函數(shù),稱為目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)一般表示為,優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值,目標(biāo)函數(shù)是對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題尋優(yōu)的準(zhǔn)則和基礎(chǔ),采用不同的目標(biāo)函數(shù),所求的優(yōu)化結(jié)果也不盡相同,有時(shí)還相差很大。這里選用減速器有效輸出扭矩為。選擇減速器有效輸出扭矩作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)直接優(yōu)化能耗指標(biāo),使抽油機(jī)取得好的節(jié)能效果。(2)系減速器輸出瞬時(shí)凈扭矩的均方根值,一般說(shuō)來(lái),追求極小化,使作用于曲柄軸的凈扭矩變化比較均勻,峰值扭矩和最大負(fù)扭矩?fù)?jù)絕對(duì)值能在一定程度上獲得控制。(3)考慮到抽油機(jī)機(jī)載荷扭矩的特殊性,可對(duì)抽油機(jī)的桿件尺寸和平衡參數(shù)(最大平衡力矩和曲柄偏置角)并進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.6、10型抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型所謂數(shù)學(xué)模型就是要求選擇一組參數(shù),使其在滿足限制條件下某個(gè)預(yù)定追求的指標(biāo)最好。為便于求解,常把各種實(shí)際工程問(wèn)題抽象為規(guī)范化的數(shù)學(xué)表達(dá)式.通常用x表示優(yōu)化過(guò)程中各參量(稱為設(shè)計(jì)變量),優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表示,各種約束條件用函數(shù)或表示。2。6.1.設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量是優(yōu)化設(shè)計(jì)要優(yōu)選的量,用個(gè)設(shè)計(jì)變量、、…、組成的列向量表示,即。以個(gè)設(shè)計(jì)變量為坐標(biāo)軸構(gòu)成的維幾何空間稱為設(shè)計(jì)空間,用符號(hào)表示。在設(shè)計(jì)空間中每一組設(shè)計(jì)變量的具體值就是一個(gè)點(diǎn),代表一個(gè)設(shè)計(jì)方案.它的每一個(gè)分量都是相互獨(dú)立的。對(duì)于游梁式抽油機(jī)主體參數(shù)一次優(yōu)化完全確定,包括前臂長(zhǎng)、后臂長(zhǎng)、連桿長(zhǎng)、曲柄旋轉(zhuǎn)半徑、基桿水平投影長(zhǎng)度、基桿垂直投影長(zhǎng)度、最大平衡扭矩、曲柄平衡重偏置角。2.6.2.目標(biāo)函數(shù)對(duì)于一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,存在許多組可行的方案,其中哪一方案好,需要有一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,這個(gè)用于評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)變量取值好壞的函數(shù),稱為目標(biāo)函數(shù).根據(jù)以上對(duì)游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的分析,尚選不出一個(gè)對(duì)任何載荷模型都適用并使抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)、能耗指標(biāo)和動(dòng)力指標(biāo)同步優(yōu)化的完美參數(shù)作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。建立抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法是:認(rèn)定一個(gè)典型的載荷模型,選擇一個(gè)相對(duì)最好的參數(shù)作為目標(biāo)函數(shù),通過(guò)約束條件對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)救。具體步驟如下:1)選擇減速器有效輸出扭矩作為目標(biāo)函數(shù),同時(shí)對(duì)它的缺點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)救。即通過(guò)約束條件對(duì)峰值扭矩和最大扭矩絕對(duì)值進(jìn)行限制。2)認(rèn)定其凈載荷理論示功圖如圖1所示的抽油機(jī)典型載荷模型作為設(shè)計(jì)依據(jù)。假定10型抽油機(jī)的原始設(shè)計(jì)參數(shù)為56抽油泵,下泵深度1700,抽油桿長(zhǎng)25.4和22。2各占40%和60%,沖程長(zhǎng)度4.2。3)示功圖的計(jì)算由表查的10型56的抽油桿型號(hào)是,最大沖程為12,電動(dòng)機(jī)采用225-8型,在圖3-1-1-21基本型游梁式抽油機(jī)與深井泵組合的特性圖取Q=50m/d,采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)推薦的有桿泵抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法——.3/4抽油桿柱直徑為19。05的每米質(zhì)量為,則7/8的桿柱直徑為的每米質(zhì)量為,同理抽油桿直徑為的每米質(zhì)量為.,.所以,抽汲液體密度=934kg/m(含水34%)。=7850kg/m為抽油桿(鋼)密度。得???(2-17)忽略沉沒(méi)度,則L=H.則柱塞截面積為,由抽油泵排量系數(shù)表查的,故為考慮沉沒(méi)壓力后,作用在整個(gè)柱塞截面積上的液柱載荷,即上沖程中作用在柱塞上、下的載荷差;為考慮液體浮力后的抽油桿柱載荷(即抽油桿柱在液體中的重量),也是下沖程的靜載荷。4)抽油機(jī)的平衡計(jì)算當(dāng)抽油機(jī)沒(méi)有平衡裝置時(shí),由于上、下沖程中懸點(diǎn)載荷不均衡,滿足上沖程負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)在下沖程中將做負(fù)功,從而出現(xiàn)抽油機(jī)不平衡現(xiàn)象。不平衡將造成電動(dòng)機(jī)功率的浪費(fèi),降低電動(dòng)機(jī)的效率,縮短電動(dòng)機(jī)及抽油裝置的壽命,破壞曲柄旋轉(zhuǎn)的均勻性。要是抽油機(jī)在平衡條件下運(yùn)轉(zhuǎn),就應(yīng)使電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中都做正功且做功相等。最簡(jiǎn)單的方法便是在抽油機(jī)游梁后臂上加一重物,在下沖程中讓抽油桿自重和電動(dòng)機(jī)一起來(lái)對(duì)重物做功,而在上沖程時(shí),則讓重物儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)和電動(dòng)機(jī)一起對(duì)懸點(diǎn)做功,即 ? ?? (2-18)? ? ??(2—19)式中,為懸點(diǎn)在上、下沖程做的功;,為電機(jī)在上、下沖程做的功;為重物在下沖程儲(chǔ)存的能量或重物在上沖程釋放的能量.要是抽油機(jī)工作平衡,則應(yīng)使電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中所做的功相等,即:則 ? (2-20)即,為了達(dá)到平衡,在下沖程中需要對(duì)重物做的功和上沖程中需要重物釋放的能量為: ? (2-21)式(2-21)表明,為了使抽油機(jī)平衡運(yùn)轉(zhuǎn),在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量應(yīng)該是懸點(diǎn)在上、下沖程中所做功之和的二分之一.式(2-21)便是進(jìn)行平衡計(jì)算的基本公式。抽油機(jī)的平衡計(jì)算,就是在一定抽汲參數(shù)條件下,計(jì)算為使抽油機(jī)工作在平衡狀態(tài)下所需要的平衡物的重量或確定一定平衡重量物的位置.由于慣性載荷在上、下沖程所做的功等于零,因此在討論懸點(diǎn)在上、下沖程中所做的功時(shí),可以不考慮慣性載荷。懸點(diǎn)在上、下沖程中所做的功分別為:??? (2-22) ? ?(2—23)將上面結(jié)果代入(2—21)中得? (2—24)對(duì)曲柄平衡:如圖所示,對(duì)于曲柄平衡,其重物在下沖程中所儲(chǔ)存的能量為 ? ??(2—25)式中,,為曲柄自重和曲柄平衡塊重;為抽油機(jī)本身的不平衡值;,,為分別為曲柄平衡半徑、曲柄重心半徑、曲柄半徑。設(shè)計(jì)時(shí)取、0得E=2R將上式代入(2—21)中,并考慮s=2ra/b,可得平衡半徑R為 ??? (2-26)由知,得 ? ? (2—27)圖2—5抽油機(jī)幾何尺寸與曲柄銷受力圖5)凈扭矩的計(jì)算抽油機(jī)的分析如圖2-5所示,可從游梁式系統(tǒng)和曲柄連桿系統(tǒng)兩部分進(jìn)行分析。分別在曲柄連桿系統(tǒng)和游梁系統(tǒng)中,取力矩平衡得 ????(2—28) ?(2-29) ? ?? (2-30)式中為懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加速度,;,為分別為作用在曲柄銷處的切線力和連桿的拉力,;為折算到曲柄上回旋半徑處的平衡重量,.由式(2-29)和式(2-30)消去,可求得復(fù)合平衡條件下的扭矩計(jì)算公式:??(2-31)曲柄平衡抽油機(jī),,則扭矩計(jì)算公式為 ?? ?(2—32)對(duì)于曲柄平衡的抽油機(jī),公式(2-32)中的第一項(xiàng)表示懸點(diǎn)載荷W在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩,稱之為油井負(fù)荷扭矩,用M表示,可寫成 ? ?? (2-33)令 ? ? ? (2-34)則?? ?? (2—35)為稱作扭矩因數(shù)或扭矩因子,即為懸點(diǎn)載荷在曲柄上造成的扭矩與懸點(diǎn)載荷W的比值。式(2-32)中的第二項(xiàng)表示曲柄及其平衡重在曲柄上造成的扭矩,稱之為曲柄平衡扭矩,可寫成把曲柄軸上的負(fù)荷扭矩M與曲柄平衡扭矩之差,稱作凈扭矩,用M表示為: (2—36)式中為懸點(diǎn)最大靜載荷.,,,為曲柄與垂線的夾角。圖2—6抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖由圖2—6所建數(shù)學(xué)模型為:設(shè)計(jì)變量:目標(biāo)函數(shù):(2—37)式中,;;;為曲柄與垂線的夾角。2.6.3。約束條件約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)變量取值的限制條件,對(duì)于游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì),不外乎三中類型:即運(yùn)動(dòng)參數(shù)的約束;耗能參數(shù)的約束;動(dòng)力參數(shù)的約束.約束條件的作用有兩個(gè)方面:第一,保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有存在的意義,如滿足沖程長(zhǎng)度的要求和使曲柄存在的條件;第二,保證抽油機(jī)的動(dòng)力性能在合適的范圍內(nèi),如控制減速器輸出軸最大凈扭矩、平衡率、交變載荷系數(shù)等。約束條件是控制抽油機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的手段,也是對(duì)目標(biāo)函數(shù)的補(bǔ)充.因此,約束條件應(yīng)緊緊圍繞上述兩方面作用來(lái)確定,既要包含設(shè)計(jì)尋優(yōu)準(zhǔn)則,又要保證各個(gè)約束條件之間的相互獨(dú)立性。(1)曲柄存在條件:并規(guī)定、、、取值圍保證為最長(zhǎng)桿,為最短桿。即.(2)極位夾角控制:。上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為,下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為??刂茦O位夾角可以控制上下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)間.(3)曲柄平衡重偏置角限制:.考慮到曲柄結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)可能性.當(dāng)小于時(shí),曲柄上要形成一個(gè)凸耳,將影響到平衡重的移動(dòng)。即.游梁擺角限制:。因?yàn)樗裕撼橛蜋C(jī)最大尺寸限制:.因?yàn)?,所以初始角控制:。因?yàn)樗宰畲筘?fù)扭矩絕對(duì)值限制:。即峰值扭矩限制:.即。2。7、用MATLAB對(duì)模型進(jìn)行求解2。7.1、MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB()為美國(guó)Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的數(shù)值分析和計(jì)算軟件,其功能不斷擴(kuò)充,版本不斷升級(jí),1992年推出劃時(shí)代的4。0版,1993年推出了可以配合使用的微機(jī)版,95年4.2版,97年5.0版,99年5.3版,5.版無(wú)論是界面還是內(nèi)容都有長(zhǎng)足的進(jìn)展,其幫助信息采用超文本格式和PDF格式,可以方便的瀏覽。至2001年6月推出6。1版,2002年6月推出6.5版,繼而推出6.5.1版,2004年7月MATLAB7和被推出,目前的最新版本為7.1版。?
MATLAB將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在一起,為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問(wèn)題的分析計(jì)算和程序設(shè)計(jì)工具,它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能,是具有全部語(yǔ)言功能和特征的新一代軟件開發(fā)平臺(tái).?
MATLAB已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科,多種工作平臺(tái)、功能強(qiáng)大的大型軟件.在歐美等國(guó)家的高校,已成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具。成為攻讀學(xué)位的本科、碩士、博士生必須掌握的基本技能.在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)開發(fā)部門,被廣泛的應(yīng)用于研究和解決各種具體問(wèn)題.在中國(guó),也已日益受到重視,短時(shí)間內(nèi)就將盛行起來(lái),因?yàn)闊o(wú)論哪個(gè)學(xué)科或工程領(lǐng)域都可以從中找到合適的功能。2。7.2。優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序functionf(x)=myfun(x)symsx1x2x3x4x5x6x7f(x)=80033*x(1)*x(5)/x(6)*sin(2*pi—acos((x(6)^2+x(4)^2—x(2)^2-x(3)^2—x(5)^2+2*x(5)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)*cos(x(3)+asin(x(2)/sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))/2*x(4)*x(6)))-asin((x(5)*sin(x(3)+asin(x(2)/sqrt(x(2)^2+x(3)^2))))/sqrt(x(2)^2+x(3)^2+x(5)^2—2*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)*x(5)*cos(arcsin(x(2))/sqrt(x(2)^2+x(3)^2))))-acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2+x(5)^2—2*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)*x(5)*cos(asin(x(2)/sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))—x(4)^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2+x(5)^2—2*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)*x(5)*cos(arcsin(x(2)/sqrt(x(2)^2+x(3)^2))))))-(asin(x(2)/sqrt(x(2)^2+x(3)^2))))/(sin(acos((x(6)^2+x(4)^2-x(2)^2-x(3)^2—x(5)^2+2*x(5)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)*cos(asin(x(2)/sqrt(x(2)^2+x(3)^2))))/(2*x(4)*x(6)))))—(60851*x(1)*x(5)*sin(x(7)))/x(6)function[c,ceq]=mycon(x)c(1)=-x(4)-x(6)+x(5)+sqrt(x(2)^2+x(3))%曲柄存在的條件;c(2)=x(4)-sqrt(x(2)^2+x(3)^2)%K為最長(zhǎng)桿;c(3)=x(6)-sqrt(x(2)^2+x(3)^2)c(4)=x(5)—sqrt(x(2)^2+x(3)^2)c(5)=sqrt(x(2)^2+x(3)^2)-5。3%抽油機(jī)最大尺寸限制;c(6)=acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)+x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))-acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)—x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))—57/180*pi%游梁擺角的限制;c(7)=40/180*pi-acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)+x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))+acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)-x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))c(8)=acos((x(5)+x(4))^2+(x(4)-x(5))^2—2*x(6)^2-2*x(6)^2cos(acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)+x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))-acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)-x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))))/(2*(x(4)+x(5)*(x(4)-x(5)))))—14/180*pi%極位夾角的控制;c(9)=1/20*pi—acos((x(5)+x(4))^2+(x(4)-x(5))^2—2*x(6)^2-2*x(6)^2cos(acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2-(x(5)+x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))-acos((x(6)^2+x(2)^2+x(3)^2—(x(5)-x(4))^2)/(2*x(6)*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))))/(2*(x(4)+x(5)*(x(4)-x(5)))))c(10)=1/2*pi-atan(x(3)/x(2))-acos((x(4)+x(5)^2+x(2)^2+x(5)^2—x(6)^2)/(2*(x(4)+x(5))*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))-1/12*pi%初始角的控制;c(11)=—1/2*pi+atan(x(3)/x(2))-acos((x(4)+x(5)^2+x(2)^2+x(5)^2—x(6)^2)/(2*(x(4)+x(5))*sqrt(x(2)^2+x(3)^2)))c(12)=abs(—f(x))/f(x)—0.15%最大負(fù)扭矩絕對(duì)值限制;c(13)=f(x)-5500%峰值扭矩限制;A=[0,0,0,—1,1,0,0;0,0,0,0,1,-1,0;0,0,0,0,
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