常规游梁式抽油机优化设计毕业论文(编辑修改稿)

常规游梁式抽油机优化设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

运动、动力性能优，节能效果好的抽油机占领市场一直是抽油机厂家、抽油机研究单位追求的目标，进行抽油机结构参数优 化设计研究就是为了达到这一目的而开展的。 对抽油机主体参数设计的要求 游梁式抽油机依靠驴头的上下往复摆动，通过抽油机杆柱带动井下抽油泵实现从井底吸油和向地面排油，其载荷状况极其特殊。 主要特征是，驴头悬点载荷与抽油杆柱和油井液柱构成一弹性系统，上下行程载 7 荷相差甚大。 因此采取相应措施，分析悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图。 由于游梁式抽油机工作环境复杂，在生产过程中，受到制造质量、安装质量，以及砂、蜡、水、气、稠油和腐蚀等多种因素的影响，所以，实测悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图的形状很不规则。 为了正确分析和 解释悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图，常常以静载荷理论示功图（如图 22）、静载荷和惯性载荷模拟示功图（如图 23）为基础，进而分析和解释抽油机悬点载荷的变化。 图 22 抽油机静载荷理论示功图 静载荷作用的理论示功图为一平行四边形，如图 22 所示。 ABC 为上冲程静载荷变化线，其中 AB 为加载线。 加载过程中，游动阀和固定阀均处于关闭状态， B 点为加载结束，因此λ =39。 BB，此时活塞与泵筒开始发生相对位移，固定阀开始打开液体进泵，故 BC 为吸入过程。 CDA为下冲程静载荷变 化线，其中 CD 为卸载线。 卸载过程中，游动阀和固定阀均处于关闭状态，到 D 点卸载结束，因此λ =39。 DD，此时活塞与泵筒开始发生相对位移，游动阀被顶开，泵开始排液，故 DA 为排出过程 A W PS /B B C D SP S /D S  8 图 23 静载荷和惯性载荷模型示功图 考虑到惯性载荷的理论示功图是将惯性载荷叠加在静载荷上，结果因惯性载荷的影响使静载荷理论示功图被扭曲一个角度，并且变为不规则四边形，如图 23 所示，为静载荷和惯性载荷模型示功图。 如果加上振动载荷，并考虑到油井天然气的影响以及泵阀开启，关闭滞后等因素，抽油机悬点载荷变化将更加复 杂。 游梁式抽油机主体参数设计应充分考虑到这种极其复杂的载荷特点，使抽油机的运动指标，能耗指标及动力指标均获得最优解，或者三者互相兼顾，以达到最佳状态。 运动指标 抽油机的运动指标的代表参数是上行程最大悬点加速度 maxa ，减小maxa 是抽油机主体参数设计所追求的目标之一。 目前，可以通过下列方法求的抽油机悬点运动规律的精确解，其计算方法如下： 9 图 24 游梁式抽油机结构简图 游梁式抽油机结构参数如图 24 所示。 在任一时刻 游梁与铅垂线间的夹角  为 ：  =  （ 21） bJ lJb 2ar cco s [ 222  ] (22) ]c o ss ina r c t a n [   rGH rI （ 23） 2)c o s()s in(  rGHrIJ （ 24） 将式 (22)和式（ 23）代入式 (21)中得： ]co ss i nar c t a n []2ar c co s [ 222   rGH rIbJ lJb （ 25） 游梁摆动时存在一个最小夹角 min ，可按下式计算： ]2 )(a r cc o s [ 2220m i n bk rlkb   （ 26） 10 其中， 22 )( GHIK 。 GH I arc tan0。 因此，任一时刻游梁的角位移  为； min  （ 27） 由式（ 27）便可进一步求出玄点的位移 AS ,速度 Av 和加速度 Aa 分别为； ][ m in  aSA （ 28） )s in ( )s in ()s in ([ 0     J bKrbav A （ 29） )s i n ()c o s ()c o s (2)s i n ()]c o s ()c o s ([2//02 JbJrbbaJbKrbaaA （ 210） 考虑到抽油机四连杆机构存在如下的几何关系：  s in)s in ()s in ( 0 lbK   s in)s in( lJ  可得悬点速度和加速度的令一种较为简便的表达式：  sinsinrbavA （ 211） )]s i n (c o ss i n)s i n (s i n[ c o ss i n0032brlKrbaaA （ 212） 因为 AA va 所以当 00s i n0s i ns i n0   rbav A或180 时， Aa 取得最大值。 当 0 时 ， 11  2 02m a x s i n )s i n(  blaK ra A （ 213） 式中， 222222222 4 ])([4s in lb rKlblb  ， )(2 )(a r c c o sa r c s in222rKb lrKbKI    当 180 时，  2 02m a x s in )s in(  blaK ra A （ 214） 式中， 222222222 4 ])([4s i n lb rklblb  ， )(2 )(a r c c o sa r c s i n222rKb lrKbKI    减小最大悬点加速度 maxAa ，可以增加抽油泵柱塞向上运动的平稳性，使上行程时的抽油杆柱， 柱塞及液柱的平均运动速度降低，这有助于井液的吸入，增加抽油泵的充满系数和提高泵效。 此外，减小最大悬点加速度 maxAa ，可使作用于抽油杆柱的惯性载荷降低。 在相同的静载荷作用下，降低惯性载荷，就意味着降低悬点载荷。 这不仅可以降低作用于抽油机各杆件上的负载，而且可以减小抽油杆柱断脱得可能性。 而在抽油机标定的额定载荷下，可以通过增加抽油泵的泵挂深度，或者通过加大抽油泵的泵径达到“小泵深抽”或“大泵排液”的效果。 由于抽油杆柱及包括液流在内的运动系统的运动摩擦阻力随着抽油机上冲 程平均速度的减小而降低，同时也因惯性载荷的降低可以减小抽油杆柱的冲程损失，增加抽油泵柱塞在泵筒中运动的有效冲程，从而可提高抽油泵的泵效。 能耗指标 抽油机能耗指标的代表参数是减速器有效输出扭矩 eM 和电动机的有效输出功率 eN ，二者的计算公式如下 12    20 2ne d21 MM （ 215） 9550nee MN  (216) 式中， nM 为减速器输出净扭矩； n 为冲次，  为传动效率。 减小电动机的有效输出功率 eN 就意味着节能降耗。 在油田推广使用这种节能降耗的采油设备无疑具有十分巨大的经济利益。 动力指标 抽油机动力指标的代表参数是减速器峰值扭矩 maxM 和最大负扭矩绝对值 maxM。 减速器峰值扭矩 maxM 太大，使齿轮载荷增加。 其最大负扭矩绝对值 maxM 太大使齿轮反冲击载荷增大，均影响减速器寿命。 因此抽油机主体参数设计，应当尽量减小减速器峰值扭矩 maxM 和其最大负扭矩绝对值 maxM。 优化设计目标函数 对于一个优化设计问题，存在许多组可行的方案，其中哪一方案最好，需要有一个评价函数。 在优化设计中，这个用于评价设计变量取 值好坏的函数，称为目标函数。 目标函数一般表示为），，（）（ n21 xxxfxf  ，优化设计的目的是目标函数达到最优值，目标函数是对设计问题寻优的准则和基础，采用不同的目标函数，所求的优化结果也不尽相同，有时还相差很大。 这里选用减速器有效输出扭矩 eM 为。 选择减速器有效输出扭矩作为目标函数的优点是： （ 1）直接优化能耗指标，使抽油机取得好的节能效果。 （ 2） eM 系减速器输出瞬时净扭矩的均方根值，一般说来，追求eM 极小化，使作用于曲柄轴的净扭矩变化比较均匀，峰值扭矩 maxM 和最大负扭矩据绝对值 maxM 能在一定程度上获得控制。 （ 3） 考虑到抽油机机载荷扭矩的特殊性，可对抽油机的杆件尺寸和平衡参数（最大平衡力矩 M 和曲柄偏置角  ）并进行设计。 10 型抽油 机优化设计数学模型 所谓数学模型就是要求选择一组参数，使其在满足限制条件 下某个预定追求的指标最好。 为便于求解，常把各种实际工程问题抽象为规范化的数学表达式。 通常用 x 表示优化过程中各参量（称为设计变量）， 13 优化目标函数 f 表示，各种约束条件用函数 g 或 h 表示 设计变量 设计变量是优化设计要优选的量，用 n 个设计变量 n21 xxx 、 组成的列向量表示，即 TX ），，（ n21 xxx 。 以 n 个设计变量为坐标轴构成的 n 维几何空间称为设计空间，用符号 nEX 表示。 在设计空间中 每一组设计变量的具体值就是一个点，代表一个设计方案。 它的每一个分量都是相互独立的。 对于游梁式抽油机主体参数一次优化完全确定，包括前臂长 A 、后臂长 C 、连杆长 P 、曲柄旋转半径 R 、基杆水平投影长度 I 、基杆垂直投影长度 H 、最大平衡扭矩 M 、曲柄平衡重偏置角 。 目标函数 对于一个优化设计问题，存在许多组可行的方案，其中哪一方案好，需要有一个评价函数。 在优化设计中，这个用于评价设计变量取值好坏的函数，称为目标函数。 根据以上对游梁式抽油机优化设计目标函数的分析，尚选不出一个对任何载荷模型都适用并使 抽油机的运动指标、能耗指标和动力指标同步优化的完美参数作为优化的目标函数。 建立抽油机优化设计数学模型的方法是：认定一个典型的载荷模型，选择一个相对最好的参数作为目标函数，通过约束条件对其缺点进行补救。 具体步骤如下： 1) 选择减速器有效输出扭矩 eM 作为目标函数，同时对它的缺点进行补救。 即通过约束条件对峰值扭矩 maxM 和最大扭矩绝对 值 maxM 进行限制。 2)认定其净载荷理论示功图如图 1 所示的 抽油机典型载荷模型 作为设计依据。 假定 10 型抽油机的原始设计参数为 56 抽油泵，下泵深度 1。