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机械系统动力学PPT


机械系统动力学 三级项目汇报
---------游梁式抽油系统曲柄运动 规律的动态仿真
组长:王冠 成员:张庆勋 习卫娜 刘琼 卢宇轩

一、项目背景及意义
? 背景
目前,采油方法有自喷采油方法和机械采油方法两种。 机械采油法又分为气举法和抽油法两种。气举法的特点是 利用压缩气体的能量,把原油举升到地面。而抽油法的特 点是将各种结构的泵放到井下进行抽油。从国外石油工业 最发达的国家来看,用抽油法开采的井数在生产井数中占 绝对多数。在我国,用抽油法开采的井数在生产中占90% 以上。用抽油法开采,国内外应用最广泛的抽油设备就是 游梁式抽油机,或称作有杆抽油设备。它的结构简单,制 造容易,维护方便。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。

? 意义
通过此次游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真项 目的开展,完成游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真 分析。在讨论课“游梁式抽油系统曲柄运动规律动态仿真 建模”的基础上,完成游梁式抽油系统曲柄运动规律的动 态仿真分析,进一步掌握机械系统动力学仿真的过程和方 法:问题描述;力学与数学建模;数字仿真模型;仿真平 台与仿真软件;仿真分析。同时增强同学们积极思考,使 学生掌握机械系统动力学的基本理论及解题基本方法,提 高学生的独立学习能力,提高学生应用理论解决实际问题 的能力,增强同学小组成员间的合作能力,对小组成员解 决问题的能力是一种提高。

二、仿真步骤
抽油机仿真模型的建立,主要是通过将系统 中所有的构件等效到曲柄上,通过一系列计算, 得到等效驱动力矩、等效阻力矩以及等效转动惯 量,从而建立系统的微分方程,并通过软件将微 分方程解出。 ? ? ? ? 系统描述,建立力学模型 模型参数确定 建立系统运动微分方程 数值仿真模型

三、抽油机结构简图
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

四、系统参数确定
4.1电机
4.1.1电动机参数
电机型号 额定功率 同步转速 /kw r/m Y200L-6 30 1000 满载转速 r/min 980 过载系数

2.0

4.1.2电机机械特性
根据电动机一般特性曲线可得出电动机驱动 扭矩表达式:
M ? 2? K M H S K W0 (W0 ? ? ) S W ? (W0 ? ? ) 2
2 K 2 0 . .

其中:

将各数据代入公式可得 M ?

104249 .12?104.67 ? ? ? 79.16 ? ?104.67 ? ? ?
2

M与? 的关系曲线

4.2抽油机已知参数
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; τ——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,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——游梁组件相对其回转中心的转动惯量,kg.m2。 2.3.2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; P 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。
' R

4.3假设条件
为便于对子系统的建模,作如下几点假设: (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;

4.4工作系统各部件分析
4.4.1各杆件角速度、角加速度
图中几何关系为:

将以上式子对时间求导可得角速度:

将角速度对时间求导可得角加速度:

? 2 ? 3 ? 4 与 ? 的关系曲线

4.4.2悬点位移、速度与加速度
(1)悬点冲程长度SPR:

(2)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: PR ? ?? ?? ?A
max

另外以上死点为位移零点,向下为位移的正方向,则悬点位移 为: ?

U ?t ? ? ?? ?? min ?A

(3)悬点速度与加速度
悬点向上运动为位移的正方向,则:

v A ? ? 4 A ? 3.935? 4
a 4 ? ? 4 A ? 3.935? 4
.. ..

.

.

4.4.3扭矩因数 TF
A sin ?? 3 ? ? 2 ? TF ? ? R C sin ?? 3 ? ? 4 ?
_

TF与 ? 的关系曲线 PR、

4.4.4等效驱动力矩
由参考书可得出电机等效驱动力矩表达式如下:
M ed ? iMB? MB
k1 . ? ? M M ? iMB ? ? ? ?

其中:

iMB ? iB ?i R1?iR 2 ? 157.575

?MB ? 0.98? 0.984 ? 0.992 ? 0.886
将数据代入公式,得:

M ed1 ? 157 .575? 0.886? M M ?157 .575? ? ?

M ed 2 ? 157.575?1.13? M M ?157.575? ? ?

等效驱动力矩与θ的关系

4.4.5悬点载荷分析

各段曲线方程
由图可知四点坐标如下: A

?0, ,P ?
' R

B

??, P

'

R

?PL
'

?

C

?S, P

'

R

?PL
'

?

D

?S ? ?, P ?
' R

A(0,36000),B(0.2,66000),C(0.55π,66000),D(0.55π-0.2,36000)
可推出各段曲线方程:

AB:
BC: CD: AD:

P S ? 36000 1 ? 150000
P 2 ? 66000
P S ? 193050 3 ? 150000

P 4 ? 36000

悬点载荷与 ? 的关系曲线

4.4.6等效阻力矩
P 由等效阻力矩公式:

?4 A ?
.

.

? Mef

因此可得出以下四个等效阻力矩:

AB:

Mef1 ? P 1

?4 A ?
.
.

.

?150000 ?? 3.935? 4 S ? 36000 ?
?
.

.

BC:

Mef2 ? P2

?4 A ?
.

?

66000? 3.935? 4

.

?
.

.

CD:

Mef3 ? P3

?4 A ?
.

.

?150000 ?? 3.935? 4 S ? 193050 ?
?
.

AD:

Mef4 ? P4

?4 A ?
.

.

?

36000 ? 3.935? 4

.

?

.

等效阻力矩与θ的关系曲线

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

S ? PR ? ?? max ?? ?A

已知如下参量:
? max
? C 2 ? K 2 ? ?R ? P ?2 ? ? arccos? ? ? 0.27? 2 CK ? ?
? C 2 ? L2 ? P 2 2CL ? ? ? L2 ? 1.2 ? ? ? ? arccos ? ? 5.64L ? ? ? ? ?

? ? ? arccos ?

L?

R 2 ? K 2 ? 2 RK cos? 2 ?

19.32 ? 9.08cos?0.22 ? ?? ?
? ? arcsin?
?R ? ? 1.064 ? sin ? 2 ? ? arcsin? sin ?0.22? ? ? ?? ?L ? ? L ?

将 ψ代入得

S ? 3.935? ?0.27? ?? ?

S随θ的关系曲线


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