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1、机械系机械系统动力学力学一、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
2、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
3、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/kw同步转速r/m满载转速r/min过载系数Y200L-63010009802.04.1.2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
4、：其中：将各数据代入公式可得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；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
5、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；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。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
6、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：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
7、，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，向下为位移的正方向，则悬点位移为：(3)悬点速度与加速度悬点向上运动为位移的正方向，则：4.4.3扭矩因数PR、与 的关系曲线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：其中:将数据代入公式，得:等效驱动力矩与的关系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：ABCDA(0，36000),B(0.2，66000),C(0.55，66000)，D(0.55-0.2，36000)可推出各段曲线方程：AB:BC:CD:AD:悬点载荷与 的关系曲线4.4.6等效阻力矩由等效阻力矩公式：因此可得出以下四个等效阻力矩：AB:BC:CD:AD:等效阻力矩与的关系曲线其中：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已知如下参量：将 代入得S随的关系曲线谢谢观赏谢谢观赏