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游梁式抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 摘要 本论文以游粱式抽油机和井下抽油杆柱为研究对象。根据游粱式抽油机的机构特点，考虑了双 曲柄、多平衡块，双连杆等各部件的几何尺寸、质量和连接方式，采用i - d e a s 软件建立了 c y j i o 一3 5 3 h b 型抽油机三维实体机构动力学模型，把井下抽油杆处理成质量、弹簧和阻尼系统模型， 将地面抽油机与井下抽油杆做为整体进行动力学分析，通过仿真运算得到抽油机相关的动力学参数， 与经典算法相比绝大多数参数误差在5 以内，最大误差为6 7 。在抽油机动力学分析基础上提出 了基于扭矩法调平衡技术，考虑一段时间内多个示功图的综合效果，加权平均后进行动力学分析， 编程计算得到调整方案，经现场3 口井应用表明基于动力学仿真的扭矩法调平衡技术与电流法相比， 结果基本吻合，最大误差在5 5 以内，解决了电流法虚假平衡现象。针对游梁式抽油机的结构，依 据平面简化模型提出了基于抽油机动力学分析的曲柄转速诊断技术，解决了应用i - d e a s 软件对三维 实体模型求解时曲柄转速解的不确定性，将示功图进行转换并经过计算得到曲柄的运动参数，从而 对曲柄运行是否正常作出判断，经对两种型号抽油机的计算表明曲柄转速运行时一直处于波动状态。 针对井下抽油杆柱，应用有限单元法和间隙元理论对其进行动力学分析，考虑柔性钢丝绳抽油杆受拉 不受压的力学特性，编制了f r s d a 动力学软件，对抽油杆柱进行振动模态和瞬态动力学分析，通过 计算得到抽油杆柱在井下运动情况及受力状态，能够描述抽油杆摩擦、碰撞接触等现象，计算结果 为抽油杆的设计、优化、诊断提供了理论依据。 关键词：动力学；软件；有限元；游梁式抽油机；抽油杆；调平衡；诊断：柔性 l l d y n a m i c sa n a l y s i so fb e a mp u m p i n gu n i ta n ds u c k e rr o ds y s t e m a b s t r a e t t a k et h eb e a mp u m p i n gu n i ta n ds u c k e rr o da sar e s e a r c h o b j e c t b a s e d o nt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fb e a mp u m p i n gu n i t , c o n s i d e r i n gg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n ，q n n l i t ya n dc o n n e c t i n gw a yo f d o u b l ec r a n k s ，m u l t ib a l a n c eb l o c k d o u b l ec o n n e c t i n gr o d se t c u s i n gt h ei d e a ss o f t w a r et oe s t a b l i s h 3 de n t i t ym e c h a n i s m sd y n a m i c sm o d e lo fc y j l 0 - 3 5 3h b ，a n dp a r t i t i o nt h es u c k e rr o da sq u a l i t y , s p r i n g c o i la n dd a m p i n gs y s t e mm o d e l ，m a k et h eb e a mp u m p i n gu n i ta n ds u c k e rr o da sae n t i r e t yt oa n a l y s e g e t l i n gt h ed y n a m i c a lp a r a m e t e ro ft h eb e a mp u m p i n gu n i tb ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n , a n di ti sa v a i l a b l e c o m p a r i n gw i t ht h ec l a s s i c a la l g o r i t h m s a n dl h ee r r o ri sm o s t l yu n d e r5 , t h em o s te r r o l i s6 7 b e i n go n t h e s eg r o u n d sp mf o r w a r dt h et e c h n i q u eo ft o r q u em e t h o dt oa d j u s te q u i l i b r i u m c o n s i d e r i n gd i f f e r e n t d y n a m o m e t e rc a r df o rs o m et i m e ，c a r r y i n go nt h ed y n a m i c sa n a l y s i sa f t e rw e i g i l t e da v e r a g e ，t h e ng e t t i n gt h e a d j u s t m e n t s c h e m eb yw o g r a m m i n gc a l c u l a t i o n t h r o u g ha p p l i c a t i o no ft h r e ew e l l ，t h ea d j u s t i n g e q u i l i b r i u mt e c h n i q u eb a s i n go ns i m u l s t i o nc o m p a r i n gw i t hc u r r e n tm e t h o d ，t h ee r r o ri su n d e r5 5 ，s o l v e t h e p r o b l e mo ff a l s ee q u i l i b r i u m p r o v i d i n gt h ea d j u s t i n ge q u i l i b r i u mt e c h n i q u eo fc o n s i d e r i n gt h e d y n a m o m e t e rc a r da te v e r ym o m e n tf o rb e a mp u m p i n gu n i t r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb e a mp u m p i n gu n i t ，p u tf o r w a r dt h ed i a g n o s t i ct e c h n i q u eo f c r a n ks p e e db a s i n go nd y n a m i c sa n a l y s i s o ft h eb e a mp u m p i n gu n i t 1 1 1 et e c h n i q u es o l v et h eu n c e r t a i n t yo f3 dm o d e l t r a n s f o r mt h ed y n a m o m e t e r c a r da n dg e t t h ep a r a m e t e r o f m o t i o no f c r a n k b yc a c u l a t i n g a s t oc a r r y o nd i a g n o s i s ，j u d g i n g t h ea b n o r m a l c o n d i t i o n so ft h eb e a mp u m p i n gu n i t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fr o t a t i o ns p e e do fc r a n kp r o v et h ec r a n k s p e e di sf l u c t u a n t r e s e a r c ho nt h es u c k e rr o d ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dg a pe l e m e n tt oc a r r yo n t h ed y n a m i c sa n a l y s i s a n dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a e t e r i s t i c so ff l e x i b l ew i r el i n er o dt h a ti tc a nb ej nt e n s i o n b a tc a n tb ei np r e s s d e v e l o pt h ef r s d as o f t w a r ef o rd y n a m i c sa n a l y s i s ，c a c u l a t et h ev i b r a t i o nm o d ea n d c a r r yo i ll h ed y n a m i c sa n a l y s i so ft h es u c k e rr o d g e tt h em o t i o nc o n d i t i o n sa n ds t r e s sc o n d i t i o no ft h e s u c k e rr o du n d e r g r o u n d ，a n dd e s c r i b et h ef r i c t i o n , i m p a c ta n dc o n t a c te t c t h er e s u l tc a l lp r o c i d et h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n ，o p t i m i z a t i o na n dd i a g n o s i so f t h es u c k e rr o d k e yw o r d s ：d y n a m i c s ；s o f t w a r e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；b e a mp u m p i n gu n i t ；s u c k e rr o d ；a d j u s t i n g e q u i l i b r i u m ；d i a g n o s i s ；f l e x i b l e i l l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：逑塞堂日期：塑2 ：墨：2 2 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：害厌宏是导师签名：虽呐屯佧 日期：) 形7 ? 砬日期： 一2 们，；2 创新点摘要 本论文主要针对常规游粱式抽油机和井下抽油杆柱进行动力学分析，论文的内容有以下三点创 新： 1 应用i d e a s 大型仿真软件建立了抽油机三维实体仿真模型，井下抽油杆柱简化处理为质量、 弹簧和阻尼系统模型，描述了抽油杆柱弹性和传递内力与运动的波动特性，将抽油杆柱与地面抽油 机做为一个系统，应用i d e a s 软件建立一个系统模型进行动力学分析 2 根据抽油机的平衡准则，基于抽油机三维实体动力学仿真，综合考虑一段时间内的悬点示功 图进行加权平均，经过仿真计算得到曲柄扭矩，采用扭矩法对抽油机进行调平衡。 3 对柔性钢丝绳抽油杆柱进行瞬态动力学分析时，考虑其抗拉不抗压的力学特性，在受压与受 拉的情况下采取不同的弹性模量来模拟杆柱受压时的受力情况。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 近2 0 年来，世界抽油机技术发展较快，抽油机的种类较多，按结构型式可分为常规 型游梁式抽油机、前置型游梁抽油机、偏置型游粱抽油机和异型游梁式抽油机等。而常 规型游粱式抽油机( 简称常规机) 是目前广泛采用的机型，它通常采用齿轮式减速器传 动、电动机驱动、曲柄平衡或复合平衡、侧转式驴头等结构f l l 。常规游梁式抽油机以其 结构简单、耐用、操作简便维护费用低等明显优势，一直占据着有杆泵采油地面设备的 主导地位，在人工举升中得到广泛应用f “l 。但是，常规型游梁式抽油机及其他型式的 游梁抽油机，受其结构的限制不易实现长冲程，否则将使抽油机变得很笨重。所谓常规 机结构限制，是由于其固定四连杆构件的杆件长度受实际情况的限制，游梁摆角受四杆 机构“死角”的限制，因而不易实现小结构、长冲程嘲。此外，由于四连杆机构的限制， 常规机平衡效果不佳、动载荷大、能耗大等也是该抽油机的一大弱点。游梁式抽油机是 一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡 配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么 用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平 衡的好坏。平衡率为1 0 0 时电动机提供的动力仅用于提起一半液柱重量和克服摩擦力 等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。正因为抽油载荷每时每刻都在变化( 既 有周期性变化，也有无规则性变化) ，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化， 才使得游梁式抽油机的节能技术变得很复杂 6 1 。 随着世界抽油机技术发展，先后研究开发了多种新型抽油机，但是常规游梁式抽油 机在结构上改变不大。面对创建节约型社会的目标，节能、增产、耐用应当是抽油机技 术发展的必然趋势。所以为了克服常规抽油机能耗高的缺点，国内外的研究者主要采取 了三个途径【7 。q ： 1 在拖动电动机方面做文章，比如电机与常规机的匹配，尝试不同的驱动方式等。 主要分为三个方面：一是人为地改变电工动机的机械特性，以实现负荷特性的柔性配合， 从而提高系统效率实现节能，主要是改变电源频率；二是从设计上改变电动机的机械特 性( 如高转差和超高转差电动机) ，从而改善电动机与抽油机的配合，提高系统运行效率， 实现节能；三是通过提高电动机的负载率、功率因数，实现节能。 2 在常规抽油机的基础上进行技术革新和创造，继承其优点，克服其缺点，从而 达到节能降耗的目的。一个是从平衡方式上着手攻关，按照变矩平衡原理，研制开发了 许多节能高效的新型游梁式抽油机，使传统的游梁抽油机又呈现出强大的生命力；另一 个是从原理到结构型式上另辟新径，研制开发非四连杆机构的新型节能抽油机，如立式 无游梁抽油机、电动潜油螺杆泵和无杆泵等。 引言 3 在曲柄平衡游梁式结构框架内改善平衡效果，通过调平衡技术使抽油机处于较 好的平衡状态。在游梁式抽油机的平衡技术方面，传统的办法有三种：一是在曲柄上加 平衡块，即曲柄平衡；二是在游梁尾端加平衡块，即游梁平衡：三是在曲柄和游梁尾端 都加平衡块，即复合平衡。这三种平衡方式形成的平衡扭矩曲线都是规则曲线，而抽油 载荷扭矩曲线是非规则曲线，其叠加曲线存在较大的峰值扭矩和负扭矩。而克服这一难 题就是游梁式抽油机设计和节能技术所要攻克的对象。 在机械采油过程中，除了地面抽油机设备外，井下抽油杆柱也是很重要的部分，比 起抽油机抽油杆更容易发生故障，经常出现断裂、腐蚀及磨损等事故，是采油过程中的 薄弱环节吣0 6 i 。抽油杆是抽油机和抽油泵之间必不可少的连接部件，起着承载和传递动 力的作用。抽油杆柱上端与抽油机驴头下部的光杆连接，下端与抽油泵柱塞相连接。抽 油机工作时，由电动机作动力源，通过减速箱、曲柄连杆机构和游梁等，带动抽油机驴 头上下往复运动，因此抽油杆柱受力状态是不断变化的。近些年国内外很多油田开始用 柔性钢丝绳抽油杆代替刚性抽油杆杆1 1 7 , 1 m ，国外柔性抽油杆的研究始于6 0 年代初，我 国起步于2 0 世纪9 0 年代初，国内下井使用钢丝绳抽油杆的有青海、华北、大庆、胜利、 大港、中原、辽河等油田【1 9 1 。油井抽油用钢丝绳的力学性能、疲劳寿命、耐腐蚀性能非 常好，达到或超过了刚性抽油杆的水平 2 02 1 i 。国内外学者在抽油杆柱的力学分析上做了 很多工作。对于抽油杆的力学分析主要有断裂分析、杆管偏磨问题的研究、疲劳强度的 可靠性分析、振动分析、稳定性分析等几个方面，通过这些力学分析可以对抽油杆柱进 行优化设计、故障诊断等。 由于井下工作状况复杂，所以想要了解抽油杆柱受力及变形情况是比较困难的。最 常见的方法是波动方程法，另外，关于井下抽油杆柱动力学分析的方法还有：能量法、 有限差分法、有限单元法、间隙元法等，这些方法都是将杆柱作为弹性体进行单独研究， 没有与地面抽油机做为一个整体进行动力学分析。其中有限元法可以直接计算出各节点 的载荷和位移，不用像差分解那样分别计算，而且在用差分方程求解时，由于收敛条件 的限制，会遇到单元体长度选取过大，只有采取加密时间采样点，对于有的抽油杆接箍 较多，相当于一个集中质量，采用有限元法便于处理，结合间隙元能够描述抽油杆柱的 碰撞情况陋卅。目前，由于不同材料的新型抽油杆的研发和应用，也给抽油杆柱的力学 分析带来很多新的问题，其中柔性钢丝绳抽油杆近些年来应用逐渐广泛，它有着抗拉不 抗压的特性，所以在力学分析中比较有难度，还没有特别好的方法解决这一问题，需要 继续探索。 针对常规游梁式抽油机和井下抽油杆柱，本论文的主要研究内容有以下几个方面： 1 根据常规游梁式抽油机的机构及其运动特性，利用i d e a s 软件建立三维实体仿 真模型，并将井下抽油杆柱于抽油机做为一个整体对其进行动力学分析，通过计算得到 抽油机的各项运动参数及力学参数，将地面抽油机与井下抽油杆柱做为一个整体进行动 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 力学分析。 2 为了节能降耗，针对常规抽油机的调平衡问题，基于i d e a s 软件动力学仿真计 算，考虑了一段时间内的井下条件和多种示功图综合效果，通过仿真计算得到曲柄扭矩， 利用编制的程序计算得到平衡块调整方案，从而解决常规机的平衡问题，总体上使抽油 机处于较好的平衡状态。 3 基于悬点示功图对曲柄运动情况进行诊断。克服由悬点参数计算曲柄参数的多 解性，编制程序进行计算得到曲柄的速度和加速度，对其运行状态进行诊断，使抽油机 处于较好的运行状态。 4 对井下抽油杆柱进行瞬态动力学分析和简单模态振动分析。针对柔性钢丝绳抽 油轩柱的特点，考虑其受拉不受压的特性，应用有限单元法和间隙元法对柔性抽油杆柱 进行动力学分析，通过动力学分析合理的描述柔性抽油杆在井下的受力状况，为优化设 计、分析等提供理论依据。 论文的总体框架为：在总结现有调研资料及相关理论的同时，本论文的第一章完成 常规游梁式抽油机的动力学仿真；第二章完成抽油机的调平衡技术与诊断技术；第三章 主要竞成柔性抽油杆桂的动力学分析及应甩；最后，总结本论文的研究工作。 第一章基于i - d e a s 软件的c y j l 0 3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 第一章基于i - d e a s 软件的c y j l 0 3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力 学分析 目前对游梁式抽油机运动学和动力学分析的文章很多，从理论上看主要采用刚体运 动学和动力学理论，在运动分析中对曲柄和游梁进行定轴转动分析、对连杆进行平面运动 分析：在动力学分析中，大多数文章都采用机构等效动力学方法来进行研究，即选择等效 曲柄来进行动力学分析，显然该方法没有考虑抽油机各个构件的真实几何尺寸和质量，其 等效转动惯量、等效力矩计算也比较复杂，只有少数文章选择抽油机中主要部件为研究对 象，分别建立动力学方程求解 2 5 - 2 9 i 。从简化模型上看主要有：曲柄等效动力学模型，如 图i 1 所示，即将抽油机主要部件等效到曲柄，并以曲柄为研究对象进行动力学分析， 抽油机平面动力学分析模型，如图1 2 所示，即将曲柄和连杆等附件等效到对称面上进行 平面动力学分析。 图1 1 抽油机等效动力学模型 f i g l - le q u i v a l e n td y n a m i c sm o d e lo f b e a mp u m p i n gu n i t 图1 2 抽油机平面运动动力学模型 f i g l 一2 p l a n ed y n a m i c sm o d e lo f b e a mp u m p i n gu n i t 本论文采取抽油机三维实体动力学分析模型，如图1 3 所示，分别考虑各部件的真 实几何尺寸和质量，分别建立动力学方程求解。这种简化模型在处理悬点载荷时也有两种 途径，其一是直接输入悬点载荷，不考虑井下杆柱的受力状态；其二是把井下杆柱处理成 弹性体，并将抽油机和杆柱作为一体进行动力学分析，显然第二种处理方法相对合理，但 井下杆柱的受力变形状态相当复杂，要合理选择各种参数、正确描述出杆柱的受力变形状 态也是非常困难，因此，利用示功图直接给出悬点载荷也是一种切实可行的方法。 从计算手段来看，目前采用的软件主要有：自行开发的各种抽油机运动学和动力 学分析专用软件，这种软件针对性强、易于使用，但通用性差、前后处理和虚拟仿真效果 差；通用的大型机械设计和机构分析软件，如a d a m s 、i - d e a s 、s m p l i s 等软件，这 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 些软件功能强、虚拟仿真效果好，但费用高、 难于操作使用。综上所述，在游梁式抽油机 动力学性能分析中，理论方法已经成熟，针 对各种抽油机建立的动力学分析模型还在不 断提出，借用各种通用软件对游梁式抽油机 进行三维实体动力学分析和虚拟仿真已得到 快速发展，将成为游梁式抽油机设计和改造 的主要计算手段和理论依据。 本论文根据美国s d r c 公司开发的世乙 界最著名的c a d c a m c a e 一体化机械设计 自动化软件i - d e a s 的功能和特征，来建立 游梁式抽油机三维实体动力学模型、井下杆 图1 3 抽油机三维动力学分析模型 f i g l 一3 3 dd y n a m i c sa n a l y s i sm o d e l o fb e a mp u m p i n gu n i t g 柱受力分折模型，并完成抽油机和杆柱整个举升系统的动力学分析、虚拟仿真计算，为游 梁式抽油机设计和改造、科学运行和控制提供可靠的理论依据3 ”3 1 。 1 1 抽油机三维实体动力学模型建立 根据常规游梁式抽油机的结构特征、几何尺寸、传动过程和运行状态，按照c y j l 0 3 - 5 3 h b 型抽油机的设计图纸和加工构件，其主要几何尺寸如表1 1 所示。根据零件图首 先考虑其质量较大、几何尺寸规则的零件，对那些质量小、且几何形状复杂的部件可以等 表1 1c y j i o 3 5 3 h b 型抽油机结构参数 t a b l e l 1s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fb e a mp u m p i n gu n i to fc y j l o 一3 5 3 h b 表1 2c y j i o 3 5 3 h b 型抽油机主要部件质量 t a b l e l 2m a i np a r t sm a s so fc y j i o 一3 5 3 h bb e a mp u m p i n gu n i t 第一章基于i - d e a s 软件的c y j i o 3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 效，如加强筋、连接螺栓等，经过适当简化 和等效建立了曲柄和平衡块部件、连杆和横 杆部件、游梁和驴头部件、支座和销轴图库， 这些部件的主要质量可参见表1 2 ，将这些部 件依此组配，就可以得到抽油机三维实体模 型图。 l 、电机、皮带轮和减速箱：对于游梁式 抽油机动力学分析来说，其主要的工作和目 的是进行四连杆机构动力学分析，而皮带轮 和减速箱都为标准传动件，只要考虑其传动 比和传动效率，就可以将电机输出的转速和 扭矩直接等效到曲柄上，这一处理不会对抽 油机动力学分析引起误差。因此，本模型考 虑到计算工作量和计算效率，在实体建模时 不选择电机、皮带轮和减速箱，只考虑其电 机的输出扭矩和转送、皮带轮和减速箱传动 时的传动比和传动效率。 2 、曲柄和平衡块：根据抽油机的设计图 纸，建立两个曲柄和四个平衡块的实体三维 模型，并根据可能运行条件选择平衡块数， 组配成一个三维曲柄平衡部件，如图l - 4 所 示。 3 、连杆和横梁：根据抽油机的设计图纸， 建立两个连杆和一个横梁的实体三维模型， 并组配成一个三维连杆部件，如图1 5 所示。 4 、游梁和驴头：根据抽油机的设计图纸， 建立游梁和驴头的实体三维模型，并组配成 一个三维游梁驴头部件，如图1 - 6 所示。 5 、销轴和支座：根据抽油机设计图纸， 建立曲柄销轴、游梁销轴和支座等三维模型。 6 、把曲柄平衡部件、连杆部件、游梁驴 头部件，通过各种销轴和支座组配成抽油机 三维实体模型，并将各连接部件分别赋予旋 转运动副。 7 、将曲柄和游梁分别与地面进行旋转运 6 图1 4曲柄和平衡块部件三维实体模型 f i g l 4 3 dm o d e lo f c r a n k sa n d b m a n e eb l o c k 图1 5 连杆和横粱部件三维实体模型 f i g l - 5 3 dm o d e lo f c o n n e c t i n gr o d s a n db e a m 图1 - 6 游梁和驴头部件三维实体模型 f i g l 一63 dm o d e lo fw a l k i n gb e a ma n d h o r s e h e a d 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图1 7游梁式抽油机三维实体动力学模型 f i g l 一7 3 dd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lo f b e a mp u m p i n gu n i t 动幅连接，就建立了抽油机三维实体动力学分析模型。对该模型赋予各种运动或力参数， 如曲柄施加转速、悬点施加载荷，就可以进行抽油机动力学分析、虚拟仿真计算。 综上所述，建立的如图卜7 所示的抽油机三维实体动力学分析模型，具有结构简化少， 能够真实描述抽油机各部件的几何形状、尺寸和质量，使抽油机运动边界条件、运动副都 能够得到准确考虑，抽油机的三维空间得到真实再现，使抽油机的虚拟仿真成为现实，但 该模型建立时，需花费量大时间建立实体模型。 1 2 抽油机三维实体动力学分析理论 1 2 1 游梁式抽油机的运动学分析 抽油机的机构运动简图可见图1 2 所示，以下根据平面机构运动分析的基本原理对抽 油机驴头悬点的位移、速度、加速度进行分析计算阱i 。 1 驴头悬点的位移分析 驴头悬点的位移方程为 品= ，4 ( 伊3 一仍。血) ( 1 - i ) 第一章基于b d e a s 软件的c y j i o 一3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 式中：仍= a r c 培垃， x c x o 彬奶y = 一s 等， c o s 仍m2 半，j = a r c t g 必， x d 一 j = 瓜i 丽百而 其中：、，2 、，3 、1 4 分别为曲柄a b 、连杆b c 、游梁后臂c d 和前臂d e 的长度，这 些参数不随时间变化； _ 、y 。、y o 分别为曲柄支座a 和游梁支座d 的位置坐标，这些参数不随时 间变化； 、y 。、雎分别为连杆与曲柄连接铰b 和游梁连接铰c 的位置坐标，这些 参数是时间的函数； 2 驴头悬点的速度分析 驴头悬点的速度方程为 ”= 出3 ，4 ( 1 - 2 ) 式中：珊，= 孚竺二垒尝睾二三唼二竺芝= 掣为游梁角速度，q 为曲柄角速度， 。 ( 一y d ) ( 】屯一工b ) 一( y c y 口) ( j 咕一x d ) 。i j d ：t ：- - - - u 0 为游梁支座。点线速度， ，v a 母, = v x , - 蛔l ( y s1 - y a ，) 为b 点线速度。 3 驴头悬点的加速度分析 驴头悬点的加速度方程为 口= t 2 3 ，4 ( 1 - 3 ) 式中： 儡：睦二垒堡! 生二垒! 二堡! 生二皇! l 兰二垒! 睦二垒堡丝二丝匕堡! 丝二丝! k 二丝! k 一确) 魄- y o ) 一k 一工。) 魄一蚝) 仍仍 磬- 蛳 如如 + h = = 七比 ，l【 缈妒 琶；| + n = = 蜘 ，j、l 大庆石油学院硕士研究生学位论文 口 = a 加。0 ， a m2 口毋2 0 其中：叱、v 。、v d 分别为a 、b 、d 点的线速度，是时间的函数； 吒、a 口，a 。分别为a 、b 、d 点的加速度，是时间的函数； 识、仍、仍分别为曲柄、连杆和游梁的角位移，是时间的函数： q 、哆、鸭分别为曲柄、连杆和游梁的角速度，是时问的函数； 、盯：、分别为曲柄、连杆和游梁的角加速度，是时间的函数； 这些加速度的计算部分可以由边界条件给定，如曲柄等速旋转时的角加速度= o ， 另外大部分参数将通过上述运动方程和抽油机动力学方程可以联立求得。 1 2 2 游粱式抽油机的动力学分析 游梁式抽油机三维机构动力学模型见图1 - 3 ，根据机构特点，将抽油机分为：( 1 ) 轴、 曲柄、平衡块及其附件；( 2 ) 连杆、横梁及其附件；( 3 ) 游梁和驴头及其附件。其中( 1 ) 、 ( 3 ) 部件做定轴转动，( 2 ) 部件做刚体平面运动。 游梁及驴头受力分析矩阵方程为 一l 0010 00 0 一l00101 1 00- 1 00l0 0 z f z e y f y e 0 0 0 、r h z e 0 工e x f 0 0 00r 毋 一y ex f x e 000 o k r f ： 连杆及横梁的动力学分析矩阵方程为 o p + 肌3 9 o p ( 一z f ) o 以口3 + p ( 一工f ) ( 1 4 ) 9 措篆等蒜 一 )、， 工y 一 一 口 日0 2 2 m 缈 一 一 ) ) n 一 一 蜘h ( ，t 口 口 一 一 血 砂 口 口 = = 鼬 印 盯 盯 ，tit，ll 第章基于i - d e a s 软件的c y j l 0 3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 00100 i 砧 10010 i 01001 i x c 一：ny c y s t 0 g d z | ly o y s t tr h 0 x c x s lz d z s l 0 x 8 一x s l 、r w ，c x s l 0 y s l + y ox o x s l 0 l r m 曲柄的动力学分析矩阵方程为 10 o t 心 o l 0 1 00 0 瓯 0 乃一乃0 i z 。一“ o o i 00 i i m r 一m 2 d 。 r 目一m 2 口，一”z g 詹一m 2 a f r b t y c y s l ) + r 日t ：c 一：s t l r 丘( ：f 一：j 2 ) + r 凸( j c j s 2 ) ，2 a 2 一r 自( y c y s 2 ) + r o ( 。c j 射) ( 1 - 5 ) + 艮 + 屯一嘲g r m + 如 屯( 印一z ) + 如( 一z j ) 一( y c n ) 一如( y o 一儿) 8 既( = c z ) + r 踟( z d z ) 一r ，( x c 一。 ) 一j k ( z d 一工) 以啊+ 墨o ，c 一儿) + e a ( 一n ) 一屯( 一x a ) 一( 如一 ) ( 1 6 ) 型：( 1 4 ) ( 1 6 ) 中：x ，y ，z 。x 占，y 口，z 丑，x c ，y c ，z c ，x d ，_ y d ，z d ， h ，y r ，幻，x f ，肝，2 f ，z g 分别为a ，鼠统e 只g 的位置坐标；r 血， r 由，r z ，r 8 x ，r 睁，r c x ，r c y ，r c ；，r 嘶，r d y ，r d z ，r h ，r e y ，r ，r h ，r 即， r 厅分别为运动副a ，b ，c ，d ，e ，f 中的约束力；x s 2 ，y s 2 ，z s 2 为部件2 质心坐 标：m 为曲柄转矩； ，j 2 ，j 3 分别为部件1 绕z 轴、部件2 绕过质心z 轴和部件3 绕过f 点斜轴的转动惯量；肌l ，r n 2 ，分别为部件1 、2 和3 的质量；a 2 为部件2 质心加速度；，口：，盯，分别为部件l 、2 和3 的角加速度。 根据式( 卜4 ) ( 1 - 6 ) 与运动学方程联立，可求得游梁式抽油机运动机构各运动副 的约束力及曲柄转矩，为抽油机设计、改造和控制提供理论数据。 1 3 抽油杆柱动力学模型建立 井下抽油杆柱是一根数千米长的杆柱，上端通过钢丝绳与抽油机驴头相连接，下端 与抽油泵相连接。工作时，它不仅传递轴向拉压载荷，还传递轴向位移、速度和加速度， 由于细长杆柱整体刚度相当低，轴向压载荷、井斜角和井眼狗腿度都会引起杆柱的弯曲， 使杆柱与油管柱产生接触摩擦，加大抽油机悬点负荷；另一方面，细长抽油杆柱为一弹性 体，将以波动方式传递轴向力和速度，使抽油杆柱上下端产生位移差、速度差，增加抽油 机悬点动载荷。由此可见，井下抽油杆柱受力变形分析相当复杂，最常见的求解方法是波 1 0 。o o o 嘶 h m 大庆石油学院硕士研究生学位论文 动方程法，这种方法复杂、求解工作量大，一般很少直接 与抽油机做为系统进行动力学分析。另外，关于井下抽油 杆柱动力学分析的方法还有：能量法，有限差分法、有限 单元法、间隙元法等，这些方法都是将杆柱作为弹性体进 行单独研究，由于其分析方法主要应用于杆柱设计和并下 工作状态描述，还没有直接与抽油机刚体做为一个系统进 行动力学分析，这主要是因为这些方法的计算复杂性和计 算量大，且井下计算参数难于准确给定、井口示功图又可 提供悬点载荷所致。 根据抽油机动力学分析的需要和i - d e a s 软件功能， 将细长抽油杆柱处理成图l - 8 所示的质量、弹簧和阻尼系 统模型。该模型将- d , 段抽油杆( 如1 0 m 长) 等效成一 个等体积集中质量，数千米长抽油杆柱可以等效成为数百 个集中质量，每两个等效质子都通过弹簧和阻尼相连接， 其中弹簧刚度由抽油杆柱材料和横截面尺寸按式( 1 7 ) 等 效。 k ：o 2 5 ，r d 2 彤( 1 7 ) i 式中：d 为抽油杆直径，e 为抽油杆材料的弹性模量， 图l - 8 抽油杆柱分析模型 f i l l 8a n a l y s e m o d e lo f 为等效抽油杆长度。 一 s 孟k e rr o d 通过上述处理后建立的抽油杆柱动力学分析模型，不 仅使抽油杆柱弹性和传递内力与运动的波动特性得到描述，还使卜一d e a s 软件耦合分析 杆柱与抽油机的动力学特性成为可能。由于井下情况的复杂性，还需作如下假设：井眼 轨道为垂直井眼，抽油杆柱与油管柱没有接触，且抽油杆柱不发生弯曲变形，油管柱 猫定，泵挂深度不发生变化，油管柱内充满液体，上下冲程时柱塞作用力不相同。 1 4 抽油杆柱动力学分析理论 悬点载荷的大小与井下泵的特性、抽油杆柱的特性以及抽油机的运动特性等有关，在 抽油机预测模型中大多采用求解抽油杆柱波动方程的方法，这种方法复杂，求解工作量大， 为了在i d e a s 软件中对整个游梁式抽油机举升系统进行数值仿真，我们采用了一种简单 可行的方法来进行抽油杆柱动力学分析和悬点载荷计算。 第一章基于i d e a s 软件的c y j l 0 3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 1 4 1 弹性体内力和运动传播的基本方程 如图卜9 所示弹性体单元a b ，设其长度为l ， a 、b 两端各受力只、最，初始时杆a b 的速度， 当a 点的力突然变为只。使a 点的速度改变外为d ， 然后这种改变向b 点传播，传播速度为声速a a = 瓶巧 矗 图1 - 9 弹性杆单元 f i g l 9e l a s t i c 时r o de l e m e n t ( 1 - 8 ) 式中：e 和p 分别为弹性杆的弹性模量和密度。 运动的改变从a 点传播到b 点所用的时间为t = l a ，( s ) 。如果将这个时间长度t 定义 为1 b u ，b u 是计算中要使用的时间单位。则当a 点速度改变后，i b u 时间后b 点的速 度也改变为d 。根据动量定理 一只+ b = ( p 叫) d 一( p a x ) v 0 ( 1 9 a ) 巴一冗= - ( p a 4 ) ( o 一) ( 1 - 9 b ) 式中：a 即为弹性杆的横截面积。 如果在f 时刻和f + l 时刻的动量矩分别为( p 叫) 和( 户叫) ，则上式可改写成 e 川一尼，= 一户叫) ( 川- v b j ) 或e ，一昂川= 一( 户叫) ( ，一f i ) ( 1 _ 1 0 ) 式中： 只，、b ，分别表示a 、b 点在t 时刻所受的力， ，、，分别表示a 、b 点在t 时刻的运动速度。 从上式可看出：当只增大时，使a 点向左的附加运动，使a 点速度降低为u ，即 u + 、x 一，石 图1 - 1 9 a3 - 1 丙6 6 井悬点运动曲线( 经典算法) f i g l 一1 9 ap o l i s h e dr o dm o t i o nc u r v eo f 3 1 - t h i r d6 6 ( c l a s s i c a la l g o r i t h m ) 9 第一章基于i - d e a s 软件的c y j l 0 3 5 3 h b 抽油机与抽油杆柱系统动力学分析 薹 量 盖 暑 ，一、 、 s 。、 、 7 。 。久 ”、? 曩。 一 、 、 、 ? i 、 、。u - ，一 ? 。 i： ， ， ， i、 ， 、 ，、一、 t ，s 图1 - 1 9 b3 - 1 丙6 6 井悬点运动曲线( 仿真算法) f i g l - 1 9 bp o l i s h e dr o dm o t i o nc u r v eo f 3 1 - t h i r d6 6 ( s i m u l a t i o na l g o r i t h m ) 蚺n 皿) 菸、乒印 咿w 。 图1 - 2 0 a3 - 1 丙6 6 井曲柄扭矩曲线( 经典算法) f i 。1 2 0 ac r a n kt o r q u ec u eo f 3 1 - t h i r d6 6 ( c l a s s i c a la l g o r i t h m ) _ ，、 m b 一。， m p ， ， 、 、 、 、 ；厂二 、 l、。夕7 、 ； 、 l 名v ： ； 、 、 、 、，、 ， t 7 时问s 图1 - 2 0 b3 - 1 丙6 6 井曲柄扭矩曲线( 仿真算法) f i g l - 2 0 bc r a n kt o r q u ec u r v co f 3 1 - t h i r d6 6 ( s i m u l a t i o na l g o r i t h m ) 柏 0 蚰 吣 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 6 本章小结 通过本章内容的研究得到以下几点结论： l 、应用i - d e a s 软件建立了c y j l 0 3 5 3 h b 型游梁式抽油机三维实体仿真模型，于 平面简化模型相比考虑了双曲柄、多平衡块、双连杆等各部件的几何尺寸、质量和连接方 式，合理的描述抽油机的运行状态。 2 、将抽油杆枉处理成质量、弹簧和阻尼系统模型，使抽油杆柱弹性和传递内力与运 动的波动特性得到描述，并与抽油机做为一个系统进行动力学分析，全面描述抽油机和井 下杆柱的结构、各种载荷施加和边界条件。 3 、通过3 口井的实例计算可以看出仿真计算结果与经典算法相比绝大多数参数误差 在5 以内，可以准确直观的看到抽油机的运行情况，计算时间短，使虚拟仿真运算成为 现实，为抽油机的设计改造、优化提供了理论依据。 2 l 第二章基于抽油机动力学分析的调平衡与诊断技术 2 1 概述 第二章基于抽油机动力学分析的调平衡与诊断技术 游梁式抽油机的平衡技术是一项十分重要的节能技术，抽油机平衡的好坏，在以下四 个方面有直接影响：1 、抽油机本身的平稳性和使用寿命；2 、电动机的使用寿命；3 、能 耗；4 、整个抽汲系统的使用寿命。目前油田所用游梁式抽油机绝大部分采用曲柄平衡装 置，通过调整平衡块数量和位置可调整其平衡率，以适用于不同井下工况和悬点载荷，所 以本章主要论述曲柄平衡方式下抽油机的调平衡问题。在调平衡技术中电流法调平衡技术 操作简单，己在油田得到规模应用，但存在虚假平衡问题1 1 7 2 2 1 。功