2022年本科毕业设计方案 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 毕 业 论 文游梁式抽油机机械系统优化设计同学姓名：学号：专学院：机械制造及其自动化业：指导老师：2022 年 6 月1 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 游梁式抽油机机械系统优化设计摘要： 本文结合所在单位实际情形,着重阐述了国内外现役抽油机存在的主要问题,并对系统效率低、耗能大进行分析同时提出针对游梁式抽油机的优化设计；关 键 词 ： 抽 油 机 ,游 梁 式 抽 油 机 ,存 在 问 题 , 优 化 设 计 2 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录1. 引言 1 1.1 国、内外争论现状及进展趋势 1 1.2 本课题争论的主要内容 3 2. 游梁式抽油机优化设计 4 2.1. 游梁式抽油机的工作原理 4 2.2. 现有游梁式抽油机存在的主要问题 5 2.3. 优化设计简介 6 2.4. 对抽油机主体参数设计的要求 7 2.5. 优化设计目标函数 12 2.6.10 型抽油机优化设计数学模型 12 2.6.1. 设计变量 13 2.6.2. 目标函数 14 2.6.3. 约束条件 19 2.7 优化结果分析 20 3. 结论 22 参考文献 23 致谢 24 3 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 引言1.1. 国、内外争论现状及进展趋势抽油机是将石油从地下开采到地上的采油设备,它的产生和使用由来已久,已有百年历史；其中应用最早、普及最广的是游梁式抽油机,早在130 年前就产生了；常规游梁式抽油机具有结构简洁、简洁制造、牢靠性高、耐久性好、修理便利、适应现场工况 等优点,在采油机械中占有举足轻重的位置,在今后相当长的一段时间内仍是油田首选 的采油设备；但是由于常规游梁式抽油机本身的结构特点,打算了其具有平稳成效差,曲柄轴净扭矩波动大,存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点；随着油田的进展,有杆抽油技术取得了突破性的进展,特殊是近十几年来,科学工 作者不断的开展对新型节能抽油机的争论,在理论和实践上均取得了很大的进展；越来 越多的新型抽油机相继研制胜利,对油田的进展做出了奉献；目前在用的有杆式抽油机主要分为以下几类 ：目前,抽油机的进展趋势主要有以下几个方面；1 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1）朝着大型化方向进展 随着世界油气资源的不断开发,开采油层深度逐年增加,石油含水量也不断增加,采纳大泵提液采油工艺和开采稠油等都要求使用大型抽油机；因此,国外近几年来显现 了很多大载荷的抽油机,例如前置式气平稳抽油机最大载荷 213,气囊平稳抽油机 最大载荷 227；随着生产的需要,将来仍会有更大载荷的抽油机显现；2）朝着低能耗方向进展 为了削减能耗,提高经济效益,近年来国、内外有关专家研制了很多节能型抽油 机,如异相型抽油机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、磨擦换向抽油机 等；3）朝着高适应性方向进展 抽油机应具备较高的适应性,以便拓宽其使用范畴,例如适应各种自然地理和地质 构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽汲的需要；适应长冲程的需要；适应节电的需要；适应无电源和间歇抽汲的 需要；适应优化抽油的需要等；4）朝着长冲程无游梁抽油机方向进展 近年来,国内、外研制并应用了多种类型的长冲程抽油机,其中包括增大冲程游梁 抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机；5）朝着自动化和智能化方向进展 20 世纪 90 岁月以来,以华北石油第一机械厂和新疆第三机床厂为代表的抽油机生 产厂家,领先应用游梁变矩平稳原理,在传统的常规游梁式抽油机基础上进行了大胆的创新,研制胜利了新一带的节能高效游梁式抽油机；实现了10 型以上的大型抽油机有功节电 30%,装机功率下降 50%的目标,从而开创了游梁式抽油机节能的新时代；抽油机是石油行业的用电大户,其用电量约占油田总用电量的40%左右；由于抽油机负载一般呈周期性波动,空载和满载时负载相差很大,但是功率并没有什么差别,很多的电能 铺张在空载的时候,所以常规抽油机负载率低,抽油机的系统效率也很低,据统计最高 不超过 30%,电能铺张严峻；随着油田的开发,抽油机的投入量日益增加,提高抽油机 的效率,降低抽油机的能耗问题显得越来越突出,于是各式各样的新型抽油机便应运而2 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 生；目前国内、外已有近百家厂商研制无游梁抽油机,最大功率达到 171 千瓦,最大悬 点载荷达到 22.7 吨,最大冲程达到 24.4M；目前,我国生产抽油机的厂家有十几家,产品主要是以游梁式抽油机为主,其研制 和开发的各种节能型游梁式抽油机,如偏置式节能抽油机、双驴头异型抽油机、偏轮式 高效节能抽油机、渐开线抽油机均以在全国各油田得到了肯定的推广应用,并取得了显 1）偏置式节能抽油机,一般可节电 15%-35%；2）双驴头异型抽油 著的经济效益；其中 机,一般可节电 30%以上； 3）偏轮式高效节能抽油机,一般可节电 30%-50%；4）渐开 线抽油机,一般可节电 20%-30%；另外,高转差电机等节能电机在提高系统效率和节能方面有较大成效,但是造价较 高,难以代替一般异步机；在长期的油田使用中,人们普遍认为常规游梁式抽油机既有 它的优势,也有能耗高的缺点；为克服常规抽油机能耗高的缺点,目前国、内外争论者 主要实行了两个途径：一是在常规游梁式抽油机的基础上转变结构尺寸参数,即转变扭 矩因数使悬点扭矩曲线产生变位,或依据变矩平稳原理,研制开发了很多节能高效的新 型节能游梁式抽油机,使传统的游梁式抽油机又出现出了强大的生命力；另一个是从原 理到结构形式上另辟新径,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；这两大抽油机都已在油田上被广泛采纳；1.2. 本课题争论的主要内容通过对游梁式抽油机的机构进行分析,以10 型抽油机为模型,确定各个变量,选出目标函数并对其它变量进行约束,最终达到各个目标参数的优化,使抽油机的效率达到 正确状态；1. 本课题争论的理论意义及应用价值 本课题的理论意义在于争论机械采油中节能降耗的技术关键,通过对常规游梁式抽 油机杆件尺寸和有关几何参数进行优化设计,找出其正确匹配关系,达到降低减速器有效输出扭矩 目的,从而节省了电能；因此,推广本课题的争论成果可为油田带来巨大的经济效益；3 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2. 游梁式抽油机优化设计2.1 、游梁式抽油机的工作原理它的工作原理是由沟通电动机恒速运转拖动抽油泵,沿着重力作用方向进行往复运动,从而把原油从数百至数千M的井下抽到地面；分析其负载特性可知其惯量较大,而不同的油井的粘度大小又很不同,当油的粘度较大时,泵的效率也变低,往往启动也很 困难；该负载又是周期负载,上升、下降行程负载性质亦不同,下降时尚带有位势负载 性质；为适应这复杂的工况,抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车游 梁式抽油机运动为反复上下提升,一个冲程提升一次,其动力来自电动车带动的两个重 量相当大的钢质滑块,当滑块提升时,类似杠杆作用,将采油机杆送入井中；滑块下降时,采油杆提出带油至井口,当抽油机工作时,整个过程中负载是变化的；工作分为两 个冲程,抽油机上冲程时,驴头悬点需要作出很大的功,这时电动机处于驱动状态；在 下冲过程时,抽油机杆柱转动对电动机做功,使电动机处于类似发电机的运行状态；抽 油机未平稳时,上,下冲程的负载极度不匀称,这样将严峻地影响抽油机的连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命,恶化抽油机的工作条件,增加它的断裂可能性；为了消 除这些缺点,一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上平稳配重；这样一来,在 悬点下冲程时,要把平稳重从低处抬到高处,增加平稳配重的位能；为了抬高平稳配 重,除了依靠抽油杆柱下落所释放的位能外,仍要电动机付出部分能量；在上冲程时,平稳重由高处下落,把下冲程时储存的位能释放出来,帮忙电动机提升抽油杆和液柱,削减了电动机在上冲程时所需给出的能量；游梁式抽油机的结构简图如图 2-1：4 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-1 游梁式抽油机的系统组成1- 电动机； 2- 刹车装置： 3- 减速器； 4- 曲柄； 5- 曲柄平稳块； 6- 连杆 7- 横梁轴； 8- 游梁平稳块； 9- 支架轴； 10- 游梁； 11- 驴头： 12- 悬绳器2.2 、现有游梁式抽油机存在的主要问题常规游梁式抽油机自产生以来,经受了各种工况和各种地域油田生产的考查,经久不衰,目前仍在国、内外普遍使用,其缘由是常规游梁式抽油机具有结构简洁、耐用、操作简便、保护费用低等明显优势,故而始终占据着有杆泵采油地面设备的主导位置；但由于其结构上的不合理性,使得常规游梁式抽油机无法解决“ 大马拉小车” 、能耗高的缺点；目前,国内约有抽油机 8× 10 台,据不完全统计,我国抽油机井系统效率为 20%左右,假如每口抽油机井有用功率为 10 千瓦,每天耗电 19.2 × 10 度,一年耗电约 7×10 度,相当于油田开发总用电量的 1/4 ,如将系统效率提高到 30%,就年节电 2.34 ×10 度,这不仅可以节省大量能源,仍可以缓解油田用电紧急的情形,特殊是我国目前正在向节省型社会进展,因此进行现有游梁式抽油机节能的争论既有经济效益又有社会效益；大庆油田机械采油中,游梁式抽油机约占在役抽油机的 5 / 28 50%左右；但随着节能降耗名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的要求,对在役游梁机进行改造、挖掘设备潜力,已经引起各方面的高度重视；据不完 全统计,大庆就有两万余台在役的常规机,如采纳节能技术对其进行改造,效益是庞大 的,有宽阔的进展前景；针对 90 岁月前在用的常规抽油机,从节能的角度来说,存在以下几个方面的问题：1）由于悬点载荷在上、下冲程中变化大,悬点扭矩曲线为非正弦曲线,加速度大,即动载大,事实上是增大了悬点最大载荷；2）扭矩因数相比节能机来说偏大,因而加大了悬点载荷造成的曲柄轴扭矩峰值；曲柄平稳力矩为一正弦曲线,两者叠加,不能有效 抵消,造成曲柄轴净扭矩峰值较大,显现负扭矩,存在二次能量的消耗,减速器齿轮将 受到“ 背向冲击” ；波动系数变大,致使均方根扭矩值变大,电机输出功率变大；3）由于工作制度为对称循环,极位夹角一般在0° 2° 左右,上下冲程平均速度一样,因而泵的布满度、泵效较低；4）常规机的最小传动角较小,如 10-3-53 抽油机最 小传动角为 30° 左右,致使连杆受力变大,即曲柄销受力变大,减速器输出轴扭矩变 大,输出功率增大； 5）提高采液量,如增大冲程,在游梁机上难以实现；从采油工艺 角度来看,增大冲程削减冲次可以增加泵效,当冲程缺失肯定时,增大冲程长度意味着 相对冲程缺失的减小,有利于提高泵的布满度和排量系数,从而提高泵效,同时可降低 泵的磨损以及抽油杆和油管的疲惫次数,改善了工作条件,提高了使用寿命；特殊在泵 理论排量肯定时,增大冲程可以使光杆有功功率大大增加,系统效率也大为提高；但是 要想在游梁机上增大冲程,从机构学理论来说,只有增加游梁前臂长度和加大游梁摆角,才能实现,但存在如下困难：1）由刚性四杆机构组成的游梁机,假如前臂长度增加了,相应的其他部分都将随之增加,整机结构将变大,既不经济也不便于安装和使 用； 2）增大游梁摆角,就会使上、下死点加速度增加,增大了悬载荷,使抽油机的性能变坏；2.3 、优化设计简介优化设计是用数学规划的理论和方法,借助电子运算机高速运算和强力规律判定的 才能,从满意工程问题要求的一切可行方案中,依据预期的目标,自动寻求正确方案的设计技术和方法；它能综合处理并最大限度的满意从各个不同角度提出的甚至相互冲突6 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的技术要求；优化设计是现代机械设计方法的重要组成部分；优化方法与机械工程技术 相结合形成了机械设计这一学科,它在机械产品设计进程中,能从多方面帮忙设计者进 行技术决策,以寻求正确方案,从而能极大的提高设计质量,缩短设计周期,提高经济 效率；游梁式抽油机是油田应用最多的抽油机机型,是油田抽油机的主要市场,也是油 田耗能、费用的支出大项；因此设计性能优良,满意油田要求,制造成本低,运动、动 力性能优,节能成效好的抽油机占据市场始终是抽油机厂家、抽油机争论单位追求的目 标,进行抽油机结构参数优化设计争论就是为了达到这一目的而开展的；2.4 、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摇摆,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；主要特点是,驴头悬点载荷与抽油杆柱和 油井液柱构成一弹性系统,上下行程载荷相差甚大；因此实行相应措施,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外形很不规章；为了正确分析和说明悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图,经常以静载荷理论示功图<如图 2-2 ）、静载荷和惯性载荷模拟示功图 <如图 2-3 ）为基础,进而分析和说明抽油机悬点载荷的变化；psps图 2-2 抽油机静载荷理论示功图7 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 静载荷作用的理论示功图为一平行四边形,如图2-2 所示；为上冲程静载荷变化线,其中 为加载线；加载过程中,游动阀和固定阀均处于关闭状态,点为加载终止,因此,此时活塞与泵筒开头发生相对位移,固定阀开头打开液体进泵,故 为吸入过程；为下冲程静载荷变化线,其中 为卸载线；卸载过程中,游动阀和固定阀均处于关闭状态,到 点卸载终止,因此,此时活塞与泵筒开头发生相对位移,游动阀被顶开,泵开头排液,故 为排出过程；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,并且变为不规章四边形,如图 2-3 所示,为静载荷和惯性载荷模型示功图；假如加上振动载荷,并考虑到油井自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；图 2-3 静载荷和惯性载荷模型示功图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,或者三者相互兼顾,以达到正确状态；2.4.1. 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,减小是抽油机主体参数设计所追求的目标之一；目前,可以通过以下方法求的抽油机悬点运动规律的精确解,其运算方法如下：8 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - baJLrk图 2-4 游梁式 抽油机结构简图游梁式抽油机结构参数如图2-4 所示；在任一时刻游梁与铅垂线间的夹角为<2-1）<2-2）<2-3）<2-4）将式 <2-2）和式 <2-3）代入式 <2-1）中得 <2-5）游梁摇摆时存在一个最小夹角,可按下式运算<2-6）其中,；为；因此,任意时刻游梁的角位移<2-9 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 7）由式 <2-7）便可进一步求出悬点的位移s, 速度和加速度分别为<2-8）<2-10）考虑到抽油机四连杆机构存在如下的几何关可得悬点运动速度和加速度的另一种较为简便表达式<2-11） <2-12）由于所以当时,取得最大值；当 时<2-13）式中,当 时10 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - <2-14）式中,减小最大悬点加速度,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,增加抽油泵的布满系数和提高泵效；此外,减小最大悬点加速度,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” 的成效；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缺失,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；2.4.2. 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,二者的运算公式如下16）和电动机的有效输出功率<2-15）<2-式中,为减速器输出净扭矩；为冲次；为传动效率；减小电动机的有效输出功率就意味着节能降耗；在油田推广使用这种节能降耗的11 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 采油设备无疑具有非常庞大的经济利益；2.4.3. 动力指标抽油机动力指标的代表参数是减速器峰值扭矩 和最大负扭矩肯定值；减速器峰值扭矩 太大,使齿轮载荷增加；其最大负扭矩肯定值 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和其最大负扭矩肯定值；2.5 、优化设计目标函数对于一个优化设计问题,存在很多组可行的方案,其中哪一方案最好,需要有一个评判函数；在优化设计中,这个用于评判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,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就和基础,采纳不同的目标函数,所求的优化结果也不尽相同,有时仍相差很大；这里选用减速器有效输出扭矩为；挑选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成效；<2）系减速器输出瞬时净扭矩的均方根值,一般说来,追求 微小化,使作用于曲柄轴的净扭矩变化比较匀称,峰值扭矩 和最大负扭矩据肯定值 能在肯定程度上获得掌握； 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 <最大平稳力矩和曲柄偏置角）并进行设计；2.6.10 型抽油机优化设计数学模型所谓数学模型就是要求挑选一组参数,使其在满意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）,优化目标函数 表示,各种约束条件用函数 或表示；12 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.6.1. 设计变量设计变量是优化设计要优选的量,用个设计变量、 、维几何空组成的列向量表示,即；以个设计变量为坐标轴构成的间称为设计空间,用符号表示；在设计空间中每一组设计变量的详细值就是一个点,代表一个设计方案；它的每一个重量都是相互独立的；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、后臂长、连杆长、曲柄旋转半径、基杆水平投影长度、基杆垂直投影长度、最大平稳扭矩、曲柄平稳重偏置角；2.6.2 . 目标函数对于一个优化设计问题,存在很多组可行的方案,其中哪一方案好,需要有一个评 价函数；在优化设计中,这个用于评判设计变量取值好坏的函数,称为目标函数；依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善参数作为优化的目 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,挑选一个相对 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；详细步骤如下：1> 挑选减速器有效输出扭矩作为目标函数,同时对它的缺点进行补救；即通过约束条件对峰值扭矩和最大扭矩肯定值进行限制；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1700,抽油杆长 25.4和 22.2各占 40%和 60%,冲程长度 4.2；3>示功图的运算由表查的 10 型56 的抽油杆型号是,最大冲程为12,电动机采纳13 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 225-8型 , 在 图 3-1-1-21 基 本 型 游 梁 式 抽 油 机 与 深 井 泵 组 合 的 特 性 图取Q=50m/d ,采纳美国石油学会举荐的有杆泵抽油系统设计运算方法；3/4 抽油杆柱直径为 19.05 的每 M质量为,就 7/8 的杆柱直径为的每 M质量为,同理 抽油杆直径为 的每 M质量为；,；所以,抽汲液体密度 =934kg/m <含水 34%）；=7850 kg/m 为抽油杆<钢）密度；得 <2-17）忽视沉没度,就L=H；就柱塞截面积为,由抽油泵排量系数表查的,故为考虑沉没压力后,作用在整个柱塞截面积上的液柱载荷,即上冲程中作用在柱塞上、下的载荷差；为考虑液体浮力后的抽油杆柱载荷<即抽油杆柱在液体中的重量）,也是下冲程的静载荷；4> 抽油机的平稳运算当抽油机没有平稳装置时,由于上、下冲程中悬点载荷不均衡,满意上冲程负载要求的电动机在下冲程中将做负功,从而显现抽油机不平稳现象；不平稳将造成电动机功率的铺张,降低电动机的效率,缩短电动机及抽油装置的寿命,破坏曲柄旋转的匀称性；要是抽油机在平稳条件下运转,就应使电动机在上、下冲程中都做正功且做功相14 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 等；最简洁的方法便是在抽油机游梁后臂上加一重物,在下冲程中让抽油杆自重和电动 机一起来对重物做功,而在上冲程时,就让重物储存的能量释放出来和电动机一起对悬 点做功,即<2-18）<2-19）式中,为悬点在上、下冲程做的功；,为电机在上、下冲程做的功；为重物在下冲程储存的能量或重物在上冲程释放的能量；要是抽油机工作平稳,就应使电动机在上、下冲程中所做的功相等,即：就<2-20）即,为了达到平稳,在下冲程中需要对重物做的功和上冲程中需要重物释放的能量为：<2-21）式 <2-21）说明,为了使抽油机平稳运转,在下冲程中需要储存的能量应当是悬点在上、下冲程中所做功之和的二分之一；式<2-21）便是进行平稳运算的基本公式；抽油机的平稳运算,就是在肯定抽汲参数条件下,运算为使抽油机工作在平稳状态 下所需要的平稳物的重量或确定肯定平稳重量物的位置；由于惯性载荷在上、下冲程所做的功等于零,因此在争论悬点在上、下冲程中所做的功时,可以不考虑惯性载荷；悬 点在上、下冲程中所做的功分别为：<2-22）<2-23）15 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 将上面结果代入 <2-21）中得<2-24）对曲柄平稳：如下列图,对于曲柄平稳,其重物在下冲程中所储存的能量为<2-25）式中,为曲柄自重和曲柄平稳块重；为抽油机本身的不平稳值；,为分别为曲柄平稳半径、曲柄重心半径、曲柄半径；设计时取、0 得 E=2R将上式代入 <2-21）中,并考虑 s=2ra/b, 可得平稳半径 R为<2-26）由知 ,得<2-27）16 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-5 抽油机几何尺寸与曲柄销受力图5>净扭矩的运算抽油机的分析如图2-5 所示,可从游梁式系统和曲柄连杆系统两部分进行分析；分别在曲柄连杆系统和游梁系统中,取力矩平稳得<2-28）<2-29）<2-30）式中 为悬点运动加速度,；,为分别为作用在曲柄销处的切线力和连杆的拉力,；为折算到曲柄上回旋半径 处的平稳重量,；17 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由式 <2-29）和式 <2-30）消去,可求得复合平稳条件下的扭矩运算公式：<2-31）曲柄平稳抽油机,就扭矩运算公式为<2-32）对于曲柄平稳的抽油机,公式<2-32）中的第一项表示悬点载荷W在曲柄轴上产生的扭矩,称之为油井负荷扭矩,用M 表示,可写成<2-33）令<2-34）就<2-35）为称作扭矩因数或扭矩因子,即为悬点载荷在曲柄上造成的扭矩与悬点载荷W的比值；式<2-32）中的其次项 表示曲柄及其平稳重在曲柄上造成的扭矩,称之为曲柄平稳扭矩,可写成 把曲柄轴上的负荷扭矩 M 与曲柄平稳扭矩 之差,称作净扭矩,用 M 表示为： <2-36）式中 为悬点最大静载荷；18 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - ,为曲柄与垂线的夹角；图 2-6 抽油机的结构简图由图 2-6 所建数学模型为：设计变量：目标函数： <2-37）式中,；2.6.3. 约束条件为曲柄与垂线的夹角；19 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 约束条件是对设计变量取值的限制条件,对于游梁式抽油机的优化设计,不外乎三中类型：即运动参数的约束；耗能参数的约束；动力参数的约束；约束条件的作用有两个方面：第一,保证传动机构有存在的意义,如满意冲程长度的要求和使曲柄存在的条件；其次,保证抽油机的动力性能在合适的范畴内,如掌握减速器输出轴最大净扭矩、平稳率、交变载荷系数等；约束条件是掌握抽油机设计优劣的手段,也是对目标函数的补充；因此,约束条件应紧紧环绕上述两方面作用来确定,既要包含设计寻优准就,又要保证各个约束条件之间的相互独立性；<1）曲柄存在条件：并规定、取值围保证 为最长杆,为最短杆；即 . <2）极位夹角掌握：；上冲程曲柄转角为,下冲程曲柄转角为； 控 制 极 位 夹 角 可 以 控 制 上 下 冲 程 运 动 时 间 ；<3）曲柄平稳重偏置角限制：；考虑到曲柄结构上实现可能性；当 小于时,曲柄上要形成一个凸耳,将影响到平稳重的移动；即所以：；（4） 游梁摆角限制：；由于抽油机最大尺寸限制：；由于,所以（5） 初始角掌握：；由于20 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 所以（6） 最大负扭矩肯定值限制：；即（7） 峰值扭矩限制：； 即.2.7 优化结果分析由于采纳了好的数学模型,使抽油机的运动指标、耗能指标、能耗指标和动力指标互相兼顾,达到了很好成效；表中列出了国内外冲程为4.210 型抽油机设计参数及指标对比杆件国内外冲程为 4.210 型抽油机的设计参数与性能对比国外厂参数或指标本方案国内厂3.29 3.4 4.013 尺寸3.77 3.55 4.025 <）2.42 2.5 3.156 有关4.3 4.36 5.18 3.85 3.8 4.195 1.06 1.12 1.23 12.87 14.31 12 几何13.20 11.71 10.39 参数56.33 56.31 49.95 < ）32.44 36.80 43.60 性-11.5 -12 -11.5 2.71 2.88 2.91 能1.887 1.973 2.008 指49044 57952 68040 21 / 28 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 标-7869 -14492 -7849 25022 27482 27947 30.8 33.9 34.4 从表中可以看出,与其它方案相比,采纳本方案优化设计的抽油机详细如下优点：1. 抽油机的运动指标,上冲程驴头最大悬点加速度为,低于其它方