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游梁式抽油机分析方法

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游梁式 抽油机 分析 方法
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!第!"卷!第#期!$$#年%%月石 油 学 报!"#!$%#&’(%)*)+)"!,-./!"!+-/#+!$$#!基金项目 !长庆油田重点科技攻关项目 "$)2*#$基于客户机 %服务器结构的功图法油井计量技术的开发 &资助 ’作者简介 !齐俊林 (男 (%("$年!月生 (%((*年获石油大学 "北京 #博士学位 (现在中国石油大学 "北京 #机电工程学院从事工程力学和机械设计理论方面的教学与研究工作 ’%2345.!8文章编号 !$!)&"!#(""!$$##$#"$%%#"$’游梁式抽油机分析方法齐俊林%!郭方元!!黄!伟!!孙应民!"%/中国石油大学机电工程学院!北京!%$!!’()!!/中国石油长庆油田油气工艺研究院!陕西西安!"%$$!%#摘要 !提出了一种新的游梁式抽油机的分析方法 "对游梁式抽油机进行了运动和动力解析分析 #根据抽油机各处在任一瞬时所受的主动力和虚加的惯性力在任一虚速度上所作的元功率之和等于零的原理 "考虑惯性的影响 "应用虚功率形式的动力学普遍方程 "对游梁式抽油机各部件 $包括平衡块等 %对曲柄输出轴扭矩的贡献进行了分析 "得到了曲柄输出轴扭矩的精确解析式 #利用该解析式可以定量地分析游梁式抽油机各部件对曲柄输出轴扭矩的影响 "准确地进行游梁式抽油机的平衡分析和设计计算 #以摆杆型游梁式抽油机为例 "给出了分析过程和具体算例 #关键词 !游梁式抽油机 &运动分析 &动力分析 &平衡分析 &解析式中图分类号 !#%*&&,%!!!!文献标识码 !!0#0&:1’1"#3)04(-#’$[897!!*%!"#$%&’()*K,$4#02$#�@/&,$’-)02$/0120,,420#5026,)*+,’-)&,%."G,2>201%$!!’("3420#&!!?2&W,$40)&)1(C,7,#-$4’%’,"+,’-)3420#34#01&*2,&@3).<#0("=2’#0"%$$!%"3420#%831$%0*$!!8=<34’8;<=4;5:3;<=9=8===6;<=:5=8:8:589H=59<;3-:;8:4;5;54=66=:;O/#<==:4.=389:;458=L/!::;<5O=:4.=<==66=:;=64K=438:;48K=;4;50=#<5<8K=;.;7M=3!(;<==3):/"%71!K=434;5:78435::4.=有杆泵采油是油田最常见 *最重要的采油方式 (而作为有杆泵采油系统的主要地面设备 (游梁式抽油机得到了广泛的应用 ’截至目前 (游梁式抽油机的运动分析比较完善 (但还没有一种对于所有游梁式抽油机机型都通用的精确的动力分析方法+%2#,’笔者应用虚功率形式的动力学普遍方程 (提出了游梁式抽油机动力分析的新方法 (应用该方法可以得到问题的精确解 ’%!运动分析;@;!位!移摆杆型游梁式抽油机+",采用的是铰链四杆机构和摆动导杆机构 "摆杆机构 #的组合形式 (是单自由度系统 (如图%所示 ’令1"%#式中!8曲柄转动轴心?的水平距离 (3)3’图;!摆杆型游梁式抽油机机构运动简图<’(=;!9’#)40$’*1S)$*+"#(M%"73)04(-#’$!!由图%中的几何关系可得各参数表达式如下 !#!Q"[!S#-!万方数据!第#期 齐 俊 林 等 !游 梁 式 抽 油 机 分 析 方 法%%"!,B"4J:;488[! #S!!!!!!!!9B 9!’!B"4J:;48[ #B"4J:;48:58 #0"!#"!B*!!,!!!"%"&#!!O"- !2B"4J:!"&3!!+V!2"’B"4J::!+!! #3V!2;V!!+!!32式 中! 梁 支 撑 中 心]到 曲 柄 转 动 轴 心?的 水 平距 离 %3&[为 游 梁 支 撑 中 心]到 底 座 底 面 的 垂 直 距离 %3& 柄 转 动 轴 心?到 底 座 底 面 的 垂 直 距 离 %3& 杆 转 动 轴 心/到 游 梁 支 撑 中 心]的 距 离 %即 机 架 长 度 %3&,为 直 方 向 的 夹 角 % 有 效 长 度 %3&[ 杆 有 效 高 度 %3&9为 摆 杆 斜长 %即 摆 杆 转 动 轴 心/与 连 杆 铰 接 中 心8的 距 离 %3&!为 摆 杆 结 构 角 %即9与 滑 块 导 轨/ 角 %为 抽 油 机 的 曲 柄 转 角 %从 曲 柄 处 于 竖 直 向 上 位 置 开 始 %沿 曲 柄 旋 转 方 向 度 量 %%为 水 平 方 向 到 滑 块 导 轨/ 角 %顺 时 针 为 正 %!为 角 %逆时 针 为 正 %为 摆 杆 与 连 杆 联 接 销 子 轴 心8到 游梁 支 撑 中 心]的 距 离 %3&2为 角 %顺 时 针为 正 %为 连 杆 长 度 %3&3为 游 梁 后 臂 "即 摇 杆 #长 度 %3&"&为 夹 角 %逆 时 针 为 正 %’为 角 %逆 时 针 为 正 %为3与 角 %为3与 角 % 杆 位 移7以 游 梁 处 于 水 平 位 置 时 作 为 计 算 起点 %以 远 离 井 口 的 方 向 为 正 %有7B"L*!Q,!#3"’#式 中! 梁 前 臂 长 度 %3’;@?!速!度目 前 %大 多 数 抽 油 机 采 用 常 规 转 差 率 "转 差 率 小 于)+#的 电 动 机 驱 动 %其 转 速 基 本 上 不 随 外 载 变 化 %抽 油机 曲 柄 的 角 速 度)"0(#等 于 常 数 %即)0*$&$")#式 中!0为 抽 油 机 的 冲 数 %次 $358’对 于 摆 动 导 杆 机 构 "摆 杆 机 构 #%将 式 "!#对 时 间’求 导 得)%B"(% B)!"\%1\0 1Q%1\!0 0("##将 式 "&#对 时 间’求 导 得)!B"(! B!"(%"#式 中!)!"(!#为 摆 杆 的 角 速 度 %逆 时 针 为 正 %’对 于 铰 链 四 杆 机 构 %取 其 所 在 平 面 为 复 平 面 %向 量""的 方 向 为 实 轴 正 向 %虚 轴 正 向 与 之 垂 直 %并 按 右 手法 则 确 定 ’根 据 图%及 向 量 加 法 可 得"#Q#!B""Q"!"*#相 应 的 复 数 形 式 为9=5"!Q+=5"&"’ "(#将 式 "(#两 边 对 时 间’求 导 %并 整 理 可 得)&B"(& B!9+!"’#!"’#"(!"%$#)’B"(’ !"&#!"&#"(!"%%#式 中!)&"(&#为 连 杆 的 角 速 度 %逆 时 针 为 正 %&)’"(’#为 游 梁 的 角 速 度 %逆 时 针 为 正 %’光 杆 速 度6以 远 离 井 口 的 方 向 为 正 %有6"%!#;@D!加 速 度对 于 采 用 常 规 转 差 率 电 动 机 驱 动 的 抽 油 机 %有%%&#式 中!%"B!0#为 抽 油 机 曲 柄 的 角 加 速 度 %沿 曲 柄 旋 转 方向 为 正 %!’将 式 "##的 两 边 再 对 时 间’求 导 得%% B"0%1\0 1Q%1\! !1!%#1: 1Q%1\!<=!"%’#将 式 "#对 时 间’求 导 得%! B!B"%"%)#式 中!%!"B!!#为 摆 杆 的 角 加 速 度 %逆 时 针 为 正 %!’将 式 "%$#和 式 "%%#的 两 边 再 对 时 间’求 导 得%& B"()&B"!"(!Q"(!!"(’#:-;"!!"’#!万方数据%%*!石!!油!!学!!报!$$#年!第!"卷!!""&!""’#:-;!"&!"’$# !%##%’ B""%’B"!""!Q!""!!""&#:-;!"!!"&#!!""’!""&#:-;!"’!"&$# !%"#式中!%&!B!"&#为 连 杆+的 角 加 速 度 &逆 时 针 为 正 &!(%’!B!"’#为游梁 !3和L#的角加速度 &逆时针为正 &!)光杆加速度#以远离井口的方向为正 &有#!%*#!!动力分析在图!!4#中忽略摩擦 &把抽油机各处的约束看成是理想约束 )在这种情况下 &由虚功率形式的动力学图?!摆杆型游梁式抽油机动力分析<’(=?!Z:#04’*0#0&:1’1"#1/’#(M%"73)04(-#’$方程可知 &抽油机各处在任一瞬时所受的主动力和虚加的惯性力在任一虚速度上所作的元功率之和等于零%*$&即+0B+0$Q+0%Q+0!%Q+0!!Q+0&%Q+0&!Q+0’%Q+0’!Q+0)%Q+0)!Q+0#%Q+0#!Q+0#&Q+0"%Q+0"!B$!%(#其中+0$ !!!!!!!!!!!!!!!+0% B!"6+0!% B$:"%:B::C:)!! B!B!F:%)+0&% B$:K"%:)!4#+0&! B!)B!!F:!:K#%)+0’% B$:+0’! B! B!)!+0)% B$:+0)! B! B!:!)!+0#% B$("%( B$("!%(G#B:(3)’!:!"’!#, Q:(C()&"!!:Q"&Q#,B:(3)’’Q,#!:(C()&&Q,#+0#! B&5("%( B!:(1R%’("%(!!!!!!B!:(1R%!’(G#"!%(G#B!:(1R%!’8Q’S((!!%(G#B!:(1R%%C!(%&)&’)’!3C("!!%&)’Q%’)&#:’!"&#!3C(%&)’"!!)&!)’#’!"&#$+0#& B!& B!!F(!:(1R%C!(#%&)&!!!+0"% B$K"%’Q,#+0"! B! B!)’式中!+0$和+0%分别为曲柄输出轴扭矩W!沿曲柄旋转方向为正 #和光杆载荷"!指向井口的方向为正 #的虚功率 &1(+0!%和+0!!分别为作用在曲柄上的重力$:和虚加在曲柄上的惯性力矩作的虚功率 &1(+0&%和+0&!分别为作用在平衡块上的重力$:所作的虚功率 &1(+0’%和+0’!分别为作用在摆杆上的重力$#期 齐俊林等 !游梁式抽油机分析方法%%(!的惯性力矩1#+0)%和+0)!分别为作用在平衡板上的重力$1#+0#%$+0#!和+0#&分别为作用在连杆上的重力$(以及虚加在连杆上的惯性力&作的虚功率 "1#+0"%和+0"!分别为作用在游梁等 %包括游梁 $横梁和驴头 &上的重力$1#%:为曲柄重心的速度矢量 "3’O#::为曲柄重量 "+#C:为曲柄重心到曲柄转动轴心的距离 "3#F:为曲柄对于其转动轴心?的转动惯量 "!#%:3’O#::+#C:3#4为曲柄偏置角 ":!#%3’O#:+#3#转动惯量 "!#%3’O#:+#3#%($%(横梁联接中心对横梁联接中心3’O#:(为连杆重量 "+#C(为连杆重心到横梁联接中心的距离 "3#’($’(横梁联接中心对横梁联接中心3’O!#’8分别为横梁联接中心切向和法向加速度矢量 "3’O!#’S((对横梁联接中心3’O!#F(为连杆对于其与横梁联接中心!#%3’O#:+#距离 "3#转动惯量 "!)引入扭矩因数W"和结构不平衡重W"\!!"&&’!"&&%1\\!$&:(3&’L%!%&其中 "扭矩因数表示单位光杆载荷在曲柄输出轴上产生的扭矩 "结构不平衡重的值等于连杆与摆杆铰接处8的销子脱开时 "为了保持游梁水平平衡而需要加在光杆上的力 )此力向下时为正 "反之为负 "可以实测 "也可以根据抽油机各构件的重量来计算 )对于采用常规转差率电动机驱动的抽油机 "展开式 %(&并整理 "可得曲柄输出轴扭矩为"!’Q,&+!::C::(!4&!%:!)!Q,Q!&Q:(C()&)&Q,&%Q )%!!:(13C*( )&)%’)&)!)’&)’!"&&%Q)’)%&Q)&)%&’(:’!"&+&&)&)Q%W"13!&L%’!%!!&式 %!!&清楚地给出了抽油机各部件的重量和惯性对曲柄输出轴扭矩的贡献 )&!算例分析应用上述方法对型号为"2’,*2&"D@的摆杆型游梁式抽油机进行了分析 )使用的有关参数有 !冲程为’,*3"冲数为),)次 ’358"套压为$S$4"回压为$S$4"动液面为*$$3"泵径为"$33"平衡块重心位置为($$33"杆柱组合为"!(33/%$$$3%材质为"油管型号为"&33%未锚定 &)分析得到的光杆位移 $速度和加速度见图&"曲柄输出轴扭矩及抽油机各部件的重量和惯性对其贡献见图’)图D!光杆位移 !速度和加速度变化曲线<’(=D!!+0#()"B&0*)4)#$"2)&"*’$:0#70**)&)%0$’"#"’1+)7%"7图K!曲柄输出轴扭矩及抽油机各部件的重量和惯性贡献扭矩<’(=K!!%0#$"%,-)0#7$+)*"#$%’3-$’"#1".)2)%:"(-#’$$"$"%,-)1!下转第%!’页 "万方数据%!’!石!!油!!学!!报!$$#年!第!"卷!遗 传 算 法 !模 拟 退 火 算 法 和 传 统 优 化 设 计 方 法 有 机 地结 合 起 来 "构 造 了 一 种 混 合 遗 传 模 拟 退 火 算 法 的 求 解策 略 #该 方 法 能 够 有 效 地 搜 索 整 个 布 局 区 域 以 找 到 全局 最 优 或 近 全 局 最 优 解 #$&%利 用 所 建 立 的 模 型 对 某 油 田 区 块 油 气 集 输 系统 进 行 的 优 化 设 计 表 明 "管 线 总 长 度 比 优 化 前 降 低 了(,&&+"优 化 效 果 令 人 满 意 #参 考 文 献&%’!于 达/原 油 集 输 系 统 地 面 设 施 布 局 的 优 化 &G’/抚 顺 石 油 学 院 学报 "%((""%"$!%"’’"’#/&!’!刘 扬 "程 耿 东/+级 星 式 网 络 的 拓 扑 优 化 设 计 &G’/大 连 理 工 大 学学 报 "%(*("!($!%(%&%"%&"/&’!刘 扬/石 油 工 程 优 化 设 计 理 论 及 方 法 &S’/北 京 (石 油 工 业 出 版社 "%((’(%%’"%!*/&’’!刘 扬 "赵 洪 激 "周 士 华/低 渗 透 油 田 地 面 工 程 总 体 规 划 方 案 优 化 研究 &G’/石 油 学 报 "!$$$"!%$!%(**"()/&)’!=5:N=.*/&=O;=;5;5’/+404.&=O=4J:<(:O"%(()"’!$*%(#""((!/&#’!钟 守 楠/遗 传 算 法 的 收 敛 性 与 编 码 &G’/武 汉 水 利 电 力 大 学 学 报 "!$$$"&&$%%(%$*"%%!/&"’!魏 立 新 "刘 扬 "赵 洪 激/!A;-"! 气 集 输 系 统 优 化 软 件 间 的接 口 方 法 &G’/油 气 田 地 面 工 程 "!$$!"!%$%%(*!"*&/&*’!玄 光 男 "程 润 伟/遗 传 算 法 与 工 程 设 计 &S’/北 京 (科 学 出 版 社 "!$$$(!)""!#"/$收 稿 日 期!$$#"$%"!&!改 回 日 期!$$#"$)"$*!编 辑!黄 小 娟***************************************************%!上 接 第%%(页 "’!结!论$%%游 梁 式 抽 油 机 分 析 的 新 方 法 中 考 虑 了 惯 性 的影 响 "可 以 对 游 梁 式 抽 油 机 各 部 件 $包 括 平 衡 块 等 %对曲 柄 输 出 轴 扭 矩 的 贡 献 进 行 分 析 "得 到 问 题 的 精 确 解 #$!%新 方 法 适 用 于 各 种 形 式 的 游 梁 式 抽 油 机 "分析 结 果 可 用 于 游 梁 式 抽 油 机 的 设 计 计 算 和 有 杆 泵 采 油系 统 的 分 析 #$&%为 了 得 到 更 精 确 的 解 答 "分 析 中 应 该 考 虑 惯性 的 影 响 "该 影 响 随 着 冲 数 的 增 大 而 增 大 #另 外 "惯 性的 影 响 大 小 与 游 梁 式 抽 油 机 的 形 式 有 关 #$’%求 解 曲 柄 输 出 轴 扭 矩 时 "某 些 情 况 下 可 以 忽 略 一些 影 响 $如 连 杆 的 惯 性 等 %"新 方 法 提 供 了 定 量 的 说 明 #参 考 文 献&%’!汤 淑 文 "谭 英 杰/游 梁 抽 油 机 动 平 衡 精 确 分 析 &G’/石 油 学 报 "%((’"%)$%%(%’%"%’)/&!’!王 常 斌 "陈 涛 平 "郑 俊 德/游 梁 式 抽 油 机 运 动 参 数 的 精 确 解 &G’/石油 学 报 "%((*"%($!%(%$""%%$/&’!王 尚 元 "唐 卫 军 "李 志 诚 "等/新 型 摆 杆 式 游 梁 抽 油 机 &G’/石 油 矿场 机 械 "!$$%"&$$&%(!)"!"/&’’!姜 道 民 "王 素 玲 "李 运 福 "等/新 型 摆 杆 式 游 梁 抽 油 机 的 性 能 分 析&G’/大 庆 石 油 学 院 学 报 "!$$&"!"$’%(*’"*#/&)’!邬 亦 炯 "刘 卓 钧 "赵 贵 祥 "等/抽 油 机 &S’/北 京 (石 油 工 业 出 版 社 "%((’(&%")!/&#’!董 世 民 "张 士 军/抽 油 机 设 计 计 算 与 计 算 机 实 现 &S’/北 京 (石 油工 业 出 版 社 "%((’(%%"!%/&"’!张 学 鲁 "季 祥 云 "罗 仁 全/游 梁 式 抽 油 机 技 术 与 应 用 &S’/北 京 (石油 工 业 出 版 社 "!$$%(""*/&*’ 叶 敏 "肖 龙 翔/分 析 力 学 &S’/天 津 (天 津 大 学 出 版 社 "!$$%(%$&"%%$/$收 稿 日 期!$$)"%$"%$!改 回 日 期!$$#"$&"!%!编 辑!黄 小 娟 A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 国 最 长 距 离 的 成 品 油 密 闭 输 送 管 道 正 式 运 行国 家 投 资 约!亿 元 人 民 币 的 西 部 开 发 重 点 项 目 #中 国 最 长 距 离 的 成 品 油 密 闭 输 送 管 道 $$$兰2成2渝 输 油 管 道 兰 州 输 油 站 经 过 改 %扩 建 后 于!$$#年(月%%日 正 式 运 行 &据 悉 #此 次 扩 建 工 程 经 过 技 术 改 造 后 #成 品 油 可 从 炼 油 厂 直 接 输 送 到 消 费 中 心 #大 大 减 少 了 转 运 环节 #不 仅 保 证 了 市 场 供 应 #每 年 还 可 缓 解 铁 路 运 输 压 力 #兰 州 输 油 站 的 正 式 运 行 将 使 兰 州 成 为 中 国 乃 至亚 洲 最 大 的 成 品 油 枢 纽 中 心 &据 了 解 #兰2成2渝 输 油 管 道 是 中 国 第 一 条 长 距 离 %大 口 径 %高 压 力 %大 落 差 的 成 品 油 密 闭 输 送 管 道 #从 兰 州 到 重 庆 #全 长%!)$ 州 输 油 站 是 起 始 站 #担 负 着 兰 州 炼 油 厂 %西 固 油 库 和 西 部 管 道 的 柴 油和 汽 油 的 油 品 外 输 任 务 &扩 建 的 兰2成2渝 输 油 管 道 是 中 国 目 前 最 大 的 成 品 油 油 库 #它 将 从 根 本 上 缓 解西 北 地 区 油 田 资 源 富 集 和 西 南 地 区 油 品 匮 乏 的 矛 盾 &!信 息 来 源 "中 油 网?;万方数据游梁式抽油机分析方法作者: 齐俊林, 郭方元, 黄伟, 孙应民, 齐俊林,国石油大学机电工程学院,北京,102249), 郭方元,黄伟,孙应民,国石油长庆油田油气工艺研究院,陕西西安,710021)刊名: 石油学报英文刊名: (期): 2006,27(6)被引用次数: 5次参考文献(8条)英杰 游梁抽油机动平衡精确分析 1994(01)涛平;郑俊德 游梁式抽油机运动参数的精确解 1998(02)卫军;李志诚 新型摆杆式游梁抽油机[期刊论文]001(03)素玲;李运福 新型摆杆式游梁抽油机的性能分析[期刊论文]003(04)卓钧;赵贵祥 抽油机 士军 抽油机设计计算与计算机实现 祥云;罗仁全 游梁式抽油机技术与应用 龙翔 分析力学 2001本文读者也读过(10条)1. 梁式抽油机悬点运动参数模拟仿真研究[期刊论文]7(7)2. 梁式抽油机分析的数值法[期刊论文]4(3)3. 杆型游梁式抽油机的节能效果分析[期刊论文]6(1)4. 压游梁式抽油机的三维动力学特性仿真[期刊论文]9(6)5. 重构游梁式抽油机的设计和仿真分析[期刊论文]然科学版)2004,28(2)6. 于虚拟样机技术的游梁式抽油机参数分析[期刊论文]9(7)7. 种新型平衡式游梁抽油机的仿真分析[期刊论文]6(1)8. 梁式抽油机实体建模及仿真分析[期刊论文]7(12)9. 梁式抽油机模块化设计及仿真[期刊论文]3(8)10. 循环互平衡游梁式抽油机的设计及仿真[期刊论文](5)引证文献(5条)井抽油中心系统及其特性分析[期刊论文]然科学版) 2012(1)图计量与工况智能分析技术在长庆油田的应用[期刊论文]012(11)层气井有杆排采系统悬点动载荷计算[期刊论文]011(1)于神经网络的游梁式抽油机示功图软测量研究[期刊论文]012(2)性倍程抽油机动力特性模型和参数优化[期刊论文]010(6) 本文链接:
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