一種新型抽油機的仿真優(yōu)化研究

沈兆奎，鄭立春

(天津理工大學機械工程學院，天津 300384)

0 前言

常用的游梁式抽油機采用曲柄平衡方式，該平衡方式電機啟動電流大;減速箱和電機運行不平穩(wěn)，傳動效率低;運轉過程中易出現(xiàn)扭矩峰值，對減速箱的壽命影響大。本文以常規(guī)游梁式抽油機為基礎開發(fā)的一種新型節(jié)能型抽油機，平衡效果好，其在運行過程中節(jié)能效果較好。

1 新型抽油機的節(jié)能特點

圖1為新型抽油機結構示意圖，該型機已經(jīng)投入使用，運行效果良好，最大沖程為3 m，與其匹配的電機僅需11 kW，節(jié)能效果較好。

與常規(guī)抽油機的平衡方式不同，該新型抽油機是在游梁尾端配以平衡配重箱(配重箱中可根據(jù)抽油機懸點載荷的不同添減配重塊)，可以與懸點載荷進行較好的平衡，有效地減小輸出凈扭矩的峰值，達到減小動力配置、提高效率和降低能耗之目的。此外，該型機曲柄輸入端與電機輸出端采用大直徑圓弧齒輪嚙合，這種方式不但可以大幅度降低減速箱輸出軸扭矩，還可以使抽油機工作更加平穩(wěn)。

2 抽油機結構參數(shù)的優(yōu)化設計

2.1 優(yōu)化目標

由于轉矩與功率的關系為

所以根據(jù)抽油機輸入扭矩就可以間接導出抽油機的輸入功率，峰值扭矩減小，抽油機最大功率降低，則可以降低抽油機裝機功率，因此該抽油機的優(yōu)化目標為輸入扭矩的峰值。建立抽油機模型，如圖2所示。給定轉速為20 r/min，仿真，觀察其運動，測出減速箱輸出軸扭矩即抽油機輸入扭矩，其扭矩曲線圖如圖3所示，其扭矩峰值為×106N·mm。

圖1 新型抽油機結構簡圖Fig.1 Schematic of the new pumping unit structure

2.2 參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化目標，抽油機模型中創(chuàng)建了7個點，3個設計變量，這些點和變量所在的位置如圖4所示。其中D點和E點為參數(shù)化點，這些參數(shù)化點必須與所在位置的構件相關聯(lián)，當這些參數(shù)化點的位置改變時，與其相關聯(lián)的構件的尺寸也會發(fā)生變化。

圖4 抽油機模型參數(shù)關系圖Fig.4 Parameters diagram of the pumping unit model

(1)A點。A(－2 620，0)點控制游梁前臂的長度，該點X坐標為－2 620，表明游梁前臂長度為2 620 mm，由于該型機的沖程與游梁前臂和游梁擺角有關，為保證沖程不變，在設計過程中保證游梁前臂和游梁擺角均為一定值，因此A點為一固定點。

(2)B點。B(0，0)是游梁的支架點，也為一個固定點，同時也是整個抽油機結構設計的基準點。

(3)C點。C(2 260，0)點為連桿與游梁后臂的交點。由于游梁擺角與該點的位置有關，因此該點也為一固定點。

(4)D點。D(a，0)點控制游梁后臂的實際長度，變量a的變化影響游梁后臂的實際長度即游梁后臂隨a的變化而變化。

(5)E點。E(b，c)點為游梁尾端的端點，變量b和c影響游梁后臂的有效長度。

(6)F點。F(4770，－1 400)點為一固定點，是游梁尾端距離地面高度的一個基準點。

(7)G點。G(765，－2 375)點與C點一樣，與游梁擺角的大小有關，因此該點也為一固定點。

由此完成了抽油機結構的參數(shù)化建模。

2.3 優(yōu)化設計

ADAMS/View的參數(shù)化分析功能可以分析設計參數(shù)變化對樣機性能的影響。在參數(shù)化分析過程中，ADAMS/view采用不同的設計參數(shù)值自動地進行一系列仿真分析，然后返回分析結果。通過對參數(shù)化分析結果的分析，可以研究一個或多個參數(shù)變化對樣機性能的影響，獲得最優(yōu)的樣機。

2.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

系統(tǒng)對三個自變量優(yōu)化分析時，ADAMS自動生成設計研究報告，在設計研究報告中，三個自變量在初始值的敏感度見表1。

表1 設計變量靈敏度分析Tab.1 Analysis of the design variable sensitivity N·mm/mm

由表1可知，以上設計變量對機構的影響都比較大，均需要優(yōu)化，將以上變量分為兩組分步進行優(yōu)化，第一組為a，第二組為b、c。

確定優(yōu)化參數(shù)的取值范圍見表2。

表2 設計變量的取值范圍Tab.2 Range of the design variables mm

2.3.2 優(yōu)化計算和分析

在完成參數(shù)化分析的準備工作以后，便按照分組對設計參數(shù)進行優(yōu)化計算。在Build菜單下選擇測量抽油機輸入扭矩，在Simulate-Design-Measure下選擇測量最大值，在優(yōu)化目標下選擇最小值，在Design Variables中輸入a開始優(yōu)化，得出優(yōu)化后的扭矩曲線如圖5所示，其峰值扭矩為4.3324×106N·mm。在Design Variables中輸入b、c開始優(yōu)化得出優(yōu)化后的扭矩曲線如圖6所示，其峰值扭矩為4.3057×106N·mm。

圖5 第一組優(yōu)化后的扭矩曲線圖Fig.5 Torque curve of the first group after optimization

從設計研究報告可以看出優(yōu)化前后各個變量的取值見表3。優(yōu)化前后輸入扭矩的最大值分別為4.4063×106N·mm，4.3057×106N·mm。

表3 設計變量的優(yōu)化結果Tab.3 Optimized results of the design variables

圖6 第二組優(yōu)化后的扭矩曲線圖Fig.6 Torque curve of the second group after the optimization

優(yōu)化后的最大大扭矩減小了1.006×105N·mm。由功率與轉矩的關系式得出優(yōu)化前后抽油機的輸入功率分別為9.23 kW、9.02 kW，僅僅減小了0.21 kW，功率變化不明顯表明該抽油機結構合理，可投入應用。

3 結論

利用ADAMS軟件建立了一種新型抽油機的仿真模型，通過對其結構參數(shù)進行優(yōu)化分析，以抽油機的輸入功率為目標驗證了該新型機結構合理、具有較明顯的節(jié)能效果。

［1］章敬，李偉，李紹奇，等.梁式抽油機的設計和應用CYJ5-1.8-18HY型整體彎游［J］.石油礦場機械，2008(9).

［2］金偉，張俊峰，劉文波，等.用復合平衡技術對抽油機進行節(jié)能改造［J］.中國設備工程，2003(3):48－49.

［3］郭東，白雪明，紀海濤.彎游梁式抽油機的平衡配置設計與分析［J］.石油機械，2006(9):30－32.

［4］鄭建榮.ADMAS－虛擬樣機技術入門與提高［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［5］申永勝，機械原理教程［M］.北京:清華大學出版社1999.

［6］郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.