常規(guī)游梁式抽油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì).doc
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常規(guī)游梁式抽油機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 摘要:游梁式抽油機(jī)是油田目前主要使用的抽油機(jī)類(lèi)型之一,主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。本文試圖用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的優(yōu)化設(shè)計(jì)法,對(duì)CYJ8-3-48B常規(guī)性游梁式抽油機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,并提出了將最大扭矩因數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)的可行性,并通過(guò)約束條件建立數(shù)學(xué)模型,得到優(yōu)化結(jié)果。 關(guān)鍵字:游梁式抽油機(jī) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 數(shù)學(xué)模型 第1章 常規(guī)游梁式抽油機(jī) 1.1常規(guī)游梁抽油機(jī)的介紹 游梁式抽油機(jī),也稱(chēng)梁式抽油機(jī)、游梁式曲柄平衡抽油機(jī),指含有游梁,通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)換向,曲柄重塊平衡的抽油機(jī),俗稱(chēng)磕頭機(jī)。從采油方式上為有桿類(lèi)采油設(shè)備(從采油方式上可分為兩類(lèi),即有桿類(lèi)采油設(shè)備和無(wú)桿類(lèi)采油設(shè)備)。游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu),其整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)像一架天平,一端是抽油載荷,另一端是平衡配重載荷。游梁式抽油機(jī)具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便等特點(diǎn)。 根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29021《石油天然氣工業(yè)——游梁式抽油機(jī)》,抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)標(biāo)注格式如下: 游梁式抽油機(jī)類(lèi)別代號(hào):CYJ。 減速器齒輪齒形代號(hào):無(wú)代號(hào)為漸開(kāi)線齒形、H為點(diǎn)嚙合雙圓弧齒形。 平衡方式代號(hào):Y為游梁平衡,B為曲柄平衡,F(xiàn)為復(fù)合平衡,Q為氣動(dòng)平衡。 游梁特征代號(hào):直游梁不標(biāo)注符號(hào)、Y為異相曲柄、S為雙驢頭、X為下偏杠鈴、T為調(diào)徑變矩、Q為前置型、W為彎游梁等。 示例:規(guī)格代號(hào)為8—3—37的常規(guī)型游梁式抽油機(jī),減速器采用點(diǎn)嚙合雙圓弧齒輪,平衡方式為曲柄平衡,其型號(hào)為CYJ8—3—37HB。 抽油機(jī)工作時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)皮帶傳動(dòng)到減速器,然后由減速器輸出軸驅(qū)動(dòng)曲柄、連桿、橫梁、游梁(四連桿機(jī)構(gòu)),把減速箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛瘟号c驢頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng),并通過(guò)懸繩器帶動(dòng)抽油桿做上下往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)原油的抽汲。如圖 1-1所示: 1-懸繩器;2-底座;3-支架;4-支架軸;5-驢頭;6-游梁;7-橫梁; 8-游梁平衡重;9-連桿;10-曲柄;11-減速器;12-電動(dòng)機(jī);13-剎車(chē) 圖1-1 常規(guī)型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖 1.2常規(guī)游梁式抽油機(jī)的幾何參數(shù)間的關(guān)系 為了方便計(jì)算我們將常規(guī)性游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)化為下圖,如圖1-2 這其實(shí)是一個(gè)很典型的四連桿機(jī)構(gòu),其中R為曲柄,當(dāng)懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)時(shí),懸點(diǎn)位移為零,游梁后壁端點(diǎn)位于上死點(diǎn),此時(shí)連桿P與曲柄R展開(kāi)在一條直線上,我們將這一直線設(shè)為零度線,應(yīng)用余弦定律,可得曲柄零度線與K的夾角(曲柄初相角)Ф的解析式: Ф= 且此時(shí)驢頭在下死點(diǎn)位置的ψ角為: 另外,當(dāng)θ不等于0時(shí),各幾何參數(shù)關(guān)系如下: χ= ?= 所以ψ=χ+? 另外驢頭在上死點(diǎn)位置的ψ角為: 故懸點(diǎn)相對(duì)于下死點(diǎn)的位移是 如圖1-3,有瞬心法可得,即 且 所以 則對(duì)速度公式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),可得加速度: 式中游梁后臂C與連桿P之間的夾角β,由C、J、P構(gòu)成的三角形余弦定理得: 曲柄半徑R與連桿P之間的夾角α: 懸點(diǎn)位移對(duì)曲柄轉(zhuǎn)角θ的變化率是抽油機(jī)減速器曲柄軸扭矩計(jì)算的重要特性參數(shù),即扭矩因數(shù), 第2章 常規(guī)游梁式抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)學(xué)模型 2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門(mén)新興學(xué)科,它是以電子計(jì)算機(jī)為工具,尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一。優(yōu)化設(shè)計(jì)能為工程及產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法,使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí),能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋得盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案。 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程一般分為四部:1.設(shè)計(jì)課題分析。2.建立數(shù)學(xué)模型。3.選擇優(yōu)化方法。4.上機(jī)計(jì)算擇優(yōu)。 2.2 對(duì)抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)的要求 游梁式抽油機(jī)依靠驢頭的上下往復(fù)擺動(dòng),通過(guò)抽油桿柱帶動(dòng)井下抽油泵實(shí)現(xiàn)從井底吸油和向地而排油,其載荷狀況特殊,主要特征是,驢頭懸點(diǎn)載荷與抽油桿柱和油井液柱構(gòu)成一彈性系統(tǒng),上下行程載荷相差甚大。 游梁式抽油機(jī)的主體參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮到這種及其復(fù)雜的載荷特點(diǎn),使抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)、能耗指標(biāo)及動(dòng)力指標(biāo)均獲得最優(yōu)值,或者三者互相兼顧,以達(dá)最佳狀態(tài)。 2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)游梁式抽油機(jī)的主體參數(shù)時(shí),通常選用的目標(biāo)函數(shù)有最大扭矩因數(shù)、最大懸點(diǎn)加速度、傳動(dòng)角正弦等,現(xiàn)分述如下。 1. 最大扭矩因數(shù) 根據(jù)抽油機(jī)減速器輸出扭矩公式,載荷扭矩、懸點(diǎn)載荷和減速器輸出凈扭矩分別為 顯而易見(jiàn),減小最大扭矩因數(shù)的可以控制最大載荷扭矩。一般地說(shuō),在最大懸點(diǎn)載荷確定和具有足夠的平衡扭矩的情況下,追求的極小化,可以降低減速器的峰值扭矩。 由于降低減速器峰值扭矩可視扭矩波動(dòng)狀況得到改善,因而其有效輸出扭矩和電動(dòng)機(jī)有效輸出功率得以降低。 大量實(shí)驗(yàn)表明,最大扭矩因數(shù)與最大懸點(diǎn)加速度有正相關(guān)的變化規(guī)律,較小時(shí),也較小,較大時(shí),也較大。這樣,追求極小化,也就兼顧了的極小化。 2. 最大懸點(diǎn)加速度 以最大懸點(diǎn)加速度為目標(biāo)函數(shù)可以直接優(yōu)化抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo),其優(yōu)缺點(diǎn)與最大扭矩因數(shù)的基本類(lèi)似。 3.傳動(dòng)角正弦 最理想的傳動(dòng)是傳動(dòng)角恒等于的傳動(dòng),此時(shí),但是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)卻做不到這一點(diǎn)。在此,扭矩因數(shù)為: 從上式可以看到,傳動(dòng)正弦角是決定扭矩因數(shù)的一個(gè)重要因素,但不是唯一因素。事實(shí)上,比更適合作目標(biāo)函數(shù)。 2.4優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)以上分析,我決定用作為目標(biāo)函數(shù),并選擇其前臂長(zhǎng)A、后臂長(zhǎng)C、連桿長(zhǎng)P、曲柄旋轉(zhuǎn)半徑R、以及游梁軸軸心到曲柄軸心的距離K。5個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。 其數(shù)學(xué)模型為: 設(shè)計(jì)變量 目標(biāo)函數(shù) 約束條件如下: (1)曲柄存在條件: (2) 沖程S: (3) 抽油機(jī)最大尺寸限制: (4)游梁擺角限制: (5)結(jié)構(gòu)角限制: (6)游梁擺角對(duì)于水平線不對(duì)稱(chēng)的限制:。這里,為游梁對(duì)于水平線的上擺角,為游梁對(duì)于水平線的下擺角。 (7) 桿件的尺寸比: 等等 第三章 優(yōu)化分析及matlab軟件的使用 3.1 matlab優(yōu)化工具箱 Matlab語(yǔ)言是一種非常強(qiáng)大的工程計(jì)算語(yǔ)言,提供了非常豐富的優(yōu)化工具箱。其優(yōu)化工具箱有許多常用的優(yōu)化算法,廣泛應(yīng)用于線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、非線性?xún)?yōu)化、最小二乘法問(wèn)題、非線性方程求解、多目標(biāo)決策等問(wèn)題,其函數(shù)表達(dá)簡(jiǎn)潔,優(yōu)化算法選擇靈活,參數(shù)設(shè)置自由,相比于其他很多成熟的優(yōu)化程序具有明顯的優(yōu)越性。采用Matlab優(yōu)化工具箱對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅參數(shù)輸入簡(jiǎn)單,而且編程工作量小,可更快捷準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 Matlab優(yōu)化工具箱是一套功能強(qiáng)大的工程計(jì)算軟件,集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等工程領(lǐng)域。用Matlab優(yōu)化工具箱解決工程實(shí)際問(wèn)題可概括為以下過(guò)程:?根據(jù)所提出的問(wèn)題建立最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,確定變量,列出約束條件和目標(biāo)函數(shù);?分析建立的數(shù)學(xué)模型,選擇合適的最優(yōu)化方法,調(diào)用相應(yīng)的優(yōu)化工具箱函數(shù);?完成優(yōu)化計(jì)算,分析優(yōu)化結(jié)果。 Matlab的優(yōu)化工具箱的所有函數(shù)都在toolbox目錄下的optim子目錄中,類(lèi)似于此次優(yōu)化設(shè)計(jì)中,一個(gè)目標(biāo)函數(shù),多個(gè)線性及非線性約束方程,可以通過(guò)調(diào)用fmincon函數(shù)來(lái)求解約束優(yōu)化問(wèn)題,約束優(yōu)化問(wèn)題的一般形式為: 其中,x、b、beq、lb和ub是向量,A和Aeq是矩陣 調(diào)用fmincon函數(shù)的格式為 X=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options) [x,fval,exitflag,output]=fmincon(....) 運(yùn)用Matlab優(yōu)化工具箱可解決大量的機(jī)械優(yōu)化問(wèn)題,對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)型問(wèn)題,可經(jīng)過(guò)合適的變換后,轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)形式,也能用此工具箱進(jìn)行求解。 3.2 本次優(yōu)化的matlab編程 綜上所述,帶入設(shè)計(jì)變量及各已知量,得到優(yōu)化數(shù)學(xué)模型: S.t 在Matlab的實(shí)際運(yùn)用中,首先編寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)M文件mx.m function maxtf=mx(x) o=acos((x(5).^2-x(2).^2+(x(3)+x(4))^2)/(2.*x(5).*(x(3)+x(4)))); O=0:pi/12:(4*pi); J=sqrt(x(5).^2+x(4).^2-2.*x(5).*x(4).*cos(O+o)); b=acos((x(2).^2+x(3).^2-J.^2)/2/x(2)/x(3)); X=acos((x(2).^2+J.^2-x(3).^2)./(2.*x(2).*J))+asin(x(4)./J.*sin(O+o)); a=4*pi-b-O-o-X; maxtf=max(x(1).*x(4)./x(2).*sin(a)./sin(b)); 在編寫(xiě)非線性約束函數(shù)M文件 mycon.m: function [c,ceq]=mycon(x) c=[acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)+x(4)).^2)./(2.*x(2).*x(5)))-acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)-x(4)).^2)./(2.*x(2).*x(5)))-(5*pi/6); (2.*pi/9)-acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)+x(4)).^2)./(2.*x(2).*x(5)))+acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)-x(4)).^2)./(2.*x(2).*x(5))); acos((x(5).^2-x(2).^2+(x(3)+x(4)).^2)./(2.*(x(3)+x(4)).*x(5)))-(pi/3); (pi/12)-acos((x(5).^2-x(2).^2+(x(3)+x(4)).^2)./(2.*(x(3)+x(4)).*x(5))); acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)+x(4)).^2)./(2.*x(2).*x(5)))+acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)-x(4)).^2)/(2.*x(2).*x(5)))-2.*acos(2400/x(5)-pi/30); 0-pi/30-acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)+x(4)).^2)./(2.*x(2).*x(5)))-acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)-x(4)).^2)/(2.*x(2).*x(5)))-2.*acos(x(6)./x(5)); x(4)/x(5)-0.35;0.2-x(4)/x(5);x(1)/x(2)-1.8;1-x(1)/x(2);0.7-x(3)/x(5);x(3)/x(5)-0.85;0.4-x(2)/x(5);x(2)/x(5)-0.7;0.28-x(4)/x(3); x(4)/x(3)-0.4;0.33-x(4)/x(2);x(4)/x(2)-0.5]; ceq=x(1).*(acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)+x(4)).^2)/(2.*x(2).*x(5)))-acos((x(2).^2+x(5).^2-(x(3)-x(4)).^2)/(2.*x(2).*x(5))))-3000; 最后 調(diào)用優(yōu)化程序fmincon函數(shù),語(yǔ)法如下: clear x0=[3000;2500;3200;1200;4000];A=[0 -1 -1 1 1;0 0 -1 1 0;0 -1 0 1 0;0 0 0 1 -1;0 0 0 0 1];B=[0;0;0;0;5300]; option=optimset(LargeScale,off); [x,fval,exitflag,output]=fmincon(@mx,x0,A,B,[],[],[],[],@mycon,option); 運(yùn)行后得到以下結(jié)果: Local minimum found that satisfies the constraints. Optimization completed because the objective function is non-decreasing in feasible directions, to within the default value of the function tolerance, and constraints are satisfied to within the default value of the constraint tolerance.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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