收稿日期:2008-04-18
基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11513011)
作者简介：骆华锋(1976-)，女，重庆人，讲师，硕士，主要从事石油机械设计及理论方面的研究,E -mail :luohuaf @ m 。
文章编号:1001-3482(2008)12-0022-03
骆华锋，栾庆德
(大庆石油学院机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318)
摘要：通过改变常规型抽油机四杆机构的杆长比来实现对游梁式抽油机的节能改造，运用Pro /E 进行实体建模，引入虚拟样机技术ADAM S 进行结构参数、运动学和动力学的计算。通过仿真对 比分析，得出改造型抽油机具有比较好的节能效果。
关键词：游梁式抽油机；四杆机构；虚拟样机技术；仿真分析；节能
中图分类号:
T E933.1 文献标识码:A Virtual Prototyping Model and Simulation Analysis on Beam -Pumping Unit
LUO H ua -Feng ,LUAN Qing -de银钟花
(College o f Mechanical S cience and Engineering ,Daqing Petroleum I nstitute ,Daqing 163318,China )
A bstract :By changing the leng th o f the four -ro d mechanism to achieve energy -saving of beam -pumping unit ,model is built by Pro /E .T he co mposition paramete r ,mo tion and dy namic fo rce paramete r are calculated by ADAM S .By sim ulated com pare analysis show s that the energy -sav -ing effect of the improved pumping units is obvious .
Key words :beam -pum ping unit ;the four -ro d mechanism ;vir tual pro to ty ping techno logy ;simula -tion analy sis ;energy -saving . 游梁式抽油机由于具有结构简单、操作维护方便、使用寿命长等优点，目前仍广泛应用于各大油田。但由于结构上的不合理性，使得其无法解决平衡效果差、载荷率低、工作效率低、“大马拉小车”、能耗高等缺点。为了追求开采效益最大化，以最少的投入来换取最 大的回报，开发节能高效的新型抽油设备就成了油田生产经营者和抽油机设备生产厂致力追求的目标。
近年来，对常规型游梁机的各种节能改造不断涌现，如改变游梁结构的双驴头抽油机、偏轮式抽油机及畜能器、变频电动机的研制等[1-3]。但是，有的改造过余复杂，有的成本较高。针对这些改造弊端，本文提出的设计思想是：在尽可能简单地改变原结构的前提下，使常规机具有较好的节能效果，即，通过改变四杆机构的杆长比来得到合理的四杆机构,
从而实现节能
[4-5]
。
1 结构改造设计及实体建模
图1是在CYJ8-2.7-48H B 型抽油机的基础上进行节能改造后的仿真模型。改造型抽油机的结构
特点是在缩短游梁后臂的前提下，在游梁后臂和横梁间增加一个后支座，并在保证原有曲柄存在的前提下，选取原有冲程长度对应曲柄锥孔的后一个锥孔来缩短曲柄长度，实现了四杆机构杆长比的改变。
这样，既保证了原有的采收率，又使传动角变大，改善了曲柄受力。改变四杆机构的尺寸可实现曲柄在上冲程所转的角度大于下冲程，悬点载荷变小，同时，悬点载荷扭矩曲线右移一定角度，有助于悬点载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线较好地叠加，从而实现节能。 2008年第37卷 石油矿场机械
第12期第22页 OIL FIELD EQUIPM ENT 2008,37(12):22～24
1—支架;2—悬绳器;3—驴头;4—游梁;
5—后支座;6—锁梁;7—连杆;
8—曲柄平衡块;9—电动机;10—撬座;
11—减速箱;12—曲柄
图1 虚拟样机仿真模型
2 设计参数的确定
2.1 虚拟样机模型的建立
思情乐园将四杆机构在Pro/E中建好模型[6-7]，引入虚拟样机技术ADAMS进行设计参数的计算和运动、动力学分析。虚拟样机软件ADAM S提供了虚拟设计制造的软件平台，为了便于求解，对于建立的四杆机构模型做如下假设:
a) 四杆机构的各杆件都为刚性构件。
b) 将四杆机构间的连接轴承简化为旋转副。
c) 对于支架和底座等固定不动的构件，不参与系统的动力学分析。
2.2 施加约束条件驱动速度和载荷
对于连接约束来说，抽油机的实际杆件连接都是采用轴承连接，在虚拟样机中简化为刚性连接，用旋转副来实现。旋转副约束2个构件在某一点处绕旋转轴只能相对转动，约束了2个构件之间的3个平动自由度和2个旋转自由度,2个构件之间只有1个旋转自由度。根据多刚体运动学原理，在旋转副中点分别建立e h0和e h2个基，如图2所示。其中, e h0为本地基,e h为动基。令e h0=e h=AKP1，其中P1是铰轴的单位矢量。令P1的转角q1为旋转副的广义坐标，则方向余弦矩阵A h是q1的函数。若初始转角q0=0，则六氢吡啶
A h=100 0C1S1 0S1C1
式中,S1=sin q1,C1=cos q1。
根据刚体运动学规律，旋转副的相对角速度和相对角加速度矢量分别为
ωr=P1﹒q1;αr=P
1¨q1
抽油机的外力约束条件是驴头的悬点载荷，悬点载荷是关于位移的分段函数，由于驴头的往复运动，故悬点载荷是关于时间的周期函数。
图2 旋转副
四杆机构模型建立之后，进行模型检验，确定刚体和约束数量是否正确，验证模型成功后，施加约束和运动，进行设计参数的计算[8-10]。将连杆长L2和游梁后臂长L3设为设计变量，分别用LOC-A-LONG-LINE(POINT-3,POINT-2,L2)和LOC-A-LONG-LINE(POIN T-4,POINT-4,L3)来表示; pt2-x、pt2-z、pt3-x、pt3-z、pt4-x、pt4-z来参数化POIN T-2、POINT-3和POIN T-4的x和z坐标；曲柄、最小传动值、极位夹角等为约束条件；转矩因数为目标函数，打开四杆机构的参数化模型，输入目标函数，选择设计变量、优化目标和约束函数，输入不同冲程、冲次，对改造型抽油机的运动、动力仿真曲线进行对比，得出结构参数最优值。
3 抽油机的仿真分析
在原动机性能不变的情况下，抽油机的悬点运动规律主要由四杆机构决定。四杆机构结构参数的变化如表1。其运动、动力性能也都发生了改变，如表2。悬点载荷的大小由悬点的加速度决定，而悬点上、下冲程过程中的加速度又与悬点上、下冲程过程中曲柄所转的角度有关。在改造型抽油机中，通过改变抽油机四杆机构的尺寸实现了上冲程曲柄所转的角度大于下冲程曲柄所转的角度，即存在一个
较大的极位夹角。这样，在上冲程时，由于悬点的加速度变小，载荷也相应变小；在下冲程时，悬点的加速度变大，载荷也变大。运动曲线对比如图3。由于最大载荷发生在上冲程，最小载荷发生在下冲程，从示功图上分析，在改造型抽油机中比在原机中载荷和冲程所围成的示功图面积必将减小。可见，从载荷方面来看，有一定的节能效果。对于扭矩因数来说，扭矩因数曲线和扭矩曲线的变化规律是一致的。净扭矩曲线对比如图4，可以得出，增大上冲程曲柄摆角，使悬点载荷扭矩曲线在上冲程时大于
·
23
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第37卷 第12期 骆华锋，等：游梁式抽油机实体建模及仿真分析
180°，即悬点载荷扭矩曲线右移一定角度，有助于悬点载荷扭矩曲线和平衡重扭矩曲线较好地叠加。
因此，净扭矩上、下峰值将会下降，负扭矩也会减小，从而达到节能的目的。
表1 四杆机构结构参数对比
机型曲柄/m 连杆/m 后臂/m 极位夹角/(°)初始角/(°)上死点与水平线
夹角/(°)下死点与水平线
夹角/(°)原机1.0903.2002.52.182.0126.0125.78改造机
0.975
2.800
2.4
14.15
1.09
25.33
gps信号放大器25.33
表2 四杆机构运动和动力参数对比
机型最大速度/(m ·s -1)最大加速度/(m ·s -2)最大扭矩因数最大载荷/kN 最大扭矩/(kN ·m )载荷波动系数均方根功率/kW 原机1.3591.7681.44263.87342.2301.18219.568改造机
1.171
1.490
1.243
62.403
29.551
0.986
14.
542
图3 改造前
后的运动曲线
图4 改造前后的净扭矩曲线
4 结论
1) ADAMS 是以多体系统动力学为理论基础，通过建立拉格朗日动力学方程和对方程求解来仿真计算复杂系统的运动学和动力学关系。运用ADAMS 对改造型抽油机进行运动、动力分析，可以
准确、快捷地得到刚体的运动情况和各铰接点的受力情况，通过优化得到四杆机构各杆件长的最优值。
2) 通过运用A DAMS 对改造型抽油机的仿真计算表明，改变四杆机构的杆长比，极位夹角增
大，速度、加速度的最大值减小，最大悬点载荷减小，最小悬点载荷增加，因此，最大、最小扭矩值减小，载
荷波动系数变缓，悬点载荷扭矩曲线和曲柄扭矩曲线得到较好的叠加，从而实现节能。因此，改造型抽油机具有比较好的应用前景。
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24·石油矿场机械 2008年12月
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