【正文】 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 ，允許論文被查閱和借閱。其中應(yīng)用最早、普及最廣的是游梁式抽油機(jī)，早在130 年前就誕生了。越來(lái)越多的新型抽油機(jī)相繼研制成功，對(duì)油田的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。隨著生產(chǎn)的需要，將來(lái)還會(huì)有更大載荷的抽油機(jī)出現(xiàn)。 （ 5）朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，以華北石油第一機(jī)械廠和新疆第 三機(jī)床廠為代表的抽油機(jī)生產(chǎn)廠家，率先應(yīng)用游梁變矩平衡原理，在傳統(tǒng)的常規(guī)游梁式抽油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新，研制成功了新一帶的節(jié)能高效游梁式抽油機(jī)。隨著油田的開(kāi)發(fā)，抽油機(jī)的投入量日益增加，提高抽油機(jī)的效率，降低抽油機(jī)的能耗問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，于是各式各樣的新型抽油機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生。 另外，高轉(zhuǎn)差電機(jī)等節(jié)能電機(jī)在提高系統(tǒng)效率和節(jié)能方面有較大效果，但是造價(jià)較高，難以代替普通異步機(jī)。 本課題研究的主要內(nèi)容 通過(guò)對(duì)游梁式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，以 10 型抽油機(jī)為模型，確定各個(gè)變量，選出目標(biāo)函數(shù)并對(duì)其它變量進(jìn)行約束，最終達(dá)到各個(gè)目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化，使抽油機(jī)的效率達(dá)到最佳狀態(tài)。該負(fù)載又是周期負(fù)載，上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同，下降時(shí)尚帶有位勢(shì)負(fù)載性質(zhì)。在 下沖過(guò)程時(shí)，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于類(lèi)似發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動(dòng)機(jī)付出部分能量。 現(xiàn)有游梁式抽油機(jī)存在的主要問(wèn)題 常規(guī)游梁式抽油機(jī)自誕生以來(lái)，經(jīng)歷了各種工況和各種地域油田生產(chǎn)的考驗(yàn)，經(jīng)久不衰，目前仍在國(guó)、內(nèi)外普遍使用，其原因是常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、操作簡(jiǎn)便、維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢(shì)，故而一直 占據(jù)著有桿泵采油地面設(shè)備的主導(dǎo)地位。但隨著節(jié)能降耗的要求，對(duì)在役游梁機(jī)進(jìn)行改造、挖掘設(shè)備潛力，已經(jīng)引起各方面的高度重視。波動(dòng)系數(shù)變大，致使均方根扭矩值變大，電機(jī)輸出功率變大； 6 （ 3）由于工作制度為對(duì)稱(chēng)循環(huán)，極位夾角一般在 0176。從采油工藝角度來(lái)看，增大沖程減少?zèng)_次可以增加泵效，當(dāng)沖程損失一定時(shí)，增大沖程長(zhǎng)度意味著相對(duì)沖程損失的減小，有利于提高泵的充滿(mǎn)度和排量系數(shù)，從而提高泵效，同時(shí)可降泵的磨損以及抽油桿和油管的疲勞次數(shù)，改善了工作條件，提高了使用壽命。它能綜合處理并最大限度的滿(mǎn)足 從各個(gè)不同角度提出的甚至互相矛盾的技術(shù)要求。因此設(shè)計(jì)性能優(yōu)良，滿(mǎn)足油田要求，制造成本低，運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能優(yōu)，節(jié)能效果好的抽油機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)一直是抽油機(jī)廠家、抽油機(jī)研究單位追求的目標(biāo)，進(jìn)行抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu) 化設(shè)計(jì)研究就是為了達(dá)到這一目的而開(kāi)展的 。由于游梁式抽油機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)程中，受到制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量，以及砂、蠟、水、氣、稠油和腐蝕等多種因素的影響，所以，實(shí)測(cè)懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖的形狀很不規(guī)則。加載過(guò)程中，游動(dòng)閥和固定閥均處于關(guān)閉狀態(tài)， B 點(diǎn)為加載結(jié)束，因此λ =39。DD，此時(shí)活塞與泵筒開(kāi)始發(fā)生相對(duì)位移，游動(dòng)閥被頂開(kāi)，泵開(kāi)始排液，故 DA 為排出過(guò)程 A W PS /B B C D SP S /D S ? 8 圖 23 靜載荷和慣性載荷模型示功圖 考慮到慣性載荷的理論示功圖是將慣性載荷疊加在靜載荷上，結(jié)果因慣性載荷的影響使靜載荷理論示功圖被扭曲一個(gè)角度，并且變?yōu)椴灰?guī)則四邊形，如圖 23 所示，為靜載荷和慣性載荷模型示功圖。目前，可以通過(guò)下列方法求的抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確解，其計(jì)算方法如下： 9 圖 24 游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 24 所示。 當(dāng) ?0?? 時(shí) ， 11 ??? 2 02m a x s i n )s i n( ???? blaK ra A （ 213） 式中， 222222222 4 ])([4s in lb rKlblb ?????? ， )(2 )(a r c c o sa r c s in222rKb lrKbKI ? ?????? ?? 當(dāng) ?180?? 時(shí)， ??? 2 02m a x s in )s in( ??? blaK ra A （ 214） 式中， 222222222 4 ])([4s i n lb rklblb ?????? ， )(2 )(a r c c o sa r c s i n222rKb lrKbKI ? ?????? ?? 減小最大懸點(diǎn)加速度 maxAa ，可以增加抽油泵柱塞向上運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，使上行程時(shí)的抽油桿柱， 柱塞及液柱的平均運(yùn)動(dòng)速度降低，這有助于井液的吸入，增加抽油泵的充滿(mǎn)系數(shù)和提高泵效。而在抽油機(jī)標(biāo)定的額定載荷下，可以通過(guò)增加抽油泵的泵掛深度，或者通過(guò)加大抽油泵的泵徑達(dá)到“小泵深抽”或“大泵排液”的效果。在油田推廣使用這種節(jié)能降耗的采油設(shè)備無(wú)疑具有十分巨大的經(jīng)濟(jì)利益。因此抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)盡量減小減速器峰值扭矩 maxM 和其最大負(fù)扭矩絕對(duì)值 maxM? 。這里選用減速器有效輸出扭矩 eM 為。 10 型抽油 機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型 所謂數(shù)學(xué)模型就是要求選擇一組參數(shù)，使其在滿(mǎn)足限制條件 下某個(gè)預(yù)定追求的指標(biāo)最好。在設(shè)計(jì)空間中 每一組設(shè)計(jì)變量的具體值就是一個(gè)點(diǎn)，代表一個(gè)設(shè)計(jì)方案。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，這個(gè)用于評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)變量取值好壞的函數(shù)，稱(chēng)為目標(biāo)函數(shù)。即通過(guò)約束條件對(duì)峰值扭矩 maxM 和最大扭矩絕對(duì) 值 maxM? 進(jìn)行限制。 in43 抽油桿柱直徑為 的每米質(zhì)量為 mkgq /? ，則in8/7 的桿柱直徑為 的每米質(zhì)量為 : mkgq /??? 。得 ）（）（）（）（NLWW4 1 6 6 97 8 5 09 3 %601 7 0 07 8 5 09 3 %401 7 0 01s1rrf?????????????? ?? (217) 忽略 沉沒(méi)度 ，則 HL? 。 要是抽油機(jī)在平衡條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，就應(yīng)使電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中都做正功且做功相等。 抽油機(jī)的平衡計(jì)算，就是在一定抽 汲參數(shù)條件下，計(jì)算為使抽油機(jī)工作在平衡狀態(tài)下所需要的平衡物的重量或確定一定平衡重量物的位置。分別在曲柄連桿系統(tǒng)和游梁系統(tǒng)中，去力矩平衡得 ?? r s inr s inWr /c PT FF ?? (228) ?? c c o sb s inaacg b2ba WFWW PA ??? （ 229） c a6 0 8 5 1r cccb/c ??? RWRWW （ 230） 式中， Aa 為懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加速度， 2s/m ； PT FF, 為分別作用在曲柄銷(xiāo)處的切線(xiàn)力和連桿的拉力 ， N 。 ? ?? ? ? ?? ? ? ???????? ????????? ?? LCPCLLR 2c o s(s i ns i n2 22211 ） ? ?? ? ? ?? ?PCKRRKPC 2c o s2c o s 22221 ??? ?????? ? ? ?KI1sin ??? , 22 HIK ?? 18 ? ?? ? 2122 c o s2 ?? ???? KRRKL ? 為曲柄與垂線(xiàn)的夾角。約束 條件的作用有兩個(gè)方面：第一，保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有存在的意義，如滿(mǎn)足沖程長(zhǎng)度的要求和使曲柄存在的條件；第二，保證抽油機(jī)的動(dòng)力性能在合適的范圍內(nèi)，如控制減速器輸出軸最大凈扭矩、平衡率、交變載荷系數(shù)等。 R為最 短桿?？刂茦O位夾角 /? 可以控制上下沖程 的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。即 ???? （ 4）游梁擺角限制： ?? 5740 ??? ? 。即 ? ? MNxf .53000m a x ? 21 第 3章 用 MATLAB 對(duì)模型進(jìn)行求解 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB(Matrix Laboratory )為美國(guó) Mathworks 公司 1983 年首次推出的一套高性能的數(shù)值分析和計(jì)算軟件，其功能不斷擴(kuò)充，版本不斷升級(jí)， 1992 年推出劃時(shí)代的 版， 1993 年推出了可以配合 Microsoft Windous 使用的微機(jī)版， 95 年 版， 97 年 版， 99 年 版， 版無(wú)論是界面還是內(nèi)容都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，其幫助信息采用超文本格式和 PDF 格式，可以方便的瀏覽。在歐美等國(guó)家的高校， MATLAB 已成為線(xiàn)性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序 22 23 優(yōu)化結(jié)果分析 由于采用了好的數(shù)學(xué)模型，使抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)、耗能指標(biāo)、能耗指標(biāo)和動(dòng)力指標(biāo)互相兼顧，達(dá)到了很好效果。 ，減速器峰值扭矩（ mNM .49044m a x ? ），最大負(fù)扭矩 ? ?? ?mNmNM .7 8 6 a x ?? 同樣低于其它方案。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)和高度的責(zé)任心使我受益終生。 特在此表示感謝！ 28 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位 論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作所取得的成果。 學(xué)位論文作者（本人簽名）： 年 月 日 學(xué)位論文出版授權(quán)書(shū) 本 人及導(dǎo)師完全同意《中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)出版章程》、《中國(guó)優(yōu)秀 碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù) 庫(kù)出版章程》 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)“章程” )，愿意將本人的學(xué)位論文提交“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤(pán)版）電子雜志社”在《中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》、《中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》中全文發(fā)表和以電子、網(wǎng)絡(luò)形式公開(kāi)出版，并同意編入 CNKI《中國(guó)知識(shí)資源總庫(kù)》，在《中國(guó)博碩士學(xué)位論文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)》中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程”規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。 本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 首先非常感謝學(xué)校開(kāi)設(shè)這個(gè)課題，為本人日后從事計(jì)算機(jī)方面的工作提供了經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)。這期間凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。從他身上，我學(xué)到了許多能受益終生的東西。 最后，我要感謝我的父母對(duì)我的關(guān)系和理解，如果沒(méi)有他們?cè)谖业膶W(xué)習(xí)生涯中的無(wú)私奉獻(xiàn)和默默支持，我將無(wú)法順利完成今天的學(xué)業(yè)。感謝老師四年來(lái)對(duì)我孜孜不倦的教誨，對(duì)我成長(zhǎng)的關(guān)心和愛(ài)護(hù)。 最后，我要特別感謝我的導(dǎo)師趙達(dá)睿老師、和研究生助教熊偉麗老 33 師。在論文的撰寫(xiě)過(guò)程中老師們給予我很大的幫助，幫助解決了不少的難點(diǎn)，使得論文能夠及時(shí)完成，這里一并表示真誠(chéng)的感謝。老師們認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我收益匪淺。四年的 風(fēng)風(fēng)雨雨，我們一同走過(guò)，充滿(mǎn)著關(guān)愛(ài)，給我留下了值得珍藏的最美好的記憶。從這里走出，對(duì)我的人生來(lái)說(shuō)，將是踏上一個(gè)新的征程，要把所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。 其次，我要感謝大學(xué)四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學(xué)習(xí)期間對(duì)我的嚴(yán)格要求，感謝他們對(duì)我學(xué)習(xí)上和生活上的幫助，使我了解了許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)和為人的道理，能夠在今后的生活道路上有繼續(xù)奮斗的力量。 首先，我要特別感謝我的知道郭謙功 老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，在我的論文書(shū)寫(xiě)及設(shè)計(jì)過(guò)程中給了我大量的幫助和指導(dǎo)，為我理清了設(shè)計(jì)思路和操作方法，并對(duì)我所做的課題提出了有效的改進(jìn)方案。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來(lái)最好的檢驗(yàn)。 本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)（論文）；同意學(xué)校在不以營(yíng)利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容，允許他人依法合理使用。盡我所知，