【正文】 是他們在我畢業(yè)的最后關(guān)頭給了我們巨大的幫助與鼓勵(lì)，給了我很多解決問題的思路，在此表示衷心的感激。 四年的大學(xué)生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要?jiǎng)澤暇涮?hào)，心中是無盡的難舍與眷戀。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計(jì)。 作者簽名 : 二〇 一 〇 年 九 月 二十 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明 本人完全了解 濱州學(xué)院 關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 24 表 31 沖程為 型抽油機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能對(duì)比 參數(shù)或指標(biāo) 本方案 國內(nèi) A 廠 國外 B 廠 桿件 尺寸 m I H C A P R 有關(guān) 幾何 0? 12 參數(shù) /? ?? min? ? 12 性 能指標(biāo) 2max smaA ， mTF ,max MNM?,max 49044 57925 68040 MNM?? ,max 7869 14492 7849 MNM?,e 25022 27482 27947 KWN,e 25 第 4章 結(jié)論 本文研究的重點(diǎn)是對(duì) 10 型游梁式抽油機(jī)尺寸桿件的優(yōu)化，在充分考慮抽油機(jī)載荷的特殊性，采用美國石油學(xué)會(huì)推薦的有桿泵抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法 —— API RPL11，對(duì)抽油機(jī)的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并求出目標(biāo)函數(shù)，對(duì)變量進(jìn)行約束，采用 MATLAB 對(duì)目標(biāo)結(jié)果進(jìn)行處理。成為攻讀學(xué)位的本科、碩士、博士生必須 掌握的基本技能。 因?yàn)? ? ? ? ?CK RPKCCK RPKC 2a r c c o s2a r c c o s 222222 ????????? ? 所以 ? ? ? ? ?? 572a r c c o s2a r c c o s40 222222 ????????? CK RPKCCK RPKC 抽油機(jī) 最大尺寸限制： ?K 。即 ；， RKCKPK ??? PR? ， CR? 。 圖 26 抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖 由圖 26所建數(shù)學(xué)模型為： 設(shè)計(jì)變量： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?TT xxxxCRPHIAX 7,6,5,4,3x2x1x, ，?? ? 目標(biāo)函數(shù)： ? ? ??? s i n6 0 8 5 1s i ns i n8 0 0 3 3e C S A RC ARMxf ??? (237) 式中， ? ?? ? ? ?? ? ? ???????? ????????? ?? LCPCLLR 2c o s(s i ns i n2 22211 ） ? ?? ? ? ?? ?PCKRRKPC 2c o s2c o s 22221 ??? ?????? ? ? ?KIarcsin?? , 22 HIK ?? ? ?? ? 2122 c o s2 ?? ???? KRRKL 。由于慣性載荷在上、下沖程所做的功等于零，因此在討論懸點(diǎn)在上、下沖程中所做的功時(shí)，可以不考慮慣性載荷。則柱塞截面積為 ）（ 24 ????A 由抽油泵排量系數(shù)表查得，故 ）（ NLAF 410 ??????? ??? 0F 為考慮沉沒壓力后，作用在整個(gè)柱塞截面積上的液柱載荷，即上沖程中作用在柱塞上、下的載荷差； rfW 為考慮液體浮力后的抽油桿柱載荷（即抽油桿柱在液體中的重量），也是下沖程的靜載荷。 2)認(rèn)定其凈載荷理論示功圖如圖 1 所示的 抽油機(jī)典型載荷模型 作為設(shè)計(jì)依據(jù)。它的每一個(gè)分量都是相互獨(dú)立的。選擇減速器有效輸出扭矩作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1）直接優(yōu)化能耗指標(biāo)，使抽油機(jī)取得好的節(jié)能效果。 動(dòng)力指標(biāo) 抽油機(jī)動(dòng)力指標(biāo)的代表參數(shù)是減速器峰值扭矩 maxM 和最大負(fù)扭矩絕對(duì)值 maxM? 。 此外，減小最大懸點(diǎn)加速度 maxAa ，可使作用于抽油桿柱的慣性載荷降低。如果加上振動(dòng)載荷，并考慮到油井天然氣的影響以及泵閥開啟，關(guān)閉滯后等因素，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷變化將更加復(fù) 雜。為了正確分析和 解釋懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖，常常以靜載荷理論示功圖（如圖 22）、靜載荷和慣性載荷模擬示功圖（如圖 23）為基礎(chǔ)，進(jìn)而分析和解釋抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的變化 。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。 ~2176。但由于其結(jié)構(gòu)上的不合理性， 使得常規(guī)游梁式 抽油機(jī)無法解決“大馬拉小車”、能耗高的缺點(diǎn)。 圖 21 游梁式抽油機(jī)的系統(tǒng)組成 1電動(dòng)機(jī)； 2剎車裝置： 3減速器； 4曲柄； 5曲柄平衡塊； 6連桿 7橫梁軸； 8游梁平衡塊； 9支架軸； 10游梁； 11驢頭： 12懸繩器 5 抽油機(jī)未平衡時(shí)，上，下沖程的負(fù)載極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)的效率和壽命，惡化抽油機(jī)的工作條件，增加它的斷裂可能性。 本課題研究的理論意義及應(yīng)用價(jià)值 本課題的理論意義在于研究機(jī)械采油中節(jié)能降耗的技術(shù)關(guān)鍵，通過對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)桿件尺寸和有關(guān)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出其最佳匹配關(guān)系，達(dá)到降低減速器有效輸出扭矩 Me 目的，從而節(jié)約了電能。目前國內(nèi)、外已有近百家廠商研制無游梁抽油機(jī)，最大功率達(dá)到 171 千瓦，最大懸點(diǎn)載荷達(dá)到 噸，最大沖程達(dá)到 米。 （ 2）朝著低能耗方向發(fā)展 為了減少能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，近年來國、內(nèi)外有關(guān)專家研制了許多節(jié)能型抽油機(jī)，如異相型抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)、擺桿抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)、磨擦換向抽油機(jī)等。常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場工況等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位，在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)仍是油田首選的采油設(shè)備。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。根據(jù)對(duì)所選擇的各種目標(biāo)函數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的分析 ,提出了以有效扭矩作為目標(biāo)函數(shù) ,并通過約束條件對(duì)峰值扭矩及絕對(duì)值最大負(fù)扭矩進(jìn)行限制的數(shù)學(xué)模型。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 （ 1）朝著大型化方向發(fā) 展 隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也不斷增加，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等都要求使用大型抽油機(jī)。抽油機(jī)是石油行業(yè)的用電大戶，其用電量約占油田總用電量的 40%左右。為克服常規(guī)抽油機(jī)能耗高的缺點(diǎn)，目前國、內(nèi)外研究者主要采取了兩個(gè)途徑：一是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上改變結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，即改變扭矩因數(shù)使懸點(diǎn)扭 矩曲線產(chǎn)生變位，或按照變矩平衡原理，研制開發(fā)了許多節(jié)能高效的新型節(jié)能游梁式抽油機(jī)，使傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)又呈現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力；另一個(gè)是從原理到結(jié)構(gòu)形式上另辟新徑，研制開發(fā)非四連桿機(jī)構(gòu)的新型節(jié)能抽油機(jī)，如立式無游梁抽油機(jī)、電動(dòng)潛油螺桿泵和無桿泵等。 游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來自電動(dòng)車帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時(shí)，類似杠桿作用，將采油機(jī)桿送入井中；滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，當(dāng)抽油機(jī)工作時(shí)，整個(gè)過程中負(fù)載是變化的。把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量。 針對(duì) 90 年代前在用的常規(guī)抽油機(jī)，從節(jié)能的角度來說，存在以下幾個(gè)方面的問題： （ 1）由于懸點(diǎn)載荷在上、下沖程中變化大，懸點(diǎn)扭矩曲線為非正弦曲線，加速度大，即動(dòng)載大，事實(shí)上是增大了懸點(diǎn)最大載荷； （ 2）扭矩因數(shù)相比節(jié)能機(jī)來說偏大，因而加大了懸點(diǎn)載荷造成的曲柄軸扭矩峰值。但是要想在游梁機(jī) 上增大沖程，從機(jī)構(gòu)學(xué)理論來說，只有增加游梁前臂長度和加大游梁擺角，才能實(shí)現(xiàn)，但存在如下困難： （ 1） 由剛性四桿機(jī)構(gòu)組成的游梁機(jī)，如果前臂長度增加了，相應(yīng)的其他部分都將隨之增加，整機(jī)結(jié)構(gòu)將變大，既不經(jīng)濟(jì)也不便于安裝和使用； （ 2）增大游梁擺角，則會(huì)使上、下死點(diǎn)加速度增加，增大了懸載荷，使抽油機(jī)的性能變壞 。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 7 荷相差甚大。 CDA為下沖程靜載荷變 化線，其中 CD 為卸載線。GH I??? arc tan0 。 能耗指標(biāo) 抽油機(jī)能耗指標(biāo)的代表參數(shù)是減速器有效輸出扭矩 eM 和電動(dòng)機(jī)的有效輸出功率 eN ，二者的計(jì)算公式如下 12 ?? ? ?? 20 2ne d21 MM （ 215） ?9550nee MN ? (216) 式中， nM 為減速器輸出凈扭矩； n 為沖次， ? 為傳動(dòng)效率。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)，稱為目標(biāo)函數(shù)。通常用 x 表示優(yōu)化過程中各參量（稱為設(shè)計(jì)變量）， 13 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) f 表示，各種約束條件用函數(shù) g 或 h 表示 設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)變量是優(yōu)化設(shè)計(jì)要優(yōu)選的量，用 n 個(gè)設(shè)計(jì)變量 n21 xxx 、 ?組成的列向量表示，即 TX ），（ n21 xxx ?? 。 建立抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法是：認(rèn)定一個(gè)典型的載荷模型，選擇一個(gè)相對(duì)最好的參數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，通過約束條件對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)救。 所以 ），（21rrf 1 ????? LWW 抽汲液體密度 31 m/kg934?? （含水 34%）。要是抽油機(jī)工作平衡，則應(yīng)使電機(jī)在上、下沖程中所做的功相等，即 mdmu EE ? 則 WW EEEE ??? ud (220) 即，為了達(dá)到平衡，在下沖程中需要對(duì)重物做的功和上沖程中需要重物釋放的能量為： 15 2 du EEEW ?? （ 221） 式（ 221）表明，為了使抽油機(jī)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，在下沖程中需要儲(chǔ)蓄的能量應(yīng)該是懸點(diǎn)在上、下沖程中所做功之和的二分之一。 由式（ 229）和式（ 230）消去 PF ，可求的復(fù)合平衡條件下的扭矩計(jì)算公式： 17 ????r s ins ins inrca]agacc o sab[r/cb22bc omWWWWFMAT????? （ 231） 曲柄平衡抽油機(jī)， 0b?W ，則扭矩計(jì)算公式為： ??? rs ins ins inrca /ccr WWM ?? （ 232） 對(duì)于曲柄平衡的抽油機(jī)，公式（ 232）中的第一項(xiàng)表示懸點(diǎn)載荷 W在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩，稱之為油井負(fù)荷扭矩，用 WM 表示，可寫成 WMW ??s ins inrca? (233) 令 ??sinsinrca?TF （ 234） 則 WTFMW ? (235) TF 為稱作扭矩因數(shù)或扭矩因子，即為懸點(diǎn)載荷在曲柄上造成的扭矩WM 與懸點(diǎn)載荷 W 的比值。因此，約束條件應(yīng)緊緊圍繞上述兩方面作用來確定，既要包含設(shè)計(jì)尋優(yōu)準(zhǔn)則，又要保證各個(gè)約束條件之間的相互獨(dú)立性?？紤]到曲柄結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)可能性。 MATLAB 將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形處理、編程技術(shù)結(jié)合在 一起，為用戶提供了一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問題的分析計(jì)算和程序設(shè)計(jì)