【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。尤其在泵理論排量一定時(shí)，增大沖程可以使光桿有功功率大大增加，系統(tǒng)效率也大為提高。但是要想在游梁機(jī)上增大沖程，從機(jī)構(gòu)學(xué)理論來(lái)說，只有增加游梁前臂長(zhǎng)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(zhǎng)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。 優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介優(yōu)化設(shè)計(jì)是用數(shù)學(xué)規(guī)劃的理論和方法，借助電子計(jì)算機(jī)高速計(jì)算和強(qiáng)力邏輯判斷的能力，從滿足工程問題要求的一切可行方案中，按照預(yù)期的目標(biāo)，自動(dòng)尋求最佳方案的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法。它能綜合處理并最大限度的滿足從各個(gè)不同角度提出的甚至互相矛盾的技術(shù)要求。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。優(yōu)化方法與機(jī)械工程技術(shù)相結(jié)合形成了機(jī)械設(shè)計(jì)這一學(xué)科，它在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程中，能從多方面幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行技術(shù)決策，以尋求最佳方案，從而能極大的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，提高經(jīng)濟(jì)效率。游梁式抽油機(jī)是油田應(yīng)用最多的抽油機(jī)機(jī)型，是油田抽油機(jī)的主要市場(chǎng)，也是油田耗能、費(fèi)用的支出大項(xiàng)。因此設(shè)計(jì)性能優(yōu)良，滿足油田要求，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)到這一目的而開展的。 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)，通過抽油機(jī)桿柱帶動(dòng)井下抽油泵實(shí)現(xiàn)從井底吸油和向地面排油，其載荷狀況極其特殊。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。因此采取相應(yīng)措施，分析懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖。由于游梁式抽油機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中，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)系曲線圖的形狀很不規(guī)則。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。圖22 抽油機(jī)靜載荷理論示功圖靜載荷作用的理論示功圖為一平行四邊形，如圖22所示。ABC為上沖程靜載荷變化線，其中AB為加載線。加載過程中，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。BB，此時(shí)活塞與泵筒開始發(fā)生相對(duì)位移，固定閥開始打開液體進(jìn)泵，故BC為吸入過程。CDA為下沖程靜載荷變化線，其中CD為卸載線。卸載過程中，游動(dòng)閥和固定閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，到D點(diǎn)卸載結(jié)束，因此λ=39。DD，此時(shí)活塞與泵筒開始發(fā)生相對(duì)位移，游動(dòng)閥被頂開，泵開始排液，故DA為排出過程 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。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。游梁式抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到這種極其復(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)解，或者三者互相兼顧，以達(dá)到最佳狀態(tài)。 運(yùn)動(dòng)指標(biāo) 抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的代表參數(shù)是上行程最大懸點(diǎn)加速度，減小是抽油機(jī)主體參數(shù)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)之一。目前，可以通過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：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。在任一時(shí)刻游梁與鉛垂線間的夾角為： = （21）] (22) （23） （24）將式(22)和式（23）代入式(21)中得： （25）游梁擺動(dòng)時(shí)存在一個(gè)最小夾角，可按下式計(jì)算： （26）其中。 。因此，任一時(shí)刻游梁的角位移為； （27）由式（27）便可進(jìn)一步求出玄點(diǎn)的位移,速度和加速度分別為； （28） （29） （210）考慮到抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)存在如下的幾何關(guān)系： 可得懸點(diǎn)速度和加速度的令一種較為簡(jiǎn)便的表達(dá)式： （211） （212） 因?yàn)樗援?dāng)或時(shí)， 取得最大值。當(dāng)時(shí)， （213）式中， ，當(dāng)時(shí)， （214）式中， ， 減小最大懸點(diǎn)加速度，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，增加抽油泵的充滿系數(shù)和提高泵效。 此外，減小最大懸點(diǎn)加速度，可使作用于抽油桿柱的慣性載荷降低。在相同的靜載荷作用下，降低慣性載荷，就意味著降低懸點(diǎn)載荷。這不僅可以降低作用于抽油機(jī)各桿件上的負(fù)載，而且可以減小抽油桿柱斷脫得可能性。而在抽油機(jī)標(biāo)定的額定載荷下，可以通過增加抽油泵的泵掛深度，或者通過加大抽油泵的泵徑達(dá)到“小泵深抽”或“大泵排液”的效果。由于抽油桿柱及包括液流在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力隨著抽油機(jī)上沖程平均速度的減小而降低，同時(shí)也因慣性載荷的降低可以減小抽油桿柱的沖程損失，增加抽油泵柱塞在泵筒中運(yùn)動(dòng)的有效沖程，從而可提高抽油泵的泵效。 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和電動(dòng)機(jī)的有效輸出功率，二者的計(jì)算公式如下 （215） (216)式中，為減速器輸出凈扭矩；n為沖次，為傳動(dòng)效率。減小電動(dòng)機(jī)的有效輸出功率就意味著節(jié)能降耗。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。 動(dòng)力指標(biāo) 抽油機(jī)動(dòng)力指標(biāo)的代表參數(shù)是減速器峰值扭矩和最大負(fù)扭矩絕對(duì)值。減速器峰值扭矩太大，使齒輪載荷增加。其最大負(fù)扭矩絕對(duì)值太大使齒輪反沖擊載荷增大，均影響減速器壽命。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和其最大負(fù)扭矩絕對(duì)值。 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)對(duì)于一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，存在許多組可行的方案，其中哪一方案最好，需要有一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)。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)。目標(biāo)函數(shù)一般表示為，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值，目標(biāo)函數(shù)是對(duì)設(shè)計(jì)問題尋優(yōu)的準(zhǔn)則和基礎(chǔ)，采用不同的目標(biāo)函數(shù)，所求的優(yōu)化結(jié)果也不盡相同，有時(shí)還相差很大。這里選用減速器有效輸出扭矩為。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。（2）系減速器輸出瞬時(shí)凈扭矩的均方根值，一般說來(lái)，追求極小化，使作用于曲柄軸的凈扭矩變化比較均勻，峰值扭矩和最大負(fù)扭矩?fù)?jù)絕對(duì)值能在一定程度上獲得控制。（3）考慮到抽油機(jī)機(jī)載荷扭矩的特殊性，可對(duì)抽油機(jī)的桿件尺寸和平衡參數(shù)（最大平衡力矩和曲柄偏置角）并進(jìn)行設(shè)計(jì)。 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)，使其在滿足限制條件下某個(gè)預(yù)定追求的指標(biāo)最好。為便于求解，常把各種實(shí)際工程問題抽象為規(guī)范化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通常用表示優(yōu)化過程中各參量（稱為設(shè)計(jì)變量），優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表示，各種約束條件用函數(shù)或表示 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)變量組成的列向量表示，即。以n個(gè)設(shè)計(jì)變量為坐標(biāo)軸構(gòu)成的維幾何空間稱為設(shè)計(jì)空間，用符號(hào)表示。在設(shè)