一种新型抽油机的仿真优化研究

2013-12-03沈兆奎郑立春

重型机械 2013年5期

沈兆奎，郑立春

(天津理工大学机械工程学院，天津 300384)

0 前言

常用的游梁式抽油机采用曲柄平衡方式，该平衡方式电机启动电流大;减速箱和电机运行不平稳，传动效率低;运转过程中易出现扭矩峰值，对减速箱的寿命影响大。本文以常规游梁式抽油机为基础开发的一种新型节能型抽油机，平衡效果好，其在运行过程中节能效果较好。

1 新型抽油机的节能特点

图1为新型抽油机结构示意图，该型机已经投入使用，运行效果良好，最大冲程为3 m，与其匹配的电机仅需11 kW，节能效果较好。

与常规抽油机的平衡方式不同，该新型抽油机是在游梁尾端配以平衡配重箱(配重箱中可根据抽油机悬点载荷的不同添减配重块)，可以与悬点载荷进行较好的平衡，有效地减小输出净扭矩的峰值，达到减小动力配置、提高效率和降低能耗之目的。此外，该型机曲柄输入端与电机输出端采用大直径圆弧齿轮啮合，这种方式不但可以大幅度降低减速箱输出轴扭矩，还可以使抽油机工作更加平稳。

2 抽油机结构参数的优化设计

2.1 优化目标

由于转矩与功率的关系为

所以根据抽油机输入扭矩就可以间接导出抽油机的输入功率，峰值扭矩减小，抽油机最大功率降低，则可以降低抽油机装机功率，因此该抽油机的优化目标为输入扭矩的峰值。建立抽油机模型，如图2所示。给定转速为20 r/min，仿真，观察其运动，测出减速箱输出轴扭矩即抽油机输入扭矩，其扭矩曲线图如图3所示，其扭矩峰值为×106N·mm。

图1 新型抽油机结构简图Fig.1 Schematic of the new pumping unit structure

2.2 参数化建模

根据优化目标，抽油机模型中创建了7个点，3个设计变量，这些点和变量所在的位置如图4所示。其中D点和E点为参数化点，这些参数化点必须与所在位置的构件相关联，当这些参数化点的位置改变时，与其相关联的构件的尺寸也会发生变化。

图4 抽油机模型参数关系图Fig.4 Parameters diagram of the pumping unit model

(1)A点。A(－2 620，0)点控制游梁前臂的长度，该点X坐标为－2 620，表明游梁前臂长度为2 620 mm，由于该型机的冲程与游梁前臂和游梁摆角有关，为保证冲程不变，在设计过程中保证游梁前臂和游梁摆角均为一定值，因此A点为一固定点。

(2)B点。B(0，0)是游梁的支架点，也为一个固定点，同时也是整个抽油机结构设计的基准点。

(3)C点。C(2 260，0)点为连杆与游梁后臂的交点。由于游梁摆角与该点的位置有关，因此该点也为一固定点。

(4)D点。D(a，0)点控制游梁后臂的实际长度，变量a的变化影响游梁后臂的实际长度即游梁后臂随a的变化而变化。

(5)E点。E(b，c)点为游梁尾端的端点，变量b和c影响游梁后臂的有效长度。

(6)F点。F(4770，－1 400)点为一固定点，是游梁尾端距离地面高度的一个基准点。

(7)G点。G(765，－2 375)点与C点一样，与游梁摆角的大小有关，因此该点也为一固定点。

由此完成了抽油机结构的参数化建模。

2.3 优化设计

ADAMS/View的参数化分析功能可以分析设计参数变化对样机性能的影响。在参数化分析过程中，ADAMS/view采用不同的设计参数值自动地进行一系列仿真分析，然后返回分析结果。通过对参数化分析结果的分析，可以研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最优的样机。

2.3.1 确定优化参数

系统对三个自变量优化分析时，ADAMS自动生成设计研究报告，在设计研究报告中，三个自变量在初始值的敏感度见表1。

表1 设计变量灵敏度分析Tab.1 Analysis of the design variable sensitivity N·mm/mm

由表1可知，以上设计变量对机构的影响都比较大，均需要优化，将以上变量分为两组分步进行优化，第一组为a，第二组为b、c。

确定优化参数的取值范围见表2。

表2 设计变量的取值范围Tab.2 Range of the design variables mm

2.3.2 优化计算和分析

在完成参数化分析的准备工作以后，便按照分组对设计参数进行优化计算。在Build菜单下选择测量抽油机输入扭矩，在Simulate-Design-Measure下选择测量最大值，在优化目标下选择最小值，在Design Variables中输入a开始优化，得出优化后的扭矩曲线如图5所示，其峰值扭矩为4.3324×106N·mm。在Design Variables中输入b、c开始优化得出优化后的扭矩曲线如图6所示，其峰值扭矩为4.3057×106N·mm。