吳 偉,何鵬飛

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

抽油機(jī)是石油開采過程中主要的地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其中游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造和維護(hù)成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在結(jié)構(gòu)笨重、運(yùn)行能耗高、效率低等不足。隨著抽油機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷發(fā)展，各種以適應(yīng)不同工況或者節(jié)能降耗為目的新型抽油機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，但是游梁式抽油機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)目前在石油開采領(lǐng)域仍然占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。

掌握抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是研究抽油裝置動(dòng)力學(xué)、確定抽油裝置的基本參數(shù)及運(yùn)行抽油裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，抽油機(jī)游梁繞支架軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和其懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)具有映射關(guān)系。筆者主要對(duì)游梁式抽油機(jī)的游梁圍繞支架軸的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析[3-4]。對(duì)抽油機(jī)的平衡分析具有重要參考意義。

1 MATLAB-SimMechanics軟件模塊功能介紹

MATLAB-SimMechanics軟件擁有一系列的模塊庫(kù)，機(jī)械模型和仿真工具。它可以與Simulink配合使用。通過傳感器模塊和執(zhí)行器模塊可以將SimMechanics模塊和Simulink模塊連接起來。

這些模塊是建立機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)。機(jī)械系統(tǒng)由剛體組成，并由代表了平移自由度和旋轉(zhuǎn)自由度的關(guān)節(jié)連接起來，與用標(biāo)準(zhǔn)的Simulink工具箱建模一樣，用一些分層子系統(tǒng)表達(dá)出機(jī)械系統(tǒng)。通過對(duì)子系統(tǒng)施加運(yùn)動(dòng)約束、應(yīng)用力或者轉(zhuǎn)矩，通過可視化窗口演示模型可以觀測(cè)所需運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化特征。不同于常規(guī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方法，基于MATLAB-SimMechanics建模進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析具備直觀、簡(jiǎn)潔、高效的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)獲取多個(gè)不同部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[5-6]。

SimMechanics軟件模塊組：

(1) 剛體模塊組(Bodies)：包含剛體(Body)、機(jī)架(Ground)、機(jī)器環(huán)境(Machine Environment)和共享環(huán)境(Shared Environment)四個(gè)模塊。Body模塊用于建立剛體模型，設(shè)定剛體的質(zhì)量、慣量張量和剛體坐標(biāo)系；Ground模塊用于將一個(gè)關(guān)節(jié)的一側(cè)接地到世界坐標(biāo)系中的一個(gè)固定位置；Machine Environment模塊用于定義與塊相連接的機(jī)器的機(jī)械仿真環(huán)境；Shared Environment模塊連接兩個(gè)子機(jī)器而不添加任何實(shí)體、關(guān)節(jié)或約束。

(2) 約束與驅(qū)動(dòng)模塊組(Constraints&Drivers)：包含速度驅(qū)動(dòng)(Velocity Driver)、齒輪約束(Gear Constraint)等七個(gè)模塊。通過在任意兩個(gè)剛體之間指定運(yùn)動(dòng)約束或驅(qū)動(dòng)來限制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。

(3) 力單元模塊組(Force Elements)：包含兩個(gè)彈簧阻尼模塊(Body Spring & Damper)和(Joint Spring & Damper)。用于模擬兩個(gè)部件之間或兩個(gè)部件連接關(guān)節(jié)處的阻尼線性振蕩器。

(4) 接口單元模塊組(Interface Elements)：分別提供移動(dòng)副接口和轉(zhuǎn)動(dòng)副接口。

(5) 運(yùn)動(dòng)鉸模塊組(Joints)一共有Revolute、Bushing等17個(gè)不同模塊，此模塊組中提供了可以將剛體構(gòu)件連接起來的各種運(yùn)動(dòng)鉸。

(6) 傳感器和激勵(lì)器模塊組(Sensors & Actuators)：分為9個(gè)不同模塊，可以對(duì)剛體或鉸鏈?zhǔn)┘硬煌募?lì)以及檢測(cè)剛體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

(7) 輔助工具模塊組(Utilities)：共有三個(gè)不同模塊，可供子系統(tǒng)物理建模連接端口和轉(zhuǎn)換輸出等。

其中Groud、Body和Joint模塊為建模的基礎(chǔ)模塊。

2 彎游梁式抽油機(jī)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

彎游梁式抽油機(jī)是新研發(fā)的一種節(jié)能型游梁式抽油機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎游梁式抽油機(jī)1.前驢頭 2.游梁 3.支架 4.底座 5.電動(dòng)機(jī) 6.減速器 7.曲柄裝置 8.曲柄平衡 9.游梁平衡 10.連桿 11.尾軸承座 12.橫梁

2.2 幾何模型

本次運(yùn)動(dòng)分析取CYJW7-2.5-18HF型抽油機(jī)為具體對(duì)象，幾何關(guān)系如圖2所示。

圖中：A為游梁前臂長(zhǎng)度；M為游梁支點(diǎn)到彎點(diǎn)長(zhǎng)度；N為游梁彎點(diǎn)到連桿節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度；P為連桿長(zhǎng)度；R為曲柄半徑；I為游梁軸中心到曲柄軸中心水平距離；H為游梁軸中心到底座底部的高度；G為曲柄軸中心到底座底部的高度；J為游梁軸中心到曲柄端點(diǎn)的距離；K為曲柄軸中心到游梁軸中心的距離；χ為C與J的夾角；ρ為K與J的夾角；Ψ為C與K的夾角；β為C與P的夾角；α為R與P的夾角；θ為R與零度線的夾角；λ為游梁彎曲角度；φ為零度線與K的夾角。

圖2 彎游梁式抽油機(jī)的幾何模型

相關(guān)尺寸為：A=2.5 m；M=0.925 m；N=0.54 m；R=0.609 m；H-G=3.35 m；I=1.9 m，沖次n=7次/min。由幾何關(guān)系可以得到：

3 彎游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 應(yīng)用MATLAB-SimMechanics建立初始模型

根據(jù)選定抽油機(jī)的幾何特征，選擇Groud、Body、和Joint模塊：初始模型由2個(gè)機(jī)架(Ground)模塊、4個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸(Revolute)模塊、3個(gè)剛體(Body)模塊、1個(gè)環(huán)境模塊(Machine Environment)組成。

3.2 完整模型圖

根據(jù)需要在初始模型上添加傳感器(Joint Sensor)、激勵(lì)器(Joint Actuators)、示波器(scope)和信號(hào)模塊完成完整的仿真模型圖如圖3所示。

圖3 添加輔助模塊后的完整模型圖

3.3 設(shè)置相關(guān)參數(shù)

對(duì)Revolute和Groud、Body三個(gè)基礎(chǔ)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

① Groud模塊：

根據(jù)Ground相對(duì)于World CS的位置設(shè)置位置坐標(biāo)參數(shù)，其中在Ground_1參數(shù)對(duì)話框中復(fù)選Show Machine Environment選項(xiàng)用于連接Machine Environment模塊。Groud模塊參數(shù)設(shè)置如圖4～5所示。

圖4 Ground_1 模塊參數(shù)設(shè)置 圖5 Ground_2 模塊參數(shù)設(shè)置

② Revolute模塊：

在Number of Sensor/actuator Ports對(duì)話框中選擇為模塊添加傳感器或激勵(lì)器接口的數(shù)量。在Parameters-Axes對(duì)話框中輸入[0 0 1]設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)軸矢量為[0 0 1]，即Body與Ground模塊間繞連接點(diǎn)坐標(biāo)系的Z軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖6為Revolute1 模塊參數(shù)。

圖6 Revolute1 模塊參數(shù)設(shè)置

③ Body模塊：

雙擊模塊，打開參數(shù)對(duì)話框，配置質(zhì)量

屬性(質(zhì)量和慣性矩)，然后確定Body模塊和Ground模塊與整體坐標(biāo)系或其他坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

確定各部件的重心位置根據(jù)式(1)計(jì)算：

(1)

式中：a為構(gòu)件的重心到某軸線的距離(縱向、橫向分開求)；S為構(gòu)件平面面積對(duì)某軸線的面積距；F為構(gòu)件平面面積。

其慣量矩陣為：

(2)

將相關(guān)參量輸入到各個(gè)模塊的參數(shù)賦值框中。Body1參數(shù)設(shè)置如圖7所示。

圖7 Body1參數(shù)設(shè)置

3.4 監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)及運(yùn)行模型

運(yùn)用SimMechanics內(nèi)部的可視化窗口將模型可視化、動(dòng)畫化，以便于直接觀察其運(yùn)動(dòng)過程。動(dòng)畫截圖如圖8所示。

圖8 動(dòng)畫截圖

3.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

游梁式抽油機(jī)在工作運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過皮帶和減數(shù)器帶動(dòng)曲柄作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，曲柄通過連桿帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的游梁以支架上中央軸承為支點(diǎn)，做上下擺動(dòng)。通過示波器模塊顯示仿真結(jié)果，可根據(jù)設(shè)置對(duì)其某一項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)也可以將幾項(xiàng)參數(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)圖可以對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，仿真過程中對(duì)游梁圍繞支架軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移、角速度和角加速度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 角位移變化

圖10 角速度變化

圖11 角加速度變化

4 結(jié) 論

此項(xiàng)研究的重點(diǎn)是通過計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)游梁式抽油機(jī)的游梁繞支架軸的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)觀察，在此基礎(chǔ)上得出以下結(jié)論：

(1) 在游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)分析中，比較常規(guī)的幾何數(shù)學(xué)計(jì)算分析方法，MATLAB-SimMechanics模型仿真分析具備分析速度快、可直接觀察運(yùn)動(dòng)過程以及可隨時(shí)對(duì)任意轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。

(2) 通過MATLAB-SimMechanics模型仿真結(jié)果可以快速的監(jiān)測(cè)鉸鏈的角位移、扭矩等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，針對(duì)不同的仿真對(duì)象的物理模型只需要根據(jù)具體尺寸進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)設(shè)置即可，建模過程省去了復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算環(huán)節(jié)，為研究人員節(jié)省了大量精力。