沈兆奎，鄭立春

(天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

0 前言

常用的游梁式抽油機(jī)采用曲柄平衡方式，該平衡方式電機(jī)啟動(dòng)電流大;減速箱和電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，傳動(dòng)效率低;運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易出現(xiàn)扭矩峰值，對(duì)減速箱的壽命影響大。本文以常規(guī)游梁式抽油機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)的一種新型節(jié)能型抽油機(jī)，平衡效果好，其在運(yùn)行過程中節(jié)能效果較好。

1 新型抽油機(jī)的節(jié)能特點(diǎn)

圖1為新型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，該型機(jī)已經(jīng)投入使用，運(yùn)行效果良好，最大沖程為3 m，與其匹配的電機(jī)僅需11 kW，節(jié)能效果較好。

與常規(guī)抽油機(jī)的平衡方式不同，該新型抽油機(jī)是在游梁尾端配以平衡配重箱(配重箱中可根據(jù)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的不同添減配重塊)，可以與懸點(diǎn)載荷進(jìn)行較好的平衡，有效地減小輸出凈扭矩的峰值，達(dá)到減小動(dòng)力配置、提高效率和降低能耗之目的。此外，該型機(jī)曲柄輸入端與電機(jī)輸出端采用大直徑圓弧齒輪嚙合，這種方式不但可以大幅度降低減速箱輸出軸扭矩，還可以使抽油機(jī)工作更加平穩(wěn)。

2 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

由于轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系為

所以根據(jù)抽油機(jī)輸入扭矩就可以間接導(dǎo)出抽油機(jī)的輸入功率，峰值扭矩減小，抽油機(jī)最大功率降低，則可以降低抽油機(jī)裝機(jī)功率，因此該抽油機(jī)的優(yōu)化目標(biāo)為輸入扭矩的峰值。建立抽油機(jī)模型，如圖2所示。給定轉(zhuǎn)速為20 r/min，仿真，觀察其運(yùn)動(dòng)，測出減速箱輸出軸扭矩即抽油機(jī)輸入扭矩，其扭矩曲線圖如圖3所示，其扭矩峰值為×106N·mm。

圖1 新型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of the new pumping unit structure

2.2 參數(shù)化建模

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，抽油機(jī)模型中創(chuàng)建了7個(gè)點(diǎn)，3個(gè)設(shè)計(jì)變量，這些點(diǎn)和變量所在的位置如圖4所示。其中D點(diǎn)和E點(diǎn)為參數(shù)化點(diǎn)，這些參數(shù)化點(diǎn)必須與所在位置的構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，當(dāng)這些參數(shù)化點(diǎn)的位置改變時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件的尺寸也會(huì)發(fā)生變化。

圖4 抽油機(jī)模型參數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Parameters diagram of the pumping unit model

(1)A點(diǎn)。A(－2 620，0)點(diǎn)控制游梁前臂的長度，該點(diǎn)X坐標(biāo)為－2 620，表明游梁前臂長度為2 620 mm，由于該型機(jī)的沖程與游梁前臂和游梁擺角有關(guān)，為保證沖程不變，在設(shè)計(jì)過程中保證游梁前臂和游梁擺角均為一定值，因此A點(diǎn)為一固定點(diǎn)。

(2)B點(diǎn)。B(0，0)是游梁的支架點(diǎn)，也為一個(gè)固定點(diǎn)，同時(shí)也是整個(gè)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

(3)C點(diǎn)。C(2 260，0)點(diǎn)為連桿與游梁后臂的交點(diǎn)。由于游梁擺角與該點(diǎn)的位置有關(guān)，因此該點(diǎn)也為一固定點(diǎn)。

(4)D點(diǎn)。D(a，0)點(diǎn)控制游梁后臂的實(shí)際長度，變量a的變化影響游梁后臂的實(shí)際長度即游梁后臂隨a的變化而變化。

(5)E點(diǎn)。E(b，c)點(diǎn)為游梁尾端的端點(diǎn)，變量b和c影響游梁后臂的有效長度。

(6)F點(diǎn)。F(4770，－1 400)點(diǎn)為一固定點(diǎn)，是游梁尾端距離地面高度的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

(7)G點(diǎn)。G(765，－2 375)點(diǎn)與C點(diǎn)一樣，與游梁擺角的大小有關(guān)，因此該點(diǎn)也為一固定點(diǎn)。

由此完成了抽油機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

ADAMS/View的參數(shù)化分析功能可以分析設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)樣機(jī)性能的影響。在參數(shù)化分析過程中，ADAMS/view采用不同的設(shè)計(jì)參數(shù)值自動(dòng)地進(jìn)行一系列仿真分析，然后返回分析結(jié)果。通過對(duì)參數(shù)化分析結(jié)果的分析，可以研究一個(gè)或多個(gè)參數(shù)變化對(duì)樣機(jī)性能的影響，獲得最優(yōu)的樣機(jī)。

2.3.1 確定優(yōu)化參數(shù)

系統(tǒng)對(duì)三個(gè)自變量優(yōu)化分析時(shí)，ADAMS自動(dòng)生成設(shè)計(jì)研究報(bào)告，在設(shè)計(jì)研究報(bào)告中，三個(gè)自變量在初始值的敏感度見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量靈敏度分析Tab.1 Analysis of the design variable sensitivity N·mm/mm

由表1可知，以上設(shè)計(jì)變量對(duì)機(jī)構(gòu)的影響都比較大，均需要優(yōu)化，將以上變量分為兩組分步進(jìn)行優(yōu)化，第一組為a，第二組為b、c。

確定優(yōu)化參數(shù)的取值范圍見表2。

表2 設(shè)計(jì)變量的取值范圍Tab.2 Range of the design variables mm

2.3.2 優(yōu)化計(jì)算和分析

在完成參數(shù)化分析的準(zhǔn)備工作以后，便按照分組對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在Build菜單下選擇測量抽油機(jī)輸入扭矩，在Simulate-Design-Measure下選擇測量最大值，在優(yōu)化目標(biāo)下選擇最小值，在Design Variables中輸入a開始優(yōu)化，得出優(yōu)化后的扭矩曲線如圖5所示，其峰值扭矩為4.3324×106N·mm。在Design Variables中輸入b、c開始優(yōu)化得出優(yōu)化后的扭矩曲線如圖6所示，其峰值扭矩為4.3057×106N·mm。

圖5 第一組優(yōu)化后的扭矩曲線圖Fig.5 Torque curve of the first group after optimization

從設(shè)計(jì)研究報(bào)告可以看出優(yōu)化前后各個(gè)變量的取值見表3。優(yōu)化前后輸入扭矩的最大值分別為4.4063×106N·mm，4.3057×106N·mm。

表3 設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Optimized results of the design variables

圖6 第二組優(yōu)化后的扭矩曲線圖Fig.6 Torque curve of the second group after the optimization

優(yōu)化后的最大大扭矩減小了1.006×105N·mm。由功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式得出優(yōu)化前后抽油機(jī)的輸入功率分別為9.23 kW、9.02 kW，僅僅減小了0.21 kW，功率變化不明顯表明該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)合理，可投入應(yīng)用。

3 結(jié)論

利用ADAMS軟件建立了一種新型抽油機(jī)的仿真模型，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以抽油機(jī)的輸入功率為目標(biāo)驗(yàn)證了該新型機(jī)結(jié)構(gòu)合理、具有較明顯的節(jié)能效果。

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