級(jí)游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)作業(yè)

1、優(yōu)化設(shè)計(jì)作業(yè)要求每人按規(guī)定格式編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)1份; 計(jì)算說(shuō)明書(shū)附運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算程序和抽油機(jī)懸點(diǎn)位移、速度、加速度曲線（以光桿處在最低位置時(shí)作為計(jì)算位置的起始點(diǎn)）。一、后置式游梁式抽油機(jī)幾何尺寸參數(shù)計(jì)算1、幾何關(guān)系圖1為后置式游梁抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。為便于討論，采用下例符號(hào)：游梁前臂長(zhǎng)度，m ；游梁后臂長(zhǎng)度，m；連桿長(zhǎng)度，m；曲柄半徑，m；游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離，m；游梁支承中心到減速器輸出軸中心的垂直高度，m；基桿長(zhǎng)度，即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離，m；曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離，m ； 曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑處于12點(diǎn)鐘位置 作為零度，曲柄順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，r

2、ad；基桿與垂線的夾角，rad；游梁后臂與連桿的夾角，即傳動(dòng)角，rad；游梁后臂與的夾角，rad；基桿與的夾角，rad；游梁后臂與基桿的夾角，rad，（等于時(shí)）；當(dāng)光桿位于上死點(diǎn)時(shí)，游梁后臂與基桿的夾角，rad；當(dāng)光桿位于下死點(diǎn)時(shí)，游梁后臂與基桿的夾角，rad；連桿與曲柄半徑的夾角，rad；基桿與曲柄半徑的夾角，rad；游梁后臂與水平線的夾角，以水平位置作為零度，沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。機(jī)構(gòu)極位夾角。初始角，即上沖程起始點(diǎn)時(shí)刻（即光桿處在最低位置時(shí)）而曲柄對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角。游梁擺動(dòng)角位移2 角計(jì)算設(shè)抽油機(jī)以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，基桿夾角為 （1-1） （1-2） 3角計(jì)算 （1-3） （1-4） 4游梁擺角計(jì)算

3、 （1-5） （1-6） （1-7） 5扭矩因數(shù)TF計(jì)算 （1-8） （1-9） （1-10） 6計(jì)算游梁擺角 （1-11） 7計(jì)算沖程長(zhǎng)度Si （1-12） 8游梁后臂與基桿的最小夾角、最大夾角 （1-13） （1-14） 9最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角 （1-15） （1-16） 10機(jī)構(gòu)極位夾角 （1-17） 11上沖程起始點(diǎn)時(shí)刻曲柄初始角 （1-18） 12上、下時(shí)游梁前臂相對(duì)于水平線擺動(dòng)角 （1-19） （1-20）二、抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算以光桿處在最低位置時(shí)作為計(jì)算位置的起始點(diǎn)。當(dāng)游梁擺動(dòng)角位移為時(shí)，懸點(diǎn)速度和加速度由以下公式計(jì)算。1懸點(diǎn)速度計(jì)算 （2-1） 式中： ，為抽油機(jī)沖次，。2懸

4、點(diǎn)加速度 （2-2） 3游梁擺動(dòng)的角加速度 （2-3） 三、常規(guī)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)1 目標(biāo)函數(shù)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)左圖，考慮以桿長(zhǎng)為設(shè)計(jì)變量比較直觀。輸入初始點(diǎn)也比較方便。當(dāng)給定抽油機(jī)S，沖程 則設(shè)計(jì)變量選用四連桿幾何尺寸和定位尺寸C，P，R， I， H，即目標(biāo)函數(shù)分別如下。（1）上沖程最大扭矩因數(shù)最小在載荷與平衡扭矩確定的情況下,為追求極小化，一般認(rèn)為可降低減速器峰值扭矩,減小扭矩的波動(dòng)，因而可以減小均方根扭矩與電動(dòng)機(jī)功率。在進(jìn)行極小化中，采用目標(biāo)函數(shù)僅代表連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),而沒(méi)有反映出抽油機(jī)的扭矩特性。（2）上沖程懸點(diǎn)最大加速度最小追求加速度極小化，理論上可減小最大懸點(diǎn)動(dòng)載荷,控制減

5、速器峰值扭矩，但它與扭矩因數(shù)一樣，只是運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。其目標(biāo)函數(shù)為.32 約束條件約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)變量取的限制條件，約束條件有： （1）曲柄存在條件（非線性不等式約束）：，并規(guī)定、取值范圍保證為最長(zhǎng)桿，為最短桿。參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)型，當(dāng)沖程時(shí)，各桿長(zhǎng)之比取值范圍：0.2R/K0.35，0.7P/K0.85，0.4C/K0.7，1A/C1.8 （3-1） （3-2）（2）極位夾角限制（非線性不等式約束）：上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為，下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為?？刂茦O位夾角可以控制上下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)間。即 （3-3）（3）游梁擺角限制（非線性不等式約束）。 （3-4）（4）初始角限制（非線性不等式約束）。 （3-5）（5）最小傳

6、動(dòng)角、最大傳動(dòng)角限制（非線性不等式約束） （3-6） （3-7）（6）游梁前臂相對(duì)于水平線擺動(dòng)角限制（非線性不等式約束） （3-8）（7）基桿傾角的限制（非線性不等式約束） （3-9）四、異相曲柄平衡抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)1 目標(biāo)函數(shù)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)左圖，考慮以桿長(zhǎng)為設(shè)計(jì)變量比較直觀。輸入初始點(diǎn)也比較方便。當(dāng)給定抽油機(jī)S，沖程 則設(shè)計(jì)變量選用四連桿幾何尺寸和定位尺寸C，P，R， I， H，即目標(biāo)函數(shù)分別如下。（1）上沖程最大扭矩因數(shù)最小在載荷與平衡扭矩確定的情況下,為追求極小化，一般認(rèn)為可降低減速器峰值扭矩,減小扭矩的波動(dòng)，因而可以減小均方根扭矩與電動(dòng)機(jī)功率。在進(jìn)行極小化中，采用目標(biāo)函數(shù)僅代

7、表連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),而沒(méi)有反映出抽油機(jī)的扭矩特性。（2）上沖程懸點(diǎn)最大加速度最小追求加速度極小化，理論上可減小最大懸點(diǎn)動(dòng)載荷,控制減速器峰值扭矩，但它與扭矩因數(shù)一樣，只是運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。其目標(biāo)函數(shù)為.32 約束條件約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)變量取的限制條件，約束條件有： （1）曲柄存在條件（非線性不等式約束）：，并規(guī)定、取值范圍保證為最長(zhǎng)桿，為最短桿。參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)型，當(dāng)沖程時(shí)，各桿長(zhǎng)之比取值范圍：0.2R/K0.35，0.7P/K0.85，0.4C/K0.7，1A/C1.8 （3-1） （3-2）（2）極位夾角限制（非線性不等式約束）：上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為，下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為。控制極位夾角可以控制上下沖程運(yùn)

8、動(dòng)時(shí)間。即（3-3）（3）游梁擺角限制（非線性不等式約束）。 （3-4）（4）初始角限制：。 （3-5）（5）最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角限制（非線性不等式約束） （3-6） （3-7）（6）游梁前臂相對(duì)于水平線擺動(dòng)角限制（非線性不等式約束） （3-8）（7）基桿傾角的限制（非線性不等式約束） （3-9）一、前置式游梁式抽油機(jī)幾何尺寸參數(shù)計(jì)算前置式游梁抽油機(jī)分為機(jī)械平衡和氣平衡兩種，氣平衡式前置抽油機(jī)具有節(jié)能效果好，重量輕，平衡效果好而受到用戶的好評(píng)，但是其失載的危險(xiǎn)性也令人擔(dān)擾。機(jī)械平衡前置式抽油機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高等特點(diǎn)。前置式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，各符號(hào)的意義如圖中定義。圖1前置

9、式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖中 A游梁前臂長(zhǎng)； C游梁后臂長(zhǎng)； P連桿長(zhǎng)度； R曲柄半徑； I游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離；H游梁支承中心到底座底部的高度； G減速器輸出軸中心到底座底部的高度； K即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離； J曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離,mm；曲柄轉(zhuǎn)角，以曲柄半徑R處于6點(diǎn)鐘位置作為零度，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量,曲柄逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；零度線與K的夾角，由零度線到K沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向度量；C與P的夾角，稱傳動(dòng)角；C與K的夾角；b光桿在最低位置時(shí)的角；t光桿在最高位置時(shí)的角；P與R的夾角。首先參照標(biāo)準(zhǔn)和樣本初步游梁的前臂長(zhǎng)、后臂長(zhǎng)、游梁擺動(dòng)中心高H、曲柄旋轉(zhuǎn)中心高

10、G、游梁擺動(dòng)中心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的1計(jì)算角 （1-1）2計(jì)算角 （1-2）3計(jì)算游梁擺角 （1-3） （1-4） （1-5）4計(jì)算扭矩因數(shù)TF （1-6） （1-7）5游梁后臂與基桿的最小夾角、最大夾角 （1-9） （1-10） 6計(jì)算游梁擺角 （1-10） 7計(jì)算沖程長(zhǎng)度 （1-11）9最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角 （1-12） （1-13） 10機(jī)構(gòu)極位夾角 （1-14） 11上沖程起始點(diǎn)時(shí)刻曲柄初始角 （1-15） 12上、下時(shí)游梁前臂相對(duì)于水平線擺動(dòng)角 （1-19） （1-20）二、運(yùn)動(dòng)計(jì)算1計(jì)算懸點(diǎn)的速度VA ； （2-1） 懸點(diǎn)速度為：（2-2）2計(jì)算懸點(diǎn)的加速度懸點(diǎn)加速度為： （2-3）

11、三、前置式油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)1 目標(biāo)函數(shù)抽油機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)左圖，考慮以桿長(zhǎng)為設(shè)計(jì)變量比較直觀。當(dāng)給定抽油機(jī)S，沖程 則設(shè)計(jì)變量選用四連桿幾何尺寸和定位尺寸C，P，R， K， I，即目標(biāo)函數(shù)分別如下。（1）上沖程最大扭矩因數(shù)最小在載荷與平衡扭矩確定的情況下,為追求極小化，一般認(rèn)為可降低減速器峰值扭矩,減小扭矩的波動(dòng)，因而可以減小均方根扭矩與電動(dòng)機(jī)功率。在進(jìn)行極小化中，采用目標(biāo)函數(shù)僅代表連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),而沒(méi)有反映出抽油機(jī)的扭矩特性。（2）上沖程懸點(diǎn)最大加速度最小追求加速度極小化，理論上可減小最大懸點(diǎn)動(dòng)載荷,控制減速器峰值扭矩，但它與扭矩因數(shù)一樣，只是運(yùn)動(dòng)指標(biāo)。其目標(biāo)函數(shù)為.32 約束條件約

12、束條件是對(duì)設(shè)計(jì)變量取的限制條件，約束條件有： （1）曲柄存在條件（線性不等式約束）：，并規(guī)定、取值范圍保證為最長(zhǎng)桿，為最短桿。 （3-1） （3-2） （3-3） （3-4） （3-5） （3-6）（2）設(shè)計(jì)變量上下限 （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） （3-11）（3）上沖程初始角取值范圍（非線性不等式約束） （3-12）（4）極位夾角限制（非線性不等式約束）：上沖程曲柄轉(zhuǎn)角為，下沖程曲柄轉(zhuǎn)角為?？刂茦O位夾角可以控制上下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)間。即（3-13）（5）游梁擺角限制（非線性不等式約束）：。 （3-14）（6）最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角限制（非線性不等式約束） （3-15） （3-

13、16）（7）游梁前臂相對(duì)于水平線擺動(dòng)角限制（非線性不等式約束） （3-17） （3-18）（8）基桿傾角的限制（非線性不等式約束） （3-19）（9）曲柄最大回轉(zhuǎn)半徑邊緣到光桿垂線的距離限制（非線性不等式約束） （3-20）計(jì)算結(jié)果輸出要求disp ' *××抽油機(jī)桿件尺寸按上沖程最大×××優(yōu)化的最優(yōu)解*'fprintf(1,' 曲柄半徑 R=%fn',R)fprintf(1,' 連桿長(zhǎng)度 P=%fn',P)fprintf(1,' 游梁長(zhǎng)度 C=%fn',C)fprintf(1,&

14、#39; 前臂長(zhǎng)度 A=%fn',A)fprintf(1,' 基桿長(zhǎng)度 K=%fn',K)fprintf(1,' 基桿水平投影長(zhǎng)度 I=%fn',I)fprintf(1,' 基桿長(zhǎng)度垂直投影長(zhǎng)度 HG=%fn',HG)fprintf(1,' 抽油機(jī)沖程 %fn',S)fprintf(1,' 目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值 %fn', fval)fprintf(1,' 極位夾角 %fn',(180/pi)*tao)fprintf(1,' 上沖程初始角 %fn',(180/pi)*THTA0)f

15、printf(1,' 最小傳動(dòng)角 %fn',(180/pi)*BETA_min)fprintf(1,' 最大傳動(dòng)角 %fn',(180/pi)*BETA_max)fprintf(1,' 游梁擺角 %fn',(180/pi)*KoSai)fprintf(1,' 游梁相對(duì)于水平線擺上擺角 %fn',(180/pi)*data_up)fprintf(1,' 游梁相對(duì)于水平線擺下擺角 %fn',(180/pi)*data_down)fprintf(1,' 基桿傾角 %fn',(180/pi)*FI)NO：1

16、已知后置式抽油機(jī)的沖次n=6，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄長(zhǎng)度、連桿，后臂。(最小傳動(dòng)角，極位夾角，沖程S=1.5m。) 。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線；（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：1沖程S=3.0m，沖次n=9r/min的常規(guī)式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機(jī)上沖程最大加速度最小為目標(biāo)函數(shù)NO：2已知后置式抽油機(jī)的沖次，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線；

17、（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：2沖程S=3.2m，沖次n=8r/min的常規(guī)式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機(jī)上沖程最大扭矩因素最小為目標(biāo)函數(shù)NO：3已知后置式抽油機(jī)的沖次，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線；（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：3沖程S=3.6m，沖次n=8r/min的常

18、規(guī)式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機(jī)上沖程最大加速度最小為目標(biāo)函數(shù)NO：4已知后置式抽油機(jī)的沖次，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線；（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：4沖程S=3.8m，沖次n=6r/min的異相曲柄抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機(jī)上沖程最大加速度最小為目標(biāo)函數(shù)NO：5已知后置式抽油機(jī)的沖次，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速

19、度、加速度曲線；（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：5沖程S=4.0m，沖次n=6r/min的異相曲柄抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機(jī)上沖程最大扭矩因素最小為目標(biāo)函數(shù)NO：6已知后置式抽油機(jī)的沖次，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線；（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：6沖程S=4.2m，沖次n=6r/min的異相曲柄抽油機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化以抽油機(jī)上沖程最大加速度最小為目標(biāo)函數(shù)NO：7已知后置式抽油機(jī)的沖次，游梁前臂，游梁支點(diǎn)與曲軸中心之間的水平距離，垂直距離，曲柄半徑、連桿，后臂。（1）試?yán)L制懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線；（2）試計(jì)算抽油機(jī)沖程、極位夾角、上沖程初始角、最小傳動(dòng)角、最大傳動(dòng)角、游梁擺角、游梁相對(duì)于水平線擺上擺角、游梁相對(duì)于水平線擺下擺角、基桿傾角。NO：7沖程S=4.8