游梁式抽油機(jī)的虛擬樣機(jī)模型研究

游梁式抽油機(jī)的虛擬樣機(jī)模型研究

1游梁兩側(cè)邊固定一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)平衡機(jī)構(gòu)圖1顯示了cyj12-5-73hb基于波動(dòng)補(bǔ)償異相抽油機(jī)的新水平提取模型。該抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:在普通游梁式抽油機(jī)的后部固定一個(gè)導(dǎo)軌(與水平方向夾角為45°),在橫梁上固定一個(gè)連桿裝置,可以根據(jù)需要在連桿上放置平衡塊,連桿裝置可以隨曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)在導(dǎo)軌上往復(fù)滑動(dòng),以達(dá)到較好的平衡效果。這種平衡機(jī)構(gòu)的平衡原理相當(dāng)于游梁平衡方式的平衡原理。但普通游梁平衡方式的游梁式抽油機(jī)的游梁平衡重是固定在游梁上某一位置固定不動(dòng)的,而新型平衡方式的游梁式抽油機(jī)游梁平衡重可以在游梁后部的導(dǎo)軌上滑動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn):①可以方便地增加或減少平衡塊的數(shù)量;②可以在抽油機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期中實(shí)現(xiàn)平衡,從而達(dá)到節(jié)能的目的。2虛擬樣機(jī)建立的方法虛擬樣機(jī)技術(shù)的流程和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法類似,但它們之間又存在著本質(zhì)的差別。虛擬樣機(jī)是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的虛擬模型,這使得傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—比較—優(yōu)化—改進(jìn)設(shè)計(jì)”的循環(huán)過(guò)程效率大大提高,甚至能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、半自動(dòng)化設(shè)計(jì),同時(shí)可以節(jié)省大量的物理樣機(jī)試驗(yàn),降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。虛擬樣機(jī)軟件ADAMS提供了虛擬設(shè)計(jì)制造的軟件平臺(tái)。該軟件基于多體動(dòng)力學(xué)理論和機(jī)械系統(tǒng)仿真方法,提供交互式的建模分析環(huán)境,滿足用戶建立三維實(shí)體模型的要求,強(qiáng)大的求解器提供多種多體動(dòng)力學(xué)的求解方法,而且使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)建模程序,使建模和求解更加方便、精確和程式化。為了便于求解,對(duì)于建立的抽油機(jī)虛擬樣機(jī)模型做如下假設(shè):(1)由于是進(jìn)行抽油機(jī)的整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析,必須對(duì)抽油機(jī)的構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將連接軸承簡(jiǎn)化為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,不考慮軸承的細(xì)部結(jié)構(gòu),不考慮摩擦問(wèn)題。(2)由于抽油機(jī)的主要部件都是剛性的,因而抽油機(jī)的各個(gè)部件都作為剛體處理。(3)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)中軸承屬于剛性連接,不作柔性處理。(4)對(duì)于支架和底座等固定不動(dòng)的構(gòu)件,不參與系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析,不建立模型,不會(huì)影響抽油機(jī)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和性能。(5)抽油機(jī)的動(dòng)力通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速箱來(lái)提供抽油機(jī)曲柄軸近似的勻角速度。為了方便建模和進(jìn)行對(duì)照分析,根據(jù)抽油機(jī)的不同沖數(shù)來(lái)提供不同的勻角速度。樣機(jī)模型建立之后,要進(jìn)行模型的檢驗(yàn),以確保模型建立的準(zhǔn)確性。虛擬樣機(jī)平臺(tái)提供了3種模型檢驗(yàn)方法:①整體模型檢驗(yàn),即對(duì)樣機(jī)整體進(jìn)行校核,確定樣機(jī)剛體、約束數(shù)量是否正確,并給出模型的自由度數(shù)量,驗(yàn)證模型是否成功;②模型靜平衡檢驗(yàn),即進(jìn)行零秒時(shí)的表態(tài)力平衡分析,求解器會(huì)自動(dòng)重新配置所有的部件,使所有的力在一個(gè)特定的點(diǎn)瞬時(shí)達(dá)到平衡,每次的靜態(tài)仿真都是獨(dú)立于受時(shí)間變化影響的速度和加速度,因此不考慮慣性力;③模型裝配分析,這是一個(gè)初始條件仿真,用以檢驗(yàn)所建立的模型中存在的矛盾,初始條件仿真是協(xié)調(diào)所建立模型中在設(shè)計(jì)構(gòu)造上存在的任何配置矛盾,使模型能夠完成線性和非線性仿真,同時(shí)還能正確地定義連接鉸,糾正約束錯(cuò)誤。3旋轉(zhuǎn)副的接觸問(wèn)題及約束條件對(duì)于連接約束而言,抽油機(jī)的實(shí)際桿件連接都是采用軸承連接,在虛擬樣機(jī)中簡(jiǎn)化為剛性連接,用旋轉(zhuǎn)副來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)副約束了2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和3個(gè)移動(dòng)自由度,即旋轉(zhuǎn)副是一種有一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的鉸,它約束一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件且繞著2個(gè)部件的共同轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),如圖2(a)。根據(jù)多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理[如圖2(b)],在旋轉(zhuǎn)副中點(diǎn)分別建立eh0與eh2個(gè)基。其中eh0為本地基,即旋轉(zhuǎn)副作用在兩部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考物上的連體基;而eh是相對(duì)該基運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)部件的連體基,稱為該運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)基,P與Q重合。令基矢量eh0=eh=P1?→??h=Ρ1→?其中P1?→?Ρ1→是鉸軸的單位矢量。令繞P1?→?Ρ1→的轉(zhuǎn)角q1為旋轉(zhuǎn)副的廣義坐標(biāo)。則方向余弦矩陣Ah是q1的函數(shù)。若初始轉(zhuǎn)角q10=0,則有Ah=[1000C1S10?S1C1]Ah=[1000C1-S10S1C1]其中S1=sinq1;C1=cosq1。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,旋轉(zhuǎn)副的相對(duì)角速度矢量為ω?r=P?1q˙1ω→r=Ρ→1q˙1因矢量P1?→?Ρ1→固結(jié)于鉸本地基,相對(duì)角加速度為ω?r=P?1q¨1ω^r=Ρ→1q¨1單位矢量P1?→?Ρ1→的本地坐標(biāo)陣為P′1=(100)T。相對(duì)角速度和相對(duì)角加速度矢量的本地坐標(biāo)陣分別為ω′r=P′1?q˙1ω′r=Ρ′1?q˙1和ω?ω^′r=P′1·q¨q¨1。由于2個(gè)基的基點(diǎn)P與Q始終重合,故基點(diǎn)的相對(duì)位移、速度和加速度為零。對(duì)于運(yùn)動(dòng)約束,根據(jù)前面的假設(shè),把曲柄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)簡(jiǎn)化為勻角速度。參考CYJY12-5-73HB型抽油機(jī)的沖次要求,取光桿的沖次數(shù)n=8min-1,則曲柄角速度ω為48°/s。對(duì)于外力約束條件,抽油機(jī)只有驢頭的懸點(diǎn)載荷。采用統(tǒng)計(jì)得到的模型示功圖計(jì)算懸點(diǎn)載荷。懸點(diǎn)載荷是關(guān)于懸點(diǎn)位移的分段函數(shù);由于驢頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng),懸點(diǎn)載荷又是關(guān)于時(shí)間的周期函數(shù)。對(duì)于分段函數(shù),采用躍階變化量函數(shù)施加懸點(diǎn)載荷,分段用時(shí)間作變量,力函數(shù)本身用懸點(diǎn)位移作自變量。因此,首先要寫(xiě)出每一段位移對(duì)應(yīng)的懸點(diǎn)載荷的函數(shù)。然后再與每一段時(shí)間對(duì)應(yīng);最后寫(xiě)出躍階變化量函數(shù)表達(dá)式,并施加載荷。4游梁式抽油機(jī)虛擬樣機(jī)仿真分析在抽油機(jī)原動(dòng)機(jī)性能不變的情況下,主要由四連桿機(jī)構(gòu)決定懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,因此,由于這種新型平衡方式的游梁式抽油機(jī)沒(méi)有改變?cè)瓉?lái)的四連桿機(jī)構(gòu),抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與同型號(hào)普通游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。由于樣機(jī)模型中增加了可滑動(dòng)的游梁平衡重,虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能必然發(fā)生變化。對(duì)改裝后的抽油機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真分析表明,改裝后抽油機(jī)的受力狀況得到明顯改善,這是因?yàn)橛瘟褐С休S承水平力對(duì)游梁式抽油機(jī)的工作可靠性影響較大。圖3表示抽油機(jī)改裝前、后樣機(jī)模型的游梁支架軸承在X方向受力情況?？梢钥闯?改裝前、后動(dòng)力學(xué)規(guī)律曲線的變化趨勢(shì)沒(méi)有改變,這說(shuō)明進(jìn)行改裝沒(méi)有改變抽油機(jī)原有的多體動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律。但是因?yàn)樵黾恿擞瘟浩胶庵?受力的數(shù)值發(fā)生變化。游梁支架軸承X方向受力的最大值基本沒(méi)有改變,但是其最小值卻明顯增大,受力沒(méi)有負(fù)值,這說(shuō)明改裝后游梁支架軸承的受力情況明顯改善。曲柄扭矩代表了抽油機(jī)的平衡性能,是衡量游梁式抽油機(jī)能耗指標(biāo)的重要參數(shù)也是抽油機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的重要內(nèi)容。圖4表示虛擬樣機(jī)仿真分析得到的游梁式抽油機(jī)改裝前、后的曲柄扭矩變化曲線。從圖中可以看出,改裝后的抽油機(jī)樣機(jī)模型的最大扭矩和最小扭矩都明顯減小,特別是負(fù)扭矩有了明顯降低,說(shuō)明抽油機(jī)改裝后平衡性能得到明顯改善,具有較好的節(jié)能效果。5游梁式抽油機(jī)的虛擬樣機(jī)分析(1)虛擬樣機(jī)技術(shù)的理論基礎(chǔ)是多體動(dòng)力學(xué)理論,通過(guò)建立拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程和對(duì)方程求解,可以精確計(jì)算多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律,避免了傳統(tǒng)解析法引起的誤差。用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,可以方便而準(zhǔn)確地得到各剛體運(yùn)動(dòng)情況和各桿件及鉸接點(diǎn)的受力情況,可以預(yù)測(cè)抽油機(jī)產(chǎn)品的性能。(2)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)一種