新型抽油机的动力学仿真分析

工具技术新型抽油机的动力学仿真分析孙春辉',邵伟平,郝永平,王毅2沈阳理工大学;2辽河油田公司摘要:通过对目前抽油机仿真技术的研究,提出了一种应用CAD/CAM技术结合虚拟样机技术进行仿真的方法。首先阐述了新型抽油机的工作原理,然后利用 ADAMS建立换向减速机的虚拟样机模型,假设一定的抽汲工况,并对该机构进行仿真分析得到关键部件的速度曲线和受力曲线并通过曲线分析了换向减速机的换向原理。曲线分析能为抽油机的有限元分析提供依据,并为其动态优化及疲劳寿命预测提供指导。关键词:抽油机;虚拟样机; ADAMS;动力学仿真中图分类号:TC659;TH11.2文献标志码:ADynamics Simulation Analysis of New Pumping UnitSun Chunhui, Shao Weiping, Hao Yongping, Wang YiAbstract: By the current simulation technology research of pumping, an application of CAD/CAM technology com-bined with virtual prototyping simulation approach was proposed. The working principle of the new pumping unit is de-scribed firstly, Then Adams is used to establish commutation reducer virtual prototype model, Assuming a certain pumpingconditions, and carry on simulation analysis to the organization, get the speed curve and force curve of the key parts, andhe commutation principle of the commutation reducer is analyzed through these curves analysis of the force curvide the basis for the finite element analysis of the pumping unit. And provide guidance for its dynamic optimization and fa-Keywords: pumping unit; virtual kind machine; Adams; dynamics simulation1引言层面上,三维CAD/CAM技术、虚拟样机技术在抽油机设计和运动特性分析方面的应用很少涉及。首先目前抽油机动力学特性分析仅停留在建立数学利用虚拟样机技术对新型抽油机进行模型建立,并模型、求解运动参数或编写优化设计和仿真软件的分析其动力学特性。分析新型抽油机的动力学特性主要针对悬点运动规律和抽油机各构件的受力状基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975183)况。假设一定的抽汲工况和设计参数,再通过动力收稿日期:2013年6月[4] Y Kevi chou, Chris J Evans. Cubic boron nitride tool wear[11]周泽华.金属切削原理[M].上海:上海科学技术出版interrupted hard cutting[ J ].Wear, 1999: 225-229社,1984.[5]郭旭红,芮延年,朱圣领等陶瓷刀具干切削等温淬火[12]李兴绪殷溪源石磊SPSS经济统计分析[M].北京球铁(ADI)的磨损机理研究[J].摩擦学学报,2006中国统计出版社,2008(26):73-78[13]周复恭,黄运成运用线性回归分析[M].北京:中国人[6]中国科学院数学研究所书里统计组.正交试验法[M民大学出版社,1989北京:人民教育出版社,1975第一作者:王宝宝,硕士研究生,兰州理工大学机电工程[7]李玉标,李嫚,张弘弢.PCBN刀具断续干式切削ADI时学院,730050兰州市切削力与寿命的研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2010First Author: Wang Baobao, Postgraduate, School of M(30):75-79chanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of[8]辛益军方差分析与实验设计[M].北京:中国财政经济7 Technology, Lanzhou730050,Chia出版社,200通信作者[9]于义良,罗蕴玲,安建业概率统计与SFS应用M]北73009州市中国煤化x机电工程学院京:中国财政经济出版社,2001CNMH Gociate Professor[10]于静,董海,张弘弢,等.基于正交试验的高速切削淬硬模 School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou uni具钢的切削力研究[J].工具技术,2012(46):13-16versity of Technology, Lanzhou 730050, China2013年第47卷No11学仿真分析新型抽油机动力学参数的变化规律。建模工具,具有拉伸旋转等功能,可以进行一般的虚拟样机技术是一种新型的基于集成化产品和建模操作。建模过程中自动生成有关实体的质心坐过程开发策略的新的产品设计开发评估手段。它标、实体质量相对质心的回转半径等参数,并可在将计算机仿真方法论、现代管理理论系统工程方分析中直接应用这些数据。利用这种方法,可以建法、模拟技术和计算机支持工具有机结合起来。立实际机械系统的简化机构,只需设置相关的实体ADAMS是虚拟样机技术在工程实践之中应用最为属性就可以满足动力学分析的要求。在 ADAMS中广泛的软件2。它使用交互式图形环境和零件库、直接建模的优点是简单易行,工作量比较小。另约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模种方法是在专业三维建模软件中建立机构的实体模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格型,然后利用 ADAMS与软件之间的接口,将模型朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系 ADAMS环境中,利用专业的建模软件所建立的复杂统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速结构的实体模型比较精确,可以取得比较理想的仿度、加速度和反作用力曲线。通过运用 ADAMS软真效果。结合新型抽油机的结构特点,本文采取后件对悬点运动规律分析和 ADAMS后处理模块对关者的方法进行建模。模型在Pm/E中建立,并且在键部件建立力或力矩的曲线Po/E的装配图环境下对各零件图进行装配,将装2新型抽油机的工作原理配图保存为抛物面(X_T)格式;其次在 ADAMS环境下,将保存的装配图导入 ADAMS中,并调整其位新型抽油机是通过“换向减速机”实现减速换置添加约束(见图2)向,其机构如图1所示。输出绳轮输出锥齿轮圆柱齿轮图2换向减速机模型示意图制动器A差速器22添加约束与驱动速器半轴A制动器B、差速器半轴B固定副(Fxed):将两个构建固定在一起,两个图1换向减速器构建之间没有任意的相对运动,固定副约束两个构换向减速机由两组差速器组成,在两组差速器建之间的3个平动自由度和3个旋转自由度,两个的外壳上安装圆柱齿圆柱齿轮间相互啮合。根据设构建之间没有任何相对自由度。齿轮副(cea):计需要在这两组齿轮中间增设1个介轮。工作中,种复合副,齿轮副约束两个旋转副或滑移之间的自两组差速器并列布置外壳上装有齿轮并相互啮合。由度成一定的比例。旋转副( Revolute):约束两个每组差速器各插入两根半轴。其中输出一侧的两根构件在某一点处绕旋转轴只能相对旋转,旋转副约半轴做成锥齿轮锥齿轮部分分别与配对的伞齿轮束两构件之间的3个平动自由度和2个旋转自由啮合,两个伞齿轮轴中间是输出绳轮。另一侧的两度,两个构件之间只有1个旋转自由度。根半轴上各组装制动器。电动机始终按一个方向匀表1新型抽油机虚拟样机模型约束列表速转动,两个制动器交替工作,即交替刹住两根半被连接的两个部件约束副轴。就可以获得输出绳轮的正反向转动。钢丝绳缠支架、箱体一—大地Fixed Joint绕在输出绳轮上,由于摩擦的作用,通过输出绳轮的齿轮——齿轮正反向转动可以获得钢丝绳两端的上下往复运动,齿轮—行星架Merge从而实现换向。刹车盘中国煤化工ie21新型抽油机的模型建立输出轴CNMH Gte Joint在 ADAMS中建立三维模型有两种方法。一种齿轮—箱体Revolute Joint是在 ADAMS环境中直接建模, ADAMS提供了一套添加驱动过程中,由于新型抽油机是通过刹车工具技术盘来控制两根半轴交替工作,所以半轴的交替工作就需要用不同的驱动来控制半轴。并且在工作时,差速器半轴的转速是变化的,这就需要通过编辑驱2=Kn=(1)动函数实现速度改变。利用Step函数约束驱动。Motion: 100d* timeMotion2: STEP( time, 0, 30. 65d, 1, 30 65d)+ STEP(in.01..613d)+srE(time,1.509.0d)+STEP式中,K1为拉伸刚性因子;K2、K3为剪切刚性因子;(im,9,0d9.5,-61.3d)+STE(ime,9.5,0d,10.5,0d)+K为扭转刚性因子;K35、K为弯曲刚性因子;E、G为sTEP(ime,10.5,0d,11,-61.3d)+STEP(time,11,0d,18.5,钢丝绳的弹性模量、剪切模量;A、D、L为钢丝绳截面od+srE(time,18.50d,19,+61.3d)+sTEP(time,19,d、积、直径、钢丝绳每段长度;l为每段钢丝绳的惯性矩。20,0d)Motion3: STEP( time, 0, 91.95d, 1, 91. 5d)+ STEP(time,在建模过程中,要建立大量的圆柱体,重复添加1,0d,1.5,-61.3d)+STEP(time,1.5,0d,9,0d)+STEP约束和力,手工建模不能满足要求,利用Ms(ime,9,0d,9.5,61.3d)+STEP(ime.9.5,0d,10.5,od)+软件的对话框功能和循环命令,可以很好地解决这个TEP(time,10.5,od,1,61,3d)+STE(ime,1,0d,18.5,问题。以下代码是生成各段圆柱并适当偏移6。0d)+ STEP( time, 18.5, 0d, 19,-61 3d)+ stEP( time, 19, 0ddefaults model model_name=. shengzi20,0d)variable create variable_name ip integer_value=1Mitionl是输入锥齿轮的驱动约束。 Motion2、Motion3分别对两根半轴的驱动进行约束。仿真得art copy part = shengzi part_I new_part=(unique_name到输出轴的角速度与角加速度如图3所示,输出轴"part")的正转反转实现了新型抽油机的上下冲程。set partvariable modify variable_name ip integer_value =( eval( ipariable delete variable_name=ipdefaults model part_name = shengzi part_1variable create variable_name = ip integer_value=1while condition =(ip <50move object part_name =(eval(" shengzi. part_"//(ip+图3输出轴角速度与加速度1)))&2.3钢丝绳的建模cl=0c2=50c3=0&钢丝绳缠绕在输出绳轮上,并且两端分别连接cspart_name =(eval(". shengzi. part _"//(ip)))variable modify variable_name ip integer_value =(eval( ip抽油杆和配重箱换向减速机通过差速器的作用使+1)输出绳轮实现正转和反转,由于钢丝绳和输出绳轮end! while之间的摩擦力作用使得抽油杆和配重箱上下往复运variable delete variable_name ip动,所以钢丝绳是新型抽油机传动链的重要组成部为了调试和更改方便,对创建圆柱、施加约束、件之一。钢丝绳的特征是可以弯曲,但又有一定的施加碰撞力删除错误分别建立对话框和编制代码。刚度,是介于刚体和柔性体之间的介质,属于难以模代码的核心部分是对 MSC Adams提供的命令进行拟的问题。目前在 ADAMS中没有一个完全符合的适当的更改,以适应循环命令的需要。图4就是利模型,所以寻找一种适当的建立钢丝绳模型的方法用对话框和循环命令及在分段圆柱间施加旋转副实可以保证抽油机运动仿真结果的正确性。本文采用现的钢丝绳缠绕仿真”。Bushing(轴套力)连接小刚体模型这种方法建立钢丝绳的模型,然后结合仿真结果来说明这种方法用于抽油机仿真分析中的可行性。轴套力的拉伸和扭转因子由式(1)确定H中国煤化工CNMHG图4钢丝绳缠绕模型2013年第47卷No.113仿真结果与分析4结语新型抽油机的虚拟样机模型在建立、检验成功(1)与传统的力学推导和编程方法相比,采用之后就可以进行动力学仿真分析。首先需要设置仿 ADAMS软件能够方便地进行新型差速器换向抽油真时间和仿真步长。然后利用 ADAMS提供的后处机的动力学分析,可以避免繁琐的公式推导过程并理模块 Postprocessor进行后处理,生成新型抽油机减少物理样机制造及试验次数,从而缩短产品研制系统各运动参数的测试曲线。周期,减少研发费用。首先分析悬点的运动参数。分别是悬点位移、(2)对新型抽油机的 ADAMS动力仿真表明,与速度加速度随仿真时间的变化曲线。由图5可以常规型抽油机相比,匀速运动时间增长,平衡效果更看出,悬点载荷的匀速时间与常规游梁式抽油机相好,提高了抽油机的疲劳寿命,节能效果好。比8明显变长,工作更加平稳,采用直接平衡方式,(3)利用 ADAMS软件对新型抽油机进行运动具有显著的节能效果。在换向的瞬间,有一个延时仿真分析,可以很简单地获取参数的变化曲线,为优等待时间,延时等待时间还可以根据油的稠度自行化设计提供基础。设定,在这几秒钟的时间里,换向减速机为空转,输参考文献出滚筒静止不动,待运动惯性及抽油杆变形消除后换向开始,此时换向冲击已减少了50%。延时功能1]马海健 ADAMS在抽油机动力学分析中的应用[J]潍是该设备特有的,这一功能有三个好处:①可增加排坊学报,2006,6(6):78-80液量,被提升的液体有足够的时间流出井口,不会因2周学友ADAM在抽油机设计分析中的应用机械,柱塞的下行随即落回井内;②延长了原油在地层中2006,33:36-3的渗出时间,更适用于低渗透率的油井;③在两个制3]李增刚 ADAMS人门详解与实力M]北京国防工业出版社,2012动器都失灵的情况下,该设备可以长时间空转,不会[4]郑世山,张亮有,符敢为基于虚拟样机 ADAMS的钢丝造成设备损坏。绳建模及仿真[J].机械工程与自动化,2012(4):26-[5]周炜,易建军,郑建荣. 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