新型抽油機的動(dòng)力學(xué)仿真分析

工具技術(shù)新型抽油機的動(dòng)力學(xué)仿真分析孫春輝',邵偉平,郝永平,王毅2沈陽(yáng)理工大學(xué);2遼河油田公司摘要:通過(guò)對目前抽油機仿真技術(shù)的研究,提出了一種應用CAD/CAM技術(shù)結合虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行仿真的方法。首先闡述了新型抽油機的工作原理,然后利用 ADAMS建立換向減速機的虛擬樣機模型,假設一定的抽汲工況,并對該機構進(jìn)行仿真分析得到關(guān)鍵部件的速度曲線(xiàn)和受力曲線(xiàn)并通過(guò)曲線(xiàn)分析了換向減速機的換向原理。曲線(xiàn)分析能為抽油機的有限元分析提供依據,并為其動(dòng)態(tài)優(yōu)化及疲勞壽命預測提供指導。關(guān)鍵詞:抽油機;虛擬樣機; ADAMS;動(dòng)力學(xué)仿真中圖分類(lèi)號:TC659;TH11.2文獻標志碼: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引言層面上,三維CAD/CAM技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)在抽油機設計和運動(dòng)特性分析方面的應用很少涉及。首先目前抽油機動(dòng)力學(xué)特性分析僅停留在建立數學(xué)利用虛擬樣機技術(shù)對新型抽油機進(jìn)行模型建立,并模型、求解運動(dòng)參數或編寫(xiě)優(yōu)化設計和仿真軟件的分析其動(dòng)力學(xué)特性。分析新型抽油機的動(dòng)力學(xué)特性主要針對懸點(diǎn)運動(dòng)規律和抽油機各構件的受力狀基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50975183)況。假設一定的抽汲工況和設計參數,再通過(guò)動(dòng)力收稿日期:2013年6月[4] Y Kevi chou, Chris J Evans. Cubic boron nitride tool wear[11]周澤華.金屬切削原理[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版interrupted hard cutting[ J ].Wear, 1999: 225-229社,1984.[5]郭旭紅,芮延年,朱圣領(lǐng)等陶瓷刀具干切削等溫淬火[12]李興緒殷溪源石磊SPSS經(jīng)濟統計分析[M].北京球鐵(ADI)的磨損機理研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2006中國統計出版社,2008(26):73-78[13]周復恭,黃運成運用線(xiàn)性回歸分析[M].北京:中國人[6]中國科學(xué)院數學(xué)研究所書(shū)里統計組.正交試驗法[M民大學(xué)出版社,1989北京:人民教育出版社,1975第一作者:王寶寶,碩士研究生,蘭州理工大學(xué)機電工程[7]李玉標,李嫚,張弘弢.PCBN刀具斷續干式切削ADI時(shí)學(xué)院,730050蘭州市切削力與壽命的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2010First Author: Wang Baobao, Postgraduate, School of M(30):75-79chanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of[8]辛益軍方差分析與實(shí)驗設計[M].北京:中國財政經(jīng)濟7 Technology, Lanzhou730050,Chia出版社,200通信作者[9]于義良,羅蘊玲,安建業(yè)概率統計與SFS應用M]北73009州市中國煤化x機電工程學(xué)院京:中國財政經(jīng)濟出版社,2001CNMH Gociate Professor[10]于靜,董海,張弘弢,等.基于正交試驗的高速切削淬硬模 School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou uni具鋼的切削力研究[J].工具技術(shù),2012(46):13-16versity of Technology, Lanzhou 730050, China2013年第47卷No11學(xué)仿真分析新型抽油機動(dòng)力學(xué)參數的變化規律。建模工具,具有拉伸旋轉等功能,可以進(jìn)行一般的虛擬樣機技術(shù)是一種新型的基于集成化產(chǎn)品和建模操作。建模過(guò)程中自動(dòng)生成有關(guān)實(shí)體的質(zhì)心坐過(guò)程開(kāi)發(fā)策略的新的產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)評估手段。它標、實(shí)體質(zhì)量相對質(zhì)心的回轉半徑等參數,并可在將計算機仿真方法論、現代管理理論系統工程方分析中直接應用這些數據。利用這種方法,可以建法、模擬技術(shù)和計算機支持工具有機結合起來(lái)。立實(shí)際機械系統的簡(jiǎn)化機構,只需設置相關(guān)的實(shí)體ADAMS是虛擬樣機技術(shù)在工程實(shí)踐之中應用最為屬性就可以滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)分析的要求。在 ADAMS中廣泛的軟件2。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、直接建模的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,工作量比較小。另約束庫、力庫,創(chuàng )建完全參數化的機械系統幾何模種方法是在專(zhuān)業(yè)三維建模軟件中建立機構的實(shí)體模型,其求解器采用多剛體系統動(dòng)力學(xué)理論中的拉格型,然后利用 ADAMS與軟件之間的接口,將模型朗日方程方法,建立系統動(dòng)力學(xué)方程,對虛擬機械系 ADAMS環(huán)境中,利用專(zhuān)業(yè)的建模軟件所建立的復雜統進(jìn)行靜力學(xué)、運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,輸出位移、速結構的實(shí)體模型比較精確,可以取得比較理想的仿度、加速度和反作用力曲線(xiàn)。通過(guò)運用 ADAMS軟真效果。結合新型抽油機的結構特點(diǎn),本文采取后件對懸點(diǎn)運動(dòng)規律分析和 ADAMS后處理模塊對關(guān)者的方法進(jìn)行建模。模型在Pm/E中建立,并且在鍵部件建立力或力矩的曲線(xiàn)Po/E的裝配圖環(huán)境下對各零件圖進(jìn)行裝配,將裝2新型抽油機的工作原理配圖保存為拋物面(X_T)格式;其次在 ADAMS環(huán)境下,將保存的裝配圖導入 ADAMS中,并調整其位新型抽油機是通過(guò)“換向減速機”實(shí)現減速換置添加約束(見(jiàn)圖2)向,其機構如圖1所示。輸出繩輪輸出錐齒輪圓柱齒輪圖2換向減速機模型示意圖制動(dòng)器A差速器22添加約束與驅動(dòng)速器半軸A制動(dòng)器B、差速器半軸B固定副(Fxed):將兩個(gè)構建固定在一起,兩個(gè)圖1換向減速器構建之間沒(méi)有任意的相對運動(dòng),固定副約束兩個(gè)構換向減速機由兩組差速器組成,在兩組差速器建之間的3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉自由度,兩個(gè)的外殼上安裝圓柱齒圓柱齒輪間相互嚙合。根據設構建之間沒(méi)有任何相對自由度。齒輪副(cea):計需要在這兩組齒輪中間增設1個(gè)介輪。工作中,種復合副,齒輪副約束兩個(gè)旋轉副或滑移之間的自?xún)山M差速器并列布置外殼上裝有齒輪并相互嚙合。由度成一定的比例。旋轉副( Revolute):約束兩個(gè)每組差速器各插入兩根半軸。其中輸出一側的兩根構件在某一點(diǎn)處繞旋轉軸只能相對旋轉,旋轉副約半軸做成錐齒輪錐齒輪部分分別與配對的傘齒輪束兩構件之間的3個(gè)平動(dòng)自由度和2個(gè)旋轉自由嚙合,兩個(gè)傘齒輪軸中間是輸出繩輪。另一側的兩度,兩個(gè)構件之間只有1個(gè)旋轉自由度。根半軸上各組裝制動(dòng)器。電動(dòng)機始終按一個(gè)方向勻表1新型抽油機虛擬樣機模型約束列表速轉動(dòng),兩個(gè)制動(dòng)器交替工作,即交替剎住兩根半被連接的兩個(gè)部件約束副軸。就可以獲得輸出繩輪的正反向轉動(dòng)。鋼絲繩纏支架、箱體一—大地Fixed Joint繞在輸出繩輪上,由于摩擦的作用,通過(guò)輸出繩輪的齒輪——齒輪正反向轉動(dòng)可以獲得鋼絲繩兩端的上下往復運動(dòng),齒輪—行星架Merge從而實(shí)現換向。剎車(chē)盤(pán)中國煤化工ie21新型抽油機的模型建立輸出軸CNMH Gte Joint在 ADAMS中建立三維模型有兩種方法。一種齒輪—箱體Revolute Joint是在 ADAMS環(huán)境中直接建模, ADAMS提供了一套添加驅動(dòng)過(guò)程中,由于新型抽油機是通過(guò)剎車(chē)工具技術(shù)盤(pán)來(lái)控制兩根半軸交替工作,所以半軸的交替工作就需要用不同的驅動(dòng)來(lái)控制半軸。并且在工作時(shí),差速器半軸的轉速是變化的,這就需要通過(guò)編輯驅2=Kn=(1)動(dòng)函數實(shí)現速度改變。利用Step函數約束驅動(dòng)。Motion: 100d* timeMotion2: STEP( time, 0, 30. 65d, 1, 30 65d)+ STEP(in.01..613d)+srE(time,1.509.0d)+STEP式中,K1為拉伸剛性因子;K2、K3為剪切剛性因子;(im,9,0d9.5,-61.3d)+STE(ime,9.5,0d,10.5,0d)+K為扭轉剛性因子;K35、K為彎曲剛性因子;E、G為sTEP(ime,10.5,0d,11,-61.3d)+STEP(time,11,0d,18.5,鋼絲繩的彈性模量、剪切模量;A、D、L為鋼絲繩截面od+srE(time,18.50d,19,+61.3d)+sTEP(time,19,d、積、直徑、鋼絲繩每段長(cháng)度;l為每段鋼絲繩的慣性矩。20,0d)Motion3: STEP( time, 0, 91.95d, 1, 91. 5d)+ STEP(time,在建模過(guò)程中,要建立大量的圓柱體,重復添加1,0d,1.5,-61.3d)+STEP(time,1.5,0d,9,0d)+STEP約束和力,手工建模不能滿(mǎn)足要求,利用Ms(ime,9,0d,9.5,61.3d)+STEP(ime.9.5,0d,10.5,od)+軟件的對話(huà)框功能和循環(huán)命令,可以很好地解決這個(gè)TEP(time,10.5,od,1,61,3d)+STE(ime,1,0d,18.5,問(wèn)題。以下代碼是生成各段圓柱并適當偏移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是輸入錐齒輪的驅動(dòng)約束。 Motion2、Motion3分別對兩根半軸的驅動(dòng)進(jìn)行約束。仿真得art copy part = shengzi part_I new_part=(unique_name到輸出軸的角速度與角加速度如圖3所示,輸出軸"part")的正轉反轉實(shí)現了新型抽油機的上下沖程。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_"http://(ip+圖3輸出軸角速度與加速度1)))&2.3鋼絲繩的建模cl=0c2=50c3=0&鋼絲繩纏繞在輸出繩輪上,并且兩端分別連接cspart_name =(eval(". shengzi. part _"http://(ip)))variable modify variable_name ip integer_value =(eval( ip抽油桿和配重箱換向減速機通過(guò)差速器的作用使+1)輸出繩輪實(shí)現正轉和反轉,由于鋼絲繩和輸出繩輪end! while之間的摩擦力作用使得抽油桿和配重箱上下往復運variable delete variable_name ip動(dòng),所以鋼絲繩是新型抽油機傳動(dòng)鏈的重要組成部為了調試和更改方便,對創(chuàng )建圓柱、施加約束、件之一。鋼絲繩的特征是可以彎曲,但又有一定的施加碰撞力刪除錯誤分別建立對話(huà)框和編制代碼。剛度,是介于剛體和柔性體之間的介質(zhì),屬于難以模代碼的核心部分是對 MSC Adams提供的命令進(jìn)行擬的問(wèn)題。目前在 ADAMS中沒(méi)有一個(gè)完全符合的適當的更改,以適應循環(huán)命令的需要。圖4就是利模型,所以尋找一種適當的建立鋼絲繩模型的方法用對話(huà)框和循環(huán)命令及在分段圓柱間施加旋轉副實(shí)可以保證抽油機運動(dòng)仿真結果的正確性。本文采用現的鋼絲繩纏繞仿真”。Bushing(軸套力)連接小剛體模型這種方法建立鋼絲繩的模型,然后結合仿真結果來(lái)說(shuō)明這種方法用于抽油機仿真分析中的可行性。軸套力的拉伸和扭轉因子由式(1)確定H中國煤化工CNMHG圖4鋼絲繩纏繞模型2013年第47卷No.113仿真結果與分析4結語(yǔ)新型抽油機的虛擬樣機模型在建立、檢驗成功(1)與傳統的力學(xué)推導和編程方法相比,采用之后就可以進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。首先需要設置仿 ADAMS軟件能夠方便地進(jìn)行新型差速器換向抽油真時(shí)間和仿真步長(cháng)。然后利用 ADAMS提供的后處機的動(dòng)力學(xué)分析,可以避免繁瑣的公式推導過(guò)程并理模塊 Postprocessor進(jìn)行后處理,生成新型抽油機減少物理樣機制造及試驗次數,從而縮短產(chǎn)品研制系統各運動(dòng)參數的測試曲線(xiàn)。周期,減少研發(fā)費用。首先分析懸點(diǎn)的運動(dòng)參數。分別是懸點(diǎn)位移、(2)對新型抽油機的 ADAMS動(dòng)力仿真表明,與速度加速度隨仿真時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖5可以常規型抽油機相比,勻速運動(dòng)時(shí)間增長(cháng),平衡效果更看出,懸點(diǎn)載荷的勻速時(shí)間與常規游梁式抽油機相好,提高了抽油機的疲勞壽命,節能效果好。比8明顯變長(cháng),工作更加平穩,采用直接平衡方式,(3)利用 ADAMS軟件對新型抽油機進(jìn)行運動(dòng)具有顯著(zhù)的節能效果。在換向的瞬間,有一個(gè)延時(shí)仿真分析,可以很簡(jiǎn)單地獲取參數的變化曲線(xiàn),為優(yōu)等待時(shí)間,延時(shí)等待時(shí)間還可以根據油的稠度自行化設計提供基礎。設定,在這幾秒鐘的時(shí)間里,換向減速機為空轉,輸參考文獻出滾筒靜止不動(dòng),待運動(dòng)慣性及抽油桿變形消除后換向開(kāi)始,此時(shí)換向沖擊已減少了50%。延時(shí)功能1]馬海健 ADAMS在抽油機動(dòng)力學(xué)分析中的應用[J]濰是該設備特有的,這一功能有三個(gè)好處:①可增加排坊學(xué)報,2006,6(6):78-80液量,被提升的液體有足夠的時(shí)間流出井口,不會(huì )因2周學(xué)友ADAM在抽油機設計分析中的應用機械,柱塞的下行隨即落回井內;②延長(cháng)了原油在地層中2006,33:36-3的滲出時(shí)間,更適用于低滲透率的油井;③在兩個(gè)制3]李增剛 ADAMS人門(mén)詳解與實(shí)力M]北京國防工業(yè)出版社,2012動(dòng)器都失靈的情況下,該設備可以長(cháng)時(shí)間空轉,不會(huì )[4]鄭世山,張亮有,符敢為基于虛擬樣機 ADAMS的鋼絲造成設備損壞。繩建模及仿真[J].機械工程與自動(dòng)化,2012(4):26-[5]周煒,易建軍,鄭建榮. Adams軟件中繩索類(lèi)物體的一種建模方法[J].現代制造工程,2004(5):38-39[6]王得勝,孔德文,趙克利機械式礦用挖掘機鋼絲繩在MSC Adams中的建模方法[J].計算機輔助工程,2006,15(增刊):364-366圖5懸點(diǎn)載荷運動(dòng)曲線(xiàn)[7]華劍,童新華.隨動(dòng)復合游梁平衡抽油機運動(dòng)學(xué)研究分析了懸點(diǎn)的運動(dòng)參數之后再進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分[J].石油礦場(chǎng)械,2009,38(4):13-15.析,圖6為輸出錐齒輪的接觸力在X、Y、Z三個(gè)方向[8]鄔亦炯,劉卓均抽油機[M]·北京:石油工業(yè)出版社,上的力和力矩曲線(xiàn)。[9]李庭,胡斌,鄭敏.基于 ADAMS的輸送帶的建模與仿真[J].機械設計與制造,2013(3):30-32單計一中學(xué)個(gè)鐘[10]洪清泉,程穎.基于 ADAMS的多級齒輪傳動(dòng)系統動(dòng)力學(xué)仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2003,33(6):690693.(a)輸出齒輪接觸力第一作者:孫春輝,碩士研究生,沈陽(yáng)理工大學(xué)CADCAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心,沈陽(yáng)理工大學(xué)機械工程學(xué)院,110159沈陽(yáng)市一4蹦First Author: Sun Chunhui, Postgraduate, Researchvelopment Center of CAD/CAM Technology, Shenyang Ligong U-niversity, Shenya中國煤化工(b)輸出齒輪接觸力矩CNMHG圖6輸出錐齒輪的接觸力曲線(xiàn)