毕业设计-游梁式复合平衡抽油机的运动动力学分析

毕业设计-游梁式复合平衡抽油机的运动动力学分析 西安石油大学本科毕业设计（论文） 抽油机是有杆抽油系统的地面驱动设备。其数量占有油田采油设备总数的90% 以上，游梁式抽油机构成的有杆采油设备用用最广，其具有机构简单，可靠性高等优 点，因而在油田中得到广泛的应用，对游梁式抽油机的运动和动力学性能进行深入的 研究，充分认识其性能，是挖掘现役设备潜能。提高其工作效能的一次重要措施。论 文的主要内容包括： 对游梁式抽油机进行了运动学分析，得到了一个运动周期内抽油机驴头的位移、 速度和加速度随曲柄转角的变化规律。 按照能量相等和功率相等的原则，建立游梁式复合平衡抽油机的动力分析模型， 进而建立其净扭矩的运动方程，并通过迭代的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 求解抽油机所需的平衡扭矩。 本文就是结合现有抽油机的工作原理，对后置型游梁式抽油机进行运动学，动力 学分析，建立起运动学，动力学分析的数学模型，为游梁式复合平衡抽油机的分析提 供理论依据，最后利用VB语言编制游梁式复合平衡抽油机运动动力分析的软件，软 件能够绘制出抽油机驴头悬点的位移、速度和加速度曲线以及减速器输出轴的净扭 矩、载荷扭矩和所需平衡扭矩曲线。 ：后置型游梁式抽油机；运动学；动力学；复合平衡 西安石油大学本科毕业设计（论文） The kinematics and dynamics analytic software of Pumping unit and overall design Abstract ：Pumping unit are drives on the ground of rod pumping system in oil field.Their quantityis over ninety percents of the whole quantity of the equipment of oil extraction in oil field. Among these pumping units,the use of beam pumping units is the broadest.Broadest has been widely used in oil field because of its simple structure high reliabity,By means of knowing the kinematics and dynamics propertiesof beam pumping unit,we can develop equipment of potential and improve their performance.The main contents are as follows: The kinematics analysis for the mechanism of beam pumping unit is accomplished,the displacement,velocity,acceleration of each component of the beam pumping unit are obtained. According to the principle of equal energy and equal power,the equivalent mechanical model of beam pumping unit。 To establish its net torque of the equation of motion, and the iteration method of the solution is needed to balance the torque of beam pumping. In this thesis,the detailed analysis and calculateof the kinematics and dynamics about the back-placed beam pumping unitmentioned,provide theoretic foundation for evaluate pumping unit .Finally the softwareof analysis and evaluate pumping uint has been developed through VB computer language , Software can draw out beam pumping donkey's mouth curve of displacement, pace and acceleration ,output axis of the torque, the load torque and the required balance torque curve. Key words:Back-placed beam pumping unit； kinematics,；dynamics,；check and balance 西安石油大学本科毕业设计（论文） 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景及意义 .......................................................................................... 1 1.2 游梁式抽油机存在的问题 ..................................................................................... 2 1.3 游梁式抽油机运动学和动力学的分析现状 ........................................................ 3 1.4 本文主要内容 .......................................................................................................... 4 2 游梁式复合平衡抽油机的运动分析 ................................................................................ 5 2.1 游梁式抽油机采油工作原理 ................................................................................. 5 2.2 游梁式抽油机运动分析几何关系的建立 ............................................................ 6 2.2.1 后置型游梁式抽油机的结构特点.............................................................. 6 2.2.2 几何关系 ....................................................................................................... 6 2.3 运动分析 ................................................................................................................... 8 2.3.1 悬点位移 ....................................................................................................... 8 2.3.2 悬点速度 ....................................................................................................... 9 2.3.3 悬点加速度 ................................................................................................. 10 2.4 本章小结 ................................................................................................................. 11 3 游梁式复合平衡抽油机的动力分析 .............................................................................. 12 3.1 游梁式抽油机的驴头悬点载荷的计算.............................................................. 12 3.1.1 悬点静载荷 ................................................................................................. 12 3.1.2 悬点动载荷 ................................................................................................. 14 3.1.3 抽油井的液体摩擦力 ................................................................................ 15 3.1.4 游梁式复合平衡抽油机的驴头悬点载荷的计算................................... 17 3.2 减速器输出轴扭矩的计算 ................................................................................... 17 3.3 游梁式复合平衡抽油机平衡扭矩的计算 .......................................................... 19 3.3.1 平衡的方法 ................................................................................................. 19 3.3.2 平衡扭矩的计算 ......................................................................................... 20 3.4 本章小结 ................................................................................................................. 23 4 游梁式复合平衡抽油机运动动力分析软件 .................................................................. 24 4.1 软件介绍 ................................................................................................................. 24 4.1.1 开发环境介绍 ............................................................................................. 24 4.1.2 软件功能 ..................................................................................................... 26 4.1.3 输入数据和输出数据及计量单位............................................................ 26 4.2 软件工作流程 ........................................................................................................ 27 I 4.3 运动动力分析软件的整体设计 ........................................................................... 28 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4.3.1 软件模块的划分 ......................................................................................... 28 4.3.2 模块化的意义 ............................................................................................. 29 4.4 本章小结 ................................................................................................................. 31 5 软件应用实例 .................................................................................................................... 32 5.1 运动分析实例 ........................................................................................................ 32 5.2 动力分析实例 ........................................................................................................ 35 6 结论 .................................................................................................................................... 38 参考文献 .................................................................................................................................. 39 致谢 ........................................................................................................................................... 41 II 西安石油大学本科毕业设计（论文） 1 1.1 近年来，强劲的世界经济增长拉动全球石油需求快速增长。在未来20-30年中， 石油在能源结构中任然占据着主导地位。世界各国都在为拥有更多的石油而努力，各 大石油公司也纷纷采用先进的才有技术进行勘探，开发石油资源。随着我国市场经济 的不断发展和我国成功地加入WTO之后，国内市场开放的程度越来越大，国外大量的廉价的石油石化产品进入国内市场，使得石油市场更加激烈，石油产品价格下降。 严重影响了我国石油石化工业的经济效益。为提高市场竞争力，油田企业必须参加大 资金投入，采用新的节能型抽油机，或者降低各种成本，包括设计成本、生产成本、 油田管理成本等。 在国外，研究开发和应用抽油机已有100多年的历史。在这百余年的采油实践中，抽油机发生了很大的变化，特别是在近20年啦，世界抽油机技术发展较快，抽油机正朝着大型话、低能耗、精确平衡、高适应性、自动化和智能化等方向发展，抽油机 厂商先后研究开发了多种新型抽油机。我国游梁式抽油机的制造虽然只有四十多年的 历史，但发展很快，特别是从80年代开始自行设计、制造以来，不仅满足自给，而 且还部分出口。目前已有生产厂家三十多个，抽油机规格十余种。游梁式抽油机在中、 低冲程时具有可靠性高，价格低和维护工作方便等优点，因此，抽油机虽然品种较多， 但真正在油田大面积使用的也就只有游梁式抽油机。它在油田中、低冲程的主力机型。 但是，常规型游梁式抽油机的耗损大，费用支出较高。据统计，我国在役常规型游梁 式抽油机占抽油机总数的50%-60%，其耗电量约占总耗电量的20%-30%，是油田的 主要耗电大。因此，对游梁式抽油机进行分析和研究，提高其系统效率，降低其耗电 量不仅能显著提高企业的经济效益，而且能在能源十分紧张的今天也具有十分重要的 战略意义。 本文以后置型游梁式副复合平衡抽油机为研究对象，根据实际工况对其进行运动 分析和动力学分析，求解其稳态的运动规律和作用在曲柄轴上的力矩。课题的研究一 方面有助于设计机电控制系统，控制电动机，使电动机的工况随外载荷的变化而变化， 以此来提高电动机的利用效率，最终实现节能降耗的目的；另一方面，有助于人们深 入的了解和掌握游梁式抽油机的运动学和动力学性能，在比较各种抽油机的优缺点之 后，为设计性能更好的抽油机提供依据；而且还有利于人们对抽油机设备的日常维护， 实现安全生产。总之，课题的研究既可以为设计和开发新型抽油机提供一定的依据， 有助于人们采取适当的措施，更科学的使用现役游梁式抽油机，对发展油田生产具有 一定的应用价值。 1 西安石油大学本科毕业设计（论文） 1.2 能耗大、效率低是抽油机系统存在的主要问题。常规型游梁式抽油机主要存在以 下不足； 抽油机在运行中传动角波动较大，无法保证各位置的传动角均接近于90?，造成曲柄轴受力很大且不均匀；由于悬点载荷的变化较大，造成曲柄轴扭矩峰值较大， 且为非正弦规律，而曲柄平衡扭矩是以正弦规律变化的，故无法相抵，造成曲柄轴净 扭矩峰值较大，增大能耗。从装机功率来说，由于扭矩峰值高，为保证抽油机的正常 运转，势必要选用较大 功率的电机和大扭矩的减速器，这就是“大马拉小车”现象。 游梁式抽油机的有杆泵全系统的总效率在国内一般地区平均只有12%一23%，先进地区至今也不到30%。美国的常规抽油机系统效率较高，但也仅有46%。系统效率低，能耗大，耗电就多。因此，节能成为有杆抽油系统的一个鱼需解决的问题。 此外，随着老油田油井的注水开发，油田己进入高含水采油期。不断提高产液量， 以液保油，这是注水开采油田保证原油稳产的必要趋势。这种开采特点要求抽油机的 冲程越长越好，使得在役的常规游梁式抽油机机型偏小，在一定程度上已经不能满足 长冲程、低冲次的要求。 产生上述问题的原因有以下几个方面： (1) 系统效率低的原因： 游梁式抽油机的悬点载荷状况是影响其能耗得主要因素。悬点载荷的特性与 所有普通电动机的转动特性不相匹配，致使电动机以较低的效率运行。此外，有杆抽油 系，是由电机、地面传动设备及井下抽油设备组成，系统效率是各个部分效率的连乘 积，任何一环的效率变低，都会使总效率变低，因此要提高抽油系统的总效率实现节 能是一个复杂的系统工程问题。 (2) 抽油机能耗大的原因： 由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的能耗因地面机型不同而会发生差异。 如示功图会有所改变，表明泵的充满度、光杆功率的变化。 1) 抽油机的负荷特性与异步电动机的硬的转矩特性不相匹配，甚至出现“电动机” 工况，出现能量二次转化。一般电动机的负载率过低，约为30%，致使电动机以较低的效率运行。 2) 电动机在一个冲程中的某个时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状 态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电网不能 全部被电网吸收，引起附加能量损失，同时负扭矩的存在使减速器齿轮经常受反向载 荷，产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿命。 3) 常规抽油机扭矩因数大，载荷波动系数C艺尸亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。 4) 常规抽油机运行的悬点加速度、速度的最大值过大，影响悬点载荷，动载增大。 2 西安石油大学本科毕业设计（论文） 采用对称循环工作制使泵充满度下降，影响产量，泵效率低，能耗亦增大。 1.3 梁式抽油机的动力学问题有两类。第一类问题是已知输入构件（曲柄）的运动规 律确定抽油机其他构件的运动规律，进而计算出与运动有关的力。第二类是在已知外 力作用的情况下，确定出抽油机各构件的运动规律。前一类问题称为动力学的正向问 题。后一类问题称为动力学的逆问题。 有杆抽油系统是一个包括地面和井下多参数的复杂系统，抽油机是地面最主要组 成部分。要对抽油机进行动力学分析，必须知道抽油机的负载，即抽油机的悬点载荷 （光杆载荷）。抽油机的悬点载荷只有在整个抽油系统力学研究基础上才能获得。关 于有杆抽油系统动力学的研究已有很多。S.G.Gibbs在20世纪60年代首次提出了直井在有杆抽油系统预测模型，并运用有限差分方法得到系统参数的数值解,随后国内外学者早有杆抽油系统的数学模型建立和解法进行了大量的研究。20世纪80年代以 来，对定向井有杆抽油系统的预测也随之兴起。有杆抽油系统的预测就是根据系统组 成建立其参数间的动力学关系（模型），由系统地面和井下结构及运动特点，得到模 型的边界条件和初始条件，运用一定的方法，有计算机对模型数值求解，得到任意时 刻和位置系统的各参数，从而获得抽油机的悬点载荷，为进一步的研究提供数据。 游梁式抽油机的运动分析师其动力学分析的基础。大部分游梁式抽油机的运动分 析可简化成平面四连杆机构的运动分析。机构运动分析的方法很多，主要有图解法和 解析法。图解法形象直观，比较简单，但精度不高，作图繁琐。解析法的计算精度高， 同时还可以把机构分析问题和机构综合问题联系起来。随着计算机技术的提高，图解 法求解的精度也越来越高，它不仅可以处理解得分岔问题，还可以验证解析法求解结 果的正确性，以此来保证运动分析结果的正确性。 根据机构学的杆组理论，针对游梁式抽油机的共性可以建立相应的数学模型和动 特性仿真子程序，从而很好的避免了因类型不同的抽油机其主体结构差异所带来的建 模不同而造成的解法通用性差的问题。利用杆组理论了可对游梁式抽油机建模化分析 或创新设计，解法简单，通用性强。把游梁式抽油机抽象成平面四连杆机构，有平面 四连杆机构的几何关系和运动特点，可建立游梁的摆动方程，并由该方程得出游梁摆 角的变化规律以及悬点运动的位移、速度和加速度的计算公式。 机构动力学分析主要有静力分析、动态静力分析、动力分析和弹性动力分析。动 态静力分析将惯性力看做已知力，然后对机构的各构件进行受力分析，列写各构件的 力平衡方程和力矩平衡方程式，最后求解各转动副反力和作用在曲柄轴上的驱动力 矩。动力学分析可以求出在悬点载荷作用下抽油驱动构件的真实运动规律，继而为进 一步研究抽油机的运动学和动力学特性，以及为抽油机的研发工作提供一定的参考依 据。 3 西安石油大学本科毕业设计（论文） 文献[14]介绍了各运动构件均有外力作用且考虑摩擦时机构受力分析的方法，解 决了在此情况群下进行准确受力分析的问题。该方法的关键是正确画出机构中所有运 动副反力的作用线。她不仅使用铰链四杆机构的受力分析，也同样使用于曲柄滑块机 构的受力分析。在建立各机构的力矩平衡方程式时，总是以各构件的铰接点为参考对 象，从而很好的避免了力矩平衡方程式和力矩平衡方程式之后，将所有平衡方程式组 合在一起得到矩阵形式的平衡方程，然后将该平衡方程式系数的逆阵左乘方程右端的 已知列向量，继而得到个转动副反力和曲柄轴上的驱动力矩。该方法的求解效率较高， 可以一次性地求解所有的未知量。但是，在系数矩阵求逆过程中，当矩阵的维数较高 时，极有可能出现求逆失真的情况，从而影响到所求未知量的真确性。 运动学分析所得到的曲柄轴扭矩是游梁式抽油机的一个主要的工作参数，在选择 游梁式抽油机或判断运转中游梁式抽油机减速器是否超扭矩时，均需计算抽油机曲柄 轴的最大扭矩。文献[15]分析了现有抽油机减速器曲柄轴扭矩各种计算公式的应用范 围，指出了在应用扭矩因数法计算扭矩时应当注意的文艺，并阐述了各种简化公式之 间的关系，为正确计算游梁式抽油机曲柄轴扭矩提供了参考。 1.4 当游梁式抽油机的运转过程中，由于悬点载荷的波动比较大，故曲柄的角速度也 会出现较大的波动。因此，对游梁式抽油机进行运动分析时，在假定曲柄匀角速度转 动的理想条件下求解抽油机的运动规律，并不能反映出真实的运动规律，又由于抽油 机的工作状况比较恶劣，故各转动副的摩擦对抽油机的运行也会产生较大的影响。 本文是以后置型游梁式抽油机为基础建立数学模型，研究其运动和动力学特性， 主要研究内容有： （1） 抽油机的几何关系 （2） 抽油机的运动分析 （3） 抽油机的动力分析 （4） 抽油机的平衡计算 4 西安石油大学本科毕业设计（论文） 2 游梁式复合平衡抽油机运动分析的主要任务是：求出驴头悬点的位移，、速度和 加速度随时间的变化规律，以便于为载荷分析和扭矩计算提供运动学的数据。在曲柄 角速度等于常数的情况下，问题也就归结为求解悬点位移、速度和加速度随曲柄转角 的变化规律。 2.1 游梁式抽油机是目前使用最为普遍的采油设备，在人工举升方式上它属于抽油杆 往复运动类。游梁式式抽油机系统如图2-1所示，该系统由三部分组成：一是地面部分—游梁式抽油机，它由电动机、减速器和四连杆机构（包括曲柄、连杆、和游梁） 等组成；二是井下部分—抽油泵（包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等），它是悬挂 在套管中油管的下端；三是连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分—抽油杆柱，它 是一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。 5 西安石油大学本科毕业设计（论文） 游梁式抽油机的工作原理是：电动机将电能转化为旋转运动，再经过减速器两次 减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，将驴头、悬绳器、光杆、 抽油杆带动深井泵抽油。运动形式的转换过程如下：当曲柄作旋转运动时，驴头弧面 以中轴承为圆心，以前臂长为半径的圆弧，而且悬绳器又是用毛辫子与驴头软件连接， 因此其切点运动规律是垂直直线往复运动。 当悬点（抽油杆）处于上冲程时，抽油杆柱带动抽油泵活塞上行，抽油泵的游动 阀受阀的自重和油管内液柱压力的作用而关闭，并提升柱塞上部的液体。与此同时柱 塞下面的泵筒空间里的压力减低，当其压力低于套管压力时，该空间的液体将顶开油 泵固体阀而进入抽油泵活塞上冲程所让开的泵筒空间；当柱塞下行时，油泵的固体阀 考自重下落而关闭，泵筒内的液体受到压缩，将顶开抽油泵的游动阀使泵筒内的液体 流入油管内。由于抽油泵柱塞在抽油机的带动下，连续做上下往复运动，因而抽油泵 的固定阀和游动阀也将交替地关闭和打开，完成抽油泵的抽吸工作循环。概括地说： 上冲程时，将柱塞之上的液体排入输油管线，将泵外的液体吸入泵内；下冲程时，将 柱塞之下泵内的液体吸入柱塞上的油管内。 2.2 在进行运动分析时，首先要了解抽油机四连杆机构的几何关系。此处以后置型 抽油机为例进行讨论。所谓后置型游梁式抽油机，指的是曲柄连杆和驴头分别位于支 架两侧的抽油机，它包括常规型抽油机和异相型抽油机两类。 2.2.1 从外形上看，与常规型游梁式抽油机没有明显的差异，主要的不同之处有两点： 一是将减速器背离支架后移，增大了减速器输出轴中心和游梁摆动中心之间的水平距 离形成了较大的极位夹角（即驴头处于上下死点位置时，连杆中心之间的夹角）；二 是平衡块重心与曲柄中心线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线之间构成一定的夹角τ， 该角称为平衡相位角。 由于其具有较大的极位夹角，一般为12?左右，使得抽油机上冲程时曲柄转过的角度增加12?，为192?,下冲程时曲柄转过的角度减少12?，为168?，当曲柄 转速不变时悬点上冲程时间大于下冲程的时间，因此悬点上冲程时加速度和动载荷减 小，由于平衡相位角改善了平衡效果，从而使减速器最大扭矩峰值减小，扭矩变化较 均匀，电动机所 需功率减小，在一定条件下有节能效果。 2.2.2 图二是后置型抽油机的机构见图。为了便于讨论，采用下列符号： A——游梁前臂长度，m； C——游梁后臂长度，m； 6 西安石油大学本科毕业设计（论文） P——连杆长度，m； R——曲柄半径，m； I——游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离，m； H——游梁支撑中心到底座底部的高度，m； G——减速器输出轴中心到底座底部的高度，m； K——极距，即游梁支撑中心到减速器输出轴中心的距离，m； J——曲柄销中心到游梁支撑中心之间的距离，m； θ——曲柄转角，以曲柄半径R处于12点钟位置作为零点，沿曲柄旋转方向度量； φ——零度线与K的夹角，由零度线到K沿曲柄旋转方向度量； β——C与P的夹角，称传动角； x——C与J的夹角； ρ——K与J的夹角； ψ——C与K的夹角； ψb——光杆在最低位置时的ψ角； ψt——光杆在最高位置时的ψ角； 7 西安石油大学本科毕业设计（论文） 由图2-2可见： φ=?arctan(I/(H-G)) (2-1) θk=θ-φ (2-2) 式中，“+”号用于曲柄顺时针方向旋转，“-”用于曲柄逆时针方向旋转。本文均 以井口在右侧判别曲柄旋转方向，以后不再说明。 对,ODO'和,BDO'分别运用余弦定理和正弦定理，可得： 22J= (2-3) K，R,2KRcos,k 222,,C，P,J,,,,arccos (2-4) ,,2CP,, 222,,C，J,P,,x,arccos,,2CJ ,, (2-5) R,, ,arcsinsin, (2-6) ,,k,,J,, 式（2-6）中，“+”号用于曲柄顺时针旋转，“-”号用于逆时针旋转。 由图2-2还可以得下列关系 ψ=x-ρ (2-7) 222,, C，K,P，R，，,,b,arccos, (2-8) ,,2CK,, 222,,C，K,P,R，， ,,t,arccos, (2-9) ,,2CK,, α=?(β+ψ)- θk (2-10) 式(2-10)中，“+”号用于曲柄顺时针旋转，“-”号用于曲柄逆时针旋转。 2.3 抽油机运动分析的目的是:对应于抽油机某一曲柄选转角速度，求出驴头的位移、 速度和加速度随时间或曲柄转角的变化规律，为进行载荷、扭矩等的动力学分析和计 算提供依据。 2.3.1 以光杆处在最低位置时(即下死点)作为计算位移的起始位置。 游梁摆动角位移为δi，最大角位移为游梁摆角δ： δi=ψb-ψ (2-11) δ=ψb-ψt (2-12) 8 西安石油大学本科毕业设计（论文） 悬点位移为： Si=Aδi (2-13) 悬点最大位移即光杆冲程长度： S=Aδ (2-14) 在游梁抽油机的设计计算中，经常用到悬点位移Si与冲程长度S的比值，这一比值称为抽油机的位置因数。 PR Si,i,b,, PR,,, (2-15) S,,b,,t 在θ的周期，当悬点处于下死点时，=0；当悬点处于上死点时，=1，PRPRPR 应当注意：一般来说，下死点时曲柄并不真好位于0?，上死点时曲柄也并不位于 180?处；所以在θ=0?时，不等于0，θ=180?时，也不等于1，只有极位PRPR 夹角等于等于零且H-G=P的抽油机，制造厂家在抽油机的使用说明书中均提供有该 机在不同冲程长度下的-θ数据表。 PR 2.3.2 利用瞬心法（见图2-3）可得： 9 西安石油大学本科毕业设计（论文） sin, ,B,R,sin, ,1式中 ,——曲柄旋转角速度，s； n, ,,30 ,1n——抽油机的冲次，。 min ,1游梁摆动的角速度,b，，s为： Rsin, ,b,, （2-16） Csin, m悬点速度，，,为： s Asin, ,,A,b,R, （2-17） Csin, 在比较不同几何关系的游梁式抽油机的运动特性时，为了避免冲次和冲程长度的 影响，往往采用悬点速度与,的比值，该比值称为无因次速度，用表示。 ,S ,Rsin, ,,, (2-18) ,SC,sin,2.3.3 游梁摆动的角加速度,b,b可以由角速度对时间t求导得到。 ,,dbR1d,,2,,,,,,,,,bsincossincos ,,2dtCsin,d,,, 由式（2-4） d,RKsin,k, d,CPsin, 由,OBO'和,BDO可得： 2222P，R,(K，C,2KCcos,)cos,, 2PR d,KCsin,d,,,, d,PRsin,d, d,,bRsin,因 ,,,,, d,,Csin, 10 西安石油大学本科毕业设计（论文） 故 R,,,,,,,sincossin,sincossinkRK2C ,,b, （2-19） 3CPsin, 式（2-19）中“-”号用于后置型抽油机，“+”号用于前置型抽油机。 2悬点加速度就是驴头圆弧面上与悬点切点的切向加速度，用a，，ms表示。 (2-20) a,A,b 2悬点加速度a与a,S比值称为无因次加速度，用表示。 a (2-21) a,2,S 2.4 本章介绍了游梁式抽油机的采油工作原理，根据后置型游梁式抽油机的简图，求 得了驴头悬点的位移、速度、加速度的表达式，这一部分内容为后续内容的分析和研 究打下了基础。 11 西安石油大学本科毕业设计（论文） 3 在抽油机的设计和应用中，一般认为其电动机的转速是匀速的，并以此作为分析 的前提，在机械运动系统中，原动件的运动规律是作用在机器的外力、外力矩和原动 件位置以及机器个运动构件的质量与转动惯量等的函数,只有确定机器的力和人力矩作用下其原动件的运动规律后，才能求出其他运动构件的真实运动。因此动力分析的 主要任务是确定抽油机的驴头悬点载荷和减速器输出轴的扭矩以及抽油机平衡扭矩 的计算。 游梁式抽油机通过抽油杆柱带动井下抽油泵工作时，在抽油机驴头悬点上作用有 下列三类载荷： (1) 静载荷 包括抽油杆柱自重和有关内外液体静压力作用于抽油泵柱塞的液柱载 荷。 (2) 动载荷 由于抽油杆柱和油管内的液体做不等速运动而产生的杆柱动载荷以及 作用于杆柱动载荷以及作用在柱塞上的液柱动载荷。 (3) 各种摩擦阻力产生的载荷 包括光杆和盘根盒的摩擦力。抽油杆柱和液体之间 以及抽油杆柱（尤其是接箍）和油管之间的摩擦阻力、液体在杆管环形空间的流动阻 力、液体通过泵阀和柱塞内孔的局部水力阻力，还有柱塞和泵筒之间是我摩擦阻力。 在抽油机驴头悬点上下往复运动过程中，上述各载荷均做周期性的变化，反应悬 点载荷随其位移变化规律的图形称为光杆施示功图，取得光杆示功图的最简单最准确 的方法放然是利用仪器进行实测。但是实测的示功图在使用上也有去局限性，只用在 抽油机实际运转中求得，主要作为抽油井诊断之用（包括抽油机的工作状况诊断）。 在设计抽油机或选择抽油机以及设计抽油井工作参数时，往往需要事先知道悬点载 荷，因此，对悬点载荷以及其变化规律进行理论分析和计算是十分重要的。 3.1.1 (一) 抽油杆柱自重 在上下冲程中，抽油杆柱自重始终作用于抽油机驴头悬点上，是一个不变化的载 荷，它可以用下式计算： W,qL (3-1) rr 式中 WkN—抽油杆柱自重，; r L—抽油杆柱总长或挂泵深度，m； qkNm—每米抽油杆柱自重，； r 各种直径抽抽油杆柱q见表3-1，对于组合杆柱，如果级数为K，则可用下列公r 12 西安石油大学本科毕业设计（论文） 式计算： k (3-2) q,q,,rrii,1i 式中 —第i级抽油杆柱每米自重，； qkNmri —第i级杆柱长度与总长之比值。 ,i 由于抽油杆柱全部沉没于管内的液体之中，所以在计算悬点静载荷时，要考虑液 '体浮力的影响。用W代表抽油杆柱在液体中的自重，它可用下式计算： r ,,,f' ,,，，W,1,W,1,0.127,W (3-3) rRfr,,,r,, 3式中 ,tm—井液密度，； f 3 ,,7.85tm,—抽油杆密度，对钢抽油杆，。 rr rq抽油杆直径d 抽油杆截面积A E 每米抽油杆自重抽油杆弹性常数rrr ,1,5,2,42mm ，，10kN10kNm10m 16 2.01 1.67 2.347 19 2.84 2.35 1.664 22 3.80 3.14 1.241 25 4.91 4.09 0.961 28 6.16 5.15 0.776 (二) 作用于柱塞的液柱载荷 作用于柱塞的液柱载荷随抽油泵泵阀启闭状态的不同而变化。下冲程时，柱塞上 的游动阀使开启着的，柱塞上下连通。假定不计液体通过游动阀和柱塞内孔的阻力， 则柱塞上下的液体压力相等。因此，柱塞上的液柱载荷为零。上冲程时，游动阀关闭 而固定阀打开，柱塞上下不在连通。柱塞上面的液体压力等于油管内液柱静压力，柱 塞下面的液体压力等于油管外动液面以下液体液柱的静压力（忽略固定阀的阻力）。 这一压力差在柱塞上产生液柱载荷'，，WkN f ' ，，W,,gL,hA,,gHA (3-4) ffpf0P 2式中 mA—柱塞面积，，见表3-2； P 2 g—重力加速度，g,9.81ms； h—泵的沉没深度，m； H—油井动液面深度，m； 0 13 西安石油大学本科毕业设计（论文） D,mm 28 32 38 45 56 70 83 95 42, 6.16 8.04 11.34 15.90 24.63 38.48 54.11 70.88 A,10mp (三) 悬点静载荷 悬点载荷等于上述两项载荷之和，令WW代表上冲程悬点载荷，代表下冲程j1j2 悬点载荷，则： '' (3-5) W,W，Wj1rf ' (3-6) W,Wj2r 上述静载荷计算公式没有考虑井口回压和套管压力的影响。如果这两项压力较 大，则必须对上述静载荷计算公式进行修正，这两项压力对载荷的影响和明显。假定 在上下冲程中套压合和回压保持稳定，则静载荷可以用下式计算： ''，， (3-7) W,W，W，Ap,p,Apj1rfp0crp0 ' W,W,Ap (3-8) j2rrp0 式中 p—井口回压，kPa； 0 p—套管压力，kPa； c 2 Am—光杆面积，。 rp 3.1.2 抽油杆柱和液柱在不等速运动过程中产生惯性力而作用于悬点的载荷称为动载 荷。惯性力的方向与加速度方向相反。在抽油系统中，习惯取向上的加速度为正，取 向下的载荷为正。 (一) 抽油杆柱动载荷 忽略抽油杆柱的弹性，将其视为已集中质量，则抽油杆柱动载荷就等于杆柱质量 乘以悬点加速度。 a,WW (3-9) rdrg(二) 液柱动载荷 忽略液体的可压缩性，则液柱动载荷就等于液柱质量乘以液柱运动的加速度，但 要注意：由于油管内径和抽油泵直径不同，故杆柱环形空间内的液体运动速度和价速 度也就不等于抽油泵柱塞的运动速度和加速度(忽略抽油杆柱弹性时，柱塞速度和加速度等于悬点速度和加速度)，为此，引入加速度修正系数,。 14 西安石油大学本科毕业设计（论文） a ,, (3-10) WWfdfg A,Apr (3-11) ,,A,Air 2式中 —用油管内径计算的流通面积，m； Ai W—作用于柱塞环形面积上的液柱重量，. kNf ，，W,,gLA,A (3-12) ffpr 对于组合杆柱，应分段计算W和，然后求和。 ,f k ,W,,W (3-13) ,fifi,1i A,Aprk (3-14) ,,IA,Airi 2式中 mA—第i段杆柱面积，； ri mL—第i段杆柱长度，； i 2 Am—最下部杆柱面积，。 rk (三) 悬点动载荷 上冲程时的悬点动载荷等于抽油杆柱动载荷与液柱动载荷之和。 a ，，,，,，,WWWWW (3-15) 1drdfdrfg 下冲程时，液体向上运动的速度和加速度都很小，其动载荷可以忽略不计。 a ,,WWW (3-16) d2rdrg 3.1.3 在上述各种计算悬点载荷的方法中，都未包括摩擦力。在井液粘度不大的直井中， 无论是液体摩擦力还是抽油杆柱与油管之间的半干摩擦力均不打，一般可以忽略。但 在稠油井中，液体摩擦力可能达到十几千牛以上，是不能忽略的。在斜井或定向井中， 半干摩擦力也将达到相当大数值。此处主要讨论液体摩擦力的计算。 油井中的摩擦力有以下几种：抽油杆柱本体与液体之间的摩擦力；接箍与液体之 间的摩擦(活塞效应)；液体与油管之间的摩擦力。 国内外对于油井中的摩擦力计算进行过广泛的研究。但是由于油井中影响摩擦力 的因素十分复杂，例如杆柱与油管的偏心、杆柱速度与液体流速在油井的深度方向上 的变化、液体粘度在油井深度方向上的变化等等因素，到目前为止，还没有一套公认 15 西安石油大学本科毕业设计（论文） 的比较可靠的计算摩擦力的方法。综上所述，推荐一下计算方法： (一)抽油杆本体与液体之间的摩擦力 ,,,2Lfr,3 (3-17) ,，10WfrKr 式中 W—抽油杆本体与液体之间的摩擦力，； kNfr L—下泵深度，m； —井液平均动力粘度，； Pa,s, —取决于油管内径D和抽油杆直径的比值m之系数； Kdirr 2m，1 K,lnm,1 (3-18) r2m,1 ,—液体与杆柱之间的相对速度，ms。 fr 假如杆柱为刚体，杆柱速度即为悬点速度，而液体不可压缩，则 上冲程时 A,Aip (3-19) ,,,frA,Air 下冲程时 A i,,, (3-20) frA,Air 式中，,，，ms,为悬点速度。当计算最大摩擦力时，要用最大速度，假定悬max 点作简谐运动。 ,nS (3-21) ,,max60 应当指出，井液粘度是一个难以准确测定的数值。它既受到温度的很大影响，, 又和液体中的含气量有关，沿井深上下差别较大。如有油井温度、溶液油气比、含水 量等准确资料时，应当分段计算不同井段的粘度和摩擦力。 (二) 抽油杆接箍与液体之间的摩擦力 2,, ffc，，W,A,A，N, (3-22) fccrc2 式中 WkN—抽油杆接箍与液体之间的摩擦力，; fc ,—阻力系数，与粘度、流速等有关； 2，，AA,ic ,,31, (3-23) ,,AA,ir，， 16 西安石油大学本科毕业设计（论文） 2 —抽油杆柱接箍面积，m； Ac —抽油杆柱全长的接箍数目； Nc ,,—液体与接箍之间的相对速度，，采用与计算相同的假设条件 msfcfc 上冲程： A,Aip (3-24) ,,,fcA,Aic 下冲程： A i, (3-25) ,,fcA,Aic (三) 液体与油管之间的摩擦力 液体与油管之间的摩擦力不直接作用于抽油杆柱全长，而是使柱塞向上运动时 的液柱压力增加，由于下冲程时，油管内的液体流量很小，故液体与油管之间的摩擦 力可以忽略不计。上冲程时液体与油管之间的摩擦力用下式计算。 Wfr2W, (3-26) ft1.3 式中 W—下冲程时抽油杆本体与液体之间的摩擦力。 ft2 3.1.4 抽油机驴头旋电子载荷是标志抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设 计和选择使用的主要根据。当抽油泵工作时，抽油机驴头悬点载荷由上述七项载荷同 时作用的，计算公式如下： 上冲程时： ''W,W，W，W，W,W,W,W (3-27) 1rfrdfdfrfcft 下冲程时： ' W,W，W,W,W,W (3-28) 1rrdfrfcft3.2 减速器输出轴扭矩指的是游梁式抽油机在减速器输出轴(也称曲柄轴)上实际产生的扭矩。其大小和悬点载荷、冲程长度、抽油机四连杆机构杆长比值以及抽油机的 平衡状况有关。此处以复合平衡抽油机为研究对象介绍扭矩的计算公式（图见文献 [20]P88图2-22）。按照习惯，当曲柄连杆机构施加于轴上的扭矩方向与轴的旋转方 向一致时(主动力矩)，扭矩为负值；相反时，扭矩为正值(阻力矩)。 设定以下符号： QkN—摆动部件自重(游梁、驴头、横梁等)，； 0 17 西安石油大学本科毕业设计（论文） —摆动部件重心至游梁支承的距离，m； l0 2—摆动部件的转动惯量，t,m； Jb W—作用于驴头悬点载荷，； kN ',—游梁与水平线之间的夹角； ,2—游梁转动的角速度，s； ,b M—曲柄处于水平位置时平衡重与曲柄自重对减速器输出轴中心的力矩， ； kN,M ,—平衡相位角，即曲柄轴中心到曲柄平衡重重心之连线与曲柄半径R的夹角； 由R到连线按旋转方向度量 —四连杆机构的传动效率，=0.92-0.96。 ,,bb —游梁平衡重重量，； QkNb l—游梁平衡重重心到游梁支撑中心的距离，m。 b 摆动部件的自重可以转化为作用于悬点处的载荷B，B称为游梁抽油机的机构不平衡重。 QlQl00bb B,， (3-29) AA 在抽油机中规定：当摆动部件重心位于游梁后臂上时，B为正值；重心位于前臂上时，B为负值。显然，前置型抽油机的B肯定为负值。B值可以用以下方法测定：将连杆曲柄销从曲柄上脱开，在悬点处施加一铅垂方向的力，使游梁保持水平位置； 测量所施加的力，即为B值，单位为千牛。如果该力向下，B为正值；该力向上，B 为负值。 悬点载荷与结构不平衡重的差值W-B称为纯光杆载荷。根据虚位移原理，当忽略 四连杆机构中的摩擦损失以及摆动部件的转动惯性时，纯光杆载荷在曲柄上产生的扭 矩 T为： wn ,'' T,，，W,Bcos,,W,Bcos，，,TF (3-30) wn, 式中 TkN,m—纯光杆载荷扭矩，； wn ,ms—悬点速度，； ,1 ,s—曲柄角速度，； —扭矩因数，m；代表单位悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩。 TF ,Asin, TF,,R (3-31) ,Csin, 因,=常数，故随曲柄转角θ的变化规律与悬点速度的变化规律一致。在游梁TF 式抽油机的使用说明书中，均提供各种冲程长度下的TF-θ的数据表，但要注意：对 18 西安石油大学本科毕业设计（论文） 复合平衡抽油机，均为顺时针时的数据。如用于逆时针旋转，应将数据表颠倒使用， 即将345?时之数据作为15?时之数据，一次类推；同时将正号变为负号、负号变为 正号。 如果计及四连杆机构的摩擦损失和摆动部件的转动惯量，再加上曲柄平衡扭矩和 游梁平衡扭矩，则在曲柄轴上的净扭矩的一般公式为： Tn,J,,'mbb ，，T,,W,Bcos,，TF,Msin,，, (3-32) ,,nbA,,式中m为指数；>0时，m=-1; <0时，m=1。 TFTF 利用上述公式计算JT时，需要知道转动惯量的数据。但抽油机说明书上一般bn 不提供这一数据，文献[20]P90表2-6给出了原苏联常规型游梁式抽油机的J数据，b 可供参考。实际计算表明，因转动惯性在曲柄轴上的影响不大，工程计算时可以忽略 不计。此外，现有游梁式抽油机游梁最大摆角为1弧度，，可近似认为cos,',0.88 'cos,,1，于是，公式(3-32)可简化为： ,J,,mbb ，，T,,W,B，TF,Msin,，, (3-33) ,,nbA,,3.3 游梁式抽油机如果没有平衡重，那么，在上冲程时，为了提起沉重的抽油杆柱和 液柱，需要发动机付出很大的能量，需要减速器传递很大的正向扭矩；下冲程时，抽 油杆柱依靠自重下落，能量出现倒流，电动机处于发电运行状态，减速器则要传递较 大的反向扭矩。从扭矩曲线上可以清楚地说明这一问题。当没有平衡扭矩时，减速器 的净扭矩就是载荷扭矩，其最大扭矩和负扭矩（绝对值）都比平衡以后的最大扭矩和 负扭矩大的多，均方根扭矩也大的多。T增大，就要求采用额定扭矩更大的减速器；maxT增大，就要求选用更大功率的电动机；负扭矩增大，就会增大齿轮冲击，降低减速e 器寿命；扭矩波动增大，就会使整机运转更加不平稳，驴头悬点的运动性能恶化，使 抽油杆断裂次数增加。所以，游梁式抽油机必须很好地加以平衡。平衡问题是游梁式 抽油机设计和使用的一个重要问题。 3.3.1 目前，游梁式抽油机的平衡方法有机械平衡和气平衡两种。在机械平衡中，按照 平衡块设的位置不同，又可分为游梁平衡、曲柄平衡和复合平衡三种。游梁平衡是把 平衡块安装在游梁尾端，重量可调而位置不变；曲柄平衡是把平衡块放在两曲柄上， 位置可调，平衡块的质量基本不变(需要时，也可以增减平衡块数量)；复合平衡则两 处有平衡块，各占一定的比例。游梁上的平衡块过重，安装和调节很不方便，也增加 调冲程操作中的困难。所以，游梁平衡和复合平衡一般只用于小型的抽油机，大多数 19 西安石油大学本科毕业设计（论文） 中型和大型抽油机均采用曲柄平衡。气平衡是在游梁前臂上假设平衡气缸，依靠气缸 中气体压力产生的向上推力进行平衡，调节压力就可调节平衡程度。由于后置型抽油 机前臂尺寸较小，气平衡主要用在前臂型抽油机上。 机械平衡是利用重物升降而改变位能来实现平衡的。在上冲程时，平衡重下落， 释放位能，协助发动机提升抽油杆柱和液柱，从而减轻了发动机的负载和减小了减速 器所传递的扭矩。在下冲程时，抽油杆柱下落释放位能，平衡重贮存位能。气平衡是 利用气体的可压缩性而改变压能，协助发动机做功，减轻发动机的负载。下下冲程时， 抽油杆柱下落释放位能再加上发动机提供的能量，以气体压能形式贮存起来。可见， 不论是机械平衡或气平衡，其基本原理都是一样的，即下冲程时，以某种方式把抽油 杆柱下落释放的能量和发动机提供的能量储存起来，到上冲程时再释放所储存的能量 协助发动机。 3.3.2 目前有两种平衡扭矩(或平衡压力)计算方法。下面一一介绍： (一) 上、下冲程内电动机在曲柄轴处的平均输出功率相等 对于常规型和气平衡抽油机来说，上、下冲程所有时间基本相等，这一判据就等 于电动机在上下冲程内所做的总功相等，后者是一般抽油机文献中的提法。对于异相 型和前置型游梁式抽油机，由于上下冲程时间不等，二种提法略有区别。 由此依据，可写出以下等式： ,,，2,1121,,, (3-34) TdTdnn12,,,,12,,,,12 式中 ,—对于下死点的曲柄转角； 1 ,—对于上死点的曲柄转角； 2 ,,,,,,,,—上冲程期间曲柄所转过的角度，； 1121 ,,,,,,,,，2,—下冲程期间曲柄所转过的角度，； 2212 ,,1 ,,，，，，TWBTFMsin,,,,,，TkN,m—上冲程期间的净扭矩，； 11n1n,,,b,, TkN,m—下冲程期间的净扭矩，； ，，，，，，T,,W,BTF,Msin,，,n2n2b2 WkN—上冲程期间的悬点载荷，； 1 WkN—下冲程期间的悬点载荷，； 2 将TFd,,dSTT和带入上述等式，注意，并令： n1n2 S1 W,WdS (3-35) 11mi,0S S1 W,WdS (3-36) 22mi,0 S 20 西安石油大学本科毕业设计（论文） ，，11,,,,S21，，，，则 (3-37) M,W,B，,W,Bmbm12,,，，，，2,,,cos,，,,cos,，,b12，， 式中， 为上冲程期间的平均悬点载荷，为下冲程期间的平均扭矩，S为WW2m1m 冲程长度。 对于常规型抽油机，，若忽略四连杆机构摩擦,,0,,,0,,,,,,,,,,,,1212()，则式(3-37)可简化为： ,,1b WWS，,,1m2m MB,, (3-38) ,,22,, 考虑到一个冲程内的悬点动载荷的平均值为零，且忽略摩擦载荷，则平均悬点载 荷近似等于静载荷。 '/ W,W，W1mrf / W,W2mf 代入式(3-39)，可得： 'W,,Sf' ,,MWB,，, (3-39) r,,22,, 这是平衡计算的一个常用的公式，可用于预调平衡时曲柄平衡力矩的计算。 对于异相型和前置型游梁式抽油机，虽然,,,,,,,,,,,均与常规型不同，但实1212际计算表明，公式(3-37)与(3-38)相比较，二者的结果差别不大。所以仍可应用公式 (3-38)或(3-39)进行计算。 在APIRP11L中有光杆平衡效应这一术语，代号为CBE。所谓光杆平衡效应，指的是曲柄处于水平位置(上冲程)时，曲柄平衡扭矩在光杆处产生的力(包括结构不平衡重)。 MCBE,，B (3-40) TF90 将计算M的公式(3-39)代入， ',,W,,SS22f' ,,,,CBEWB,，,,1 （3-41） r,,,,2TFTF,,9090,, 对于常规型和异相型抽油机，B值一般不大，故可将后面一项忽略。 'W,,S2f' ,,CBEW,， (3-42) r,,TF290,, 式中，为曲柄处于水平位置（上冲程）时之扭矩因数；对于常规型抽油机，TF90 ::为,,90,,90,,时之TF；对于异相型抽油机为时之TF。 21 西安石油大学本科毕业设计（论文） 拉夫今公司的C型抽油机，， TF,0.48S90 '',,WWff'',, CBE,W，,W，1.04 (3-43) rr,,22,, 将上下冲程功相等这一判据应用于气平衡游梁式抽油机，可得到计算平衡气缸所 需平均气缸所需平均压力的公式。 'WW，Wf '1m2mW,,W， (3-44) cnr22 Wcn P,，p (3-35) q0F (二)上、下冲程内的净扭矩最大值相等 T,Tmax1max2 由此判据，也可得到计算曲柄平衡扭矩的公式(假设,,1) b ，，，，W,BTF,W,BTF1122M,，，，，sin,，,,sin,，,12 TF,W式中，、、是与上冲程最大净扭矩对应的曲柄转角，扭矩因数和悬点载111 荷；TFW,、、是与下冲程最大扭矩对应的数值。由于载荷扭矩变化规律的复杂222 性，无法预知,,和,的准确数值。而且，和,也要受M的影响。所以实际上并不1212 能利用上述公式准确计算M。 要想利用这一判据计算M，必须一致各个曲柄转角的悬点载荷W，然后再采用迭代法。其具体步骤如下： 1. 预选平衡扭矩的初值(可利用公式(3-39))； 2. 利用扭矩计算的一般公式(3-33)求出各个转角的TTT；可得到与 nmax1max2 3. 计算平衡度,,,,并与标准定值相比较。 TT 4. 若,,,,,,则计算结束，认为所选之M值满足平衡要求 TT 5. 若，，,,M,M，0.25T,T,,,，则令，再回到第二步继续进行计算。 max1max2TT 关于,,,,,,的数值，理想值当然等于1，但在实际中难以做到。按目前标准，=0.7。TT 有些文献[15]建议,,,取为0.8，以便进一步节约能耗。 T 应当指出：当利用迭代法进行计算时，完全可以将,,,规定的比较高，因为油井T情况经常变化，而平衡重的调整还比较费事，不可能经常进行。 在某些载荷扭矩变化规律的情况下，上述两种判据的计算结果差别不大。在另外 一些载荷扭矩变化规律的情况下，上述两种判据的计算结果会有较大的差别。 22 西安石油大学本科毕业设计（论文） 3.4 本章主要给出了游梁式复合平衡抽油机的驴头悬点载荷的计算、输出轴扭矩的计 算以及所需平衡扭矩的计算，为深入分析复合平衡游梁式抽油机动力学提供依据和参 考，同时也为合理选择电动机和平衡重提供了理论依据。 23 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4 4.1 4.1.1 (一)Windows XP操作平台 Windows XP是微软公司推出的操作平台，它继承了Windows系列操作系统的传统优点，其基于Windows 2000和Windows NT的内核代码构架，是一个32位、协作式多认、任务和抢先式多任务的混合型操作系统。 (二)Visual Basic程序设计概述 1.VB的发展 Basic语言是20世纪60年代美国Dartmouth学院的两位教授共同设计的计算机 设计语言，其含义是“初学者通用的符号指令代码”。它简单易学、人机对话方便， 程序运行调试方便，因此很快得到了广泛的应用。20世纪80年代，随着结构化程序设计的需要，新版本的Basic语言增加了新的数据类型和程序控制结构，其较有影响 的有True Basic、Quick Basic和Turbo Basic等。 1988年，Microsoft公司推出的Windows操作系统，以其为代表的图形用户界面 (GUI)在微机上引发了一场革命。在图形用户界面中，用户只要通过鼠标的点击和拖 动便可以形象的完成各种操作，不必键入复杂的命令，深受用户的欢迎。但对程序员 来说，开发一个基于Windows环境的应用程序工作量非常打。可视化程序设计语言 正是在这种背景下应运而生的。 可视化程序设计语言除了提供常规的编程能力外，还能提供一套可视化的设计工 具，便于程序设计员建立图像对象，巧妙地把Windows编程的复杂性“封装”起来。 1991年Microsoft公司推出的Visual Basic语言是以结构化Basic语言为基础，一事实驱动为运行机制。它的诞生标志着软件设计和开发的一个新时代的开始。在以后 的几年里，Visual Basic经历了1.0版、2.0版„„6.0版几次升级，它的功能叶更加强 大，更加完美，最新版本为VB.net。本次课程设计采用的是Visual basic 6.0。 2.VB功能特点 (1)具有面向对象的可视化设计工具 在VB中，应用面向对象的程序设计方法(Object—Oriented Programming)，爸程序和数据封装起来视为一个对象，每个对象都是可是得，程序员在设计时只需用现有 工具根据界面设计的饿、要求，直接在屏幕上“画”出窗口、菜单、按钮等不同类型 的对象，并每个对象设置属性。程序员的编程工作仅编写针对对象要完成的事件过程 的代码，因而程序设计的效率可提高许多。 (2)事件驱动的编程机制 24 西安石油大学本科毕业设计（论文） 事件驱动是非常适合图形用户界面的编程方式。传统的面向构成的应用程序是按 事先设计好的流程运行。但在图形用户界面的应用程序中，用户的动作即事件掌握着 程序的运行流程，其可单击自动按钮，执行事件过程，也可以单击手动按钮，执行相 应的事件过程。每个事件都能驱动一段程序的运行，程序员只要编写相应用户动作的 代码，各个动作之间不一定有联系。这样的用用程序代码较短，使得程序既易编写由 易于维护。 (3)提供了易学易用的应用程序集成开发环境 在VB集成开发环境中，用户可设计界面、编写代码和调试程序，把应用程序编 译成可执行文件，直至把应用程序制作成安装盘，以便能够在脱离VB系统的Windows环境中运行。 (4)结构化的程序设计语言 VB具有丰富的数据类型，众多的内部函数，模块化、结构化的程序设计机制， 结构清晰，简单易学。 (5)强大的数据库操纵功能 VB中利用数据控件可以访问多种数据库系统，如Microsoft Access、Microsoft FoxPro和Paraox等，也可以访问Microsoft Excel、Lotus1—2—3等多种电子表格。VB6.0新增了功能强大使用方便的ADO(Active Database Object)技术，该技术包括了现有的ODBC，而且占用内存很少，访问速度更快。同时提供的ADO控件，不但可以用最少的代码创建数据库应用程序，也可以取代Data和RDO控件，支持多种数据库系统的访问。 (6)Active技术 Active技术发展了原有的OLE技术，它使开发人员摆脱了特定怨言的束缚，可 方便的使用其他应用程序提供的功能。使用VB能够开发集声音、图像、动画、字处 理、电子表格和Web等对象于一体的应用程序。 (7)网络功能 VB6.0最重要的新特性之一，是提供了DHTML(Dynamic HTML)设计工具。这种技术可以是Web页面设计者动态地创建和编辑页面，用户在VB多功能的网络应用软件。 (8)多个应用程序向导 VB提供了多种向导，如应用程序向导、安装向导、数据对象向导和数据窗体向 导，还提供了IIS易用程序继和DHTML等。通过他们可以快捷的创建不同类型、不 同功能的应用程序。 (9)完备的Help联机帮助功能 与Windows环境下的软件一样，在VB中，利用帮助菜单和F1功能键，用户可随时方便的得到所需的帮助信息。VB帮助窗口中显示了有关的实例代码，通过复制、 25 西安石油大学本科毕业设计（论文） 粘贴操作可获取大量的实例代码，为用户的学习和使用提供了捷径。 4.1.2 该软件可用于后置型游梁式抽油机的运动和动力分析，在进行分析时具有以下功 能： 1 运动分析，计算选点的速度、加速度和悬点的位移，曲柄转角每隔10?给出一? 个计算值。 2 动力分析，计算减速器输出轴的净扭矩、纯光杆载荷扭矩和所需平衡扭矩，并? 曲柄转角每隔10?给出一个计算值。 3 运动分析和动力分析输出数据的曲线图显示。运动学分析曲线包括悬点位移曲? 线、悬点速度曲线、悬点加速度曲线，动力学分析曲线图包括减速器输出轴的净扭矩 曲线、纯光杆扭矩曲线和平衡扭矩曲线。 4.1.3 (1)输入数据及计量单位 输入数据 单位 输入数据 单位 游梁前臂长 m 游梁后臂长 m 曲柄半径 m 游梁支撑中心到底部m 的距离 游梁支撑中心到减速 减速器输出轴中心到 器输出轴中心的水平m 底部的高度 m 距离 抽油机冲次 ,1 曲柄平衡重 kN min 摆动部件自重 kNkN 游梁平衡重重量 摆动部件重心至游梁m 游梁平衡重重心到游m 支撑的距离 梁支撑中心距离 2平衡相位角 ? 摆动部件转动惯量 t,m 3抽油杆总长 m 井液密度 tm 抽油杆直径 mm 抽油泵柱塞直径 mm 下泵深度 m 油管直径 mm 抽油杆每米自重 kNmPa,s 井液平均动力粘度 2抽油机接箍面积 m 接箍数目 1 26 西安石油大学本科毕业设计（论文） (2) 输出数据及计量单位 输出数据 单位 输出数据 单位 悬点位移 m 悬点速度 m/s 悬点加速度 m/s2 纯光杆载荷扭矩 kN,m 净扭矩 平衡扭矩 kN,mkN,m 4.2 运动动力分析软件图 进入分析 基本参数输入 运动参数输入 动力参数输入 运动分析计算 动力分析计算 图形输出 数据输出 退出 27 西安石油大学本科毕业设计（论文） 4.3 4.3.1 本软件采用的是模块化的整体设计思想，模块是程序的组成部分，程序由若干个 较小的序列组成。把这种组合起来的能解决问题的各个小的指令序列称为模块。模块 与子程序不同，模块是能够独立的完成一定功能的部分，能独立设计、编制、调试、 纠正、维护和修改。而子程序没有程序由那么严格的要求。所以，如果考虑由若干个 子程序构成系统，那么系统的效果是很差的。 所谓模块化就是把整个系统按照一定的规则分割成各个模块的过程。模块化在缩 短较大软件系统开发时，减少系统的复杂性以及提高系统的灵活性与可维护性等方面 的一个重要手段。 模块化实质是把系统分割成能完成独立功能的模块，具体地说，明确规定各个模 块以及它的输入输出格式，与其他的模块不会产生任何混乱。模块的检查部需要等当 发现差错与问题时，能方便的把该模块分离出来，并能迅速的限定涉及的范围。 采用模块化后，会带来以下的效果： (1) 灵活性(Flexibility):系统能适应各种环境的变化并能很方便的进行修改； (2) 易理解性(Comprehensibility):通过对组成系统的各个模块的理解，就能理解系统的整体设计思路。这对于理解复杂的系统带来了方便。 由于模块化设计能给设计和维护带来许多方便，所以本软件采用了模块设计的思 路。从何模块所能完成的功能来划分，每个模块都能完成各自相应的功能。但从软件 整体出发，从系统要达到的功能和所分析的各运动特性，各个模块之间又成线性关系。 系统大致可分为以下几个模块： 1 参数输入模块 ? 抽油机各个参数的确定，对抽油机的运动、动力分析都是十分重要的，主要包括 运动参数和动力参数的输入。 2 运动分析模块 ? 悬点运动的基本问题是根据已知条件建立描述点的运动规律的方法，即就是确定 任一瞬时再所选择的参考系内悬点的位置，求出悬点的轨迹，计算在任一瞬时的速度 和加速度等。运动分析模块主要包括悬点位移的数据、曲线，悬点速度的数据、曲线， 悬点加速度的数据、曲线。 3 动力分析模块 ? 抽油机减速器扭矩的确定是抽油机设计计算的基本任务之一，只有正确的计算出 减速器的扭矩，才能正确的计算零件的主要尺寸，以保证足够的强度、耐久性和高效 28 西安石油大学本科毕业设计（论文） 率。动力分析模块中主要包括减速器输出轴扭矩的数据、曲线，纯光杆载荷扭矩的数 据、曲线，所需平衡扭矩的数据、曲线。 4.3.2 将一个程序分割到一些不同的组件中，这可以在某种程度上减少它的复杂性„„ 虽然从这一点上来说，分割程序是有帮助的，但是分割程序的更大理由是它在程序内 部创造了一些定义良好的、有文档描述的边界。这些边界，或者叫接口，对于理解程 序是非常有价值的。在某些语言，如Smalltalk中，没有模块的概念，所以类就组成了分解的唯一物理单元。Java有包的概念，包中包含类。在许多其他语言中，包括 Object Pascal、C++和Ada，模块是一种独立的语言结构，确保了一组独立的设计决 策。在这些语言中，类和对象构成了系统的逻辑结构，我们把这些抽象放入模块中， 形成系统的物理 架构 酒店人事架构图下载公司架构图下载企业应用架构模式pdf监理组织架构图免费下载银行管理与it架构pdf 。特别是对于较大型的应用来说，可能有成百上千个类，使用模 块对管理复杂性有很大的帮助。 模块化将程序划分为一些模块，这些模块可以独立地编译，但又与其他模块有联 系。我们将使用Parnas的定义：'模块之间的联系是模块相互之间所做出的假定。大多数语言将模块作为一个独立的概念，它们也区分模块的接口和它的实现。因此，可 以说模块化和封装是密不可分的。 对于一个给定的问题决定一组正确的模块，这和决定一组正确的抽象的难度几乎 差不多。Zelkowitz这样说肯定是正确的："因为在设计阶段开始时我们可能不知道解决方案，分解为较小的模块可能相当困难。对于较老的应用（如写一个编译器），这 个过程可能成为标准，但是对于新的应用（如防御系统或宇宙飞船的控制），这可能 相当困难。 模块作为一种物理容器，我们在其中声明逻辑设计中的类和对象。这和电子工程 师在设计计算机主板时的情况没有什么区别。NAND、NOR和NOR等逻辑门可以用 来构造必要的逻辑，但是这些门必须用标准集成电路的方式进行物理封装。由于缺少 这样的标准软件部件，软件工程师拥有更大的自由度-就像电子工程师可以控制芯片 厂一样。 对于很小的问题来说，开发者可能决定将所有的类和对象都声明在同一个包中。 对于稍微有点实际意义的软件来说，更好的解决方案是将逻辑上相关的类和对象放在 同一个模块中，只暴露出其他模块必须看到的元素。例如，考虑一个运行在一组分布 式处理器上的应用，它使用消息机制来协调不同程序之间的动作。在一个大型系统， 如命令与控制系统中，常常有几百甚至上千种这样的消息。一种很幼稚的策略可能是 在各自的模块中定义每一种消息类。结果表明，这是一个非常差劲的决定。它不仅制 造了文档噩梦，同时用户也很难找到他们需要的类。而且，当决定改变时，几百个模 块都要修改或重新编译。这个例子说明，信息隐藏可能会造成相反的效果。随意的模 29 西安石油大学本科毕业设计（论文） 块化有时候比不实现模块化还要糟。 在传统的结构化设计中，模块化主要是考虑对子程序进行有意义地分组，利用耦 合和内聚的判据。在面向对象的设计中，这个问题稍有不同。我们的任务是要决定类 和对象的物理打包，这与子程序是明显不同的。 经验表明，有一些技术上和非技术上的指导方针可以帮助我们实现对类和对象的 明智的模块化。Britton和Parnas说：分解为模块的总体目标是通过允许模块独立地设计和修改，从而减少软件的成本„„每个模块的结构都应该足够简单，这样它就能 被完全理解。应该能够在不知道其他模块的实现方法，并不会影响其他模块的行为的 情况下，修改某个模块的实现。修改设计的容易程度应该能够满足需要变更的可能性。 这些指导方针具有实践意义。在实践中，编译一个模块的成本相对来说是很小的：只 有一个单元需要重新编译，然后重新链接应用。但是，重新编译模块接口的成本相对 是较高的。特别是对于强类型的语言，开发者必须重新编译模块接口、模块实现及其 他所有依赖该接口的模块。因此，对于很大型的程序来说（假定我们的环境不支持增 量编译），对一个模块接口的改动可能导致长得多的编译时间。显然，开发经理不能 忍受这种巨大的、"大爆炸式"的重新编译经常发生。出于这个原因，模块的接口应该 尽可能的小，而又满足其他用到它的模块的需要。我们的风格是将尽可能多的东西隐 藏到模块的实现中。与重写大量无关的接口代码相比，增量地从模块的实现到它的接 口来改变声明要轻松很多。 开发者必须平衡两种竞争的技术考虑：封装抽象的愿望以及让其他模块看到某些 抽象的需要。可能独立变化的系统细节应该成为独立模块的秘密，模块之间存在的假 定只能是那些不太可能变化的东西。每个数据结构对于一个模块来说都是私有的，它 可能被这个模块中的一个或几个程序访问，但模块外的程序不能访问它。任何其他程 序，如果需要保存在一个模块的数据结构中的信息，只能通过调用这个模块的程序获 得。换言之，努力创造出高内聚（将逻辑上相关的抽象放在一起）、低耦合（减少模 块间的依赖关系）的模块。从这个角度出发，我们可以这样定义模块化： 模块化是一个系统的属性，这个系统被分解为一组高内聚、低耦合的模块。 因此，抽象、封装和模块化的原则是相辅相成的。一个对象围绕单一的抽象提供 了一个明确的边界，封装和模块化都围绕这种抽象提供了屏障。 另外有两个技术问题可能影响模块化的决定。首先，由于模块通常是软件的基本 可分割单元，可以跨应用复用，所以开发者可能以方便复用的方式对类和对象进行打 包。其次，许多编译器以分段的方式产生目标代码，每个模块生成一段。因此，对单 个模块的规模可能有实际的限制。考虑到子程序调用的机制，模块中声明的位置可能 在很大程度上影响引用变量的局部性，从而影响到虚存系统的分页行为。较差的局部 性是指发生子程序跨段的调用，导致没有命中缓存并发生换页颠簸，最终降低了整个 系统的执行速度。 30 西安石油大学本科毕业设计（论文） 还有一些竞争的非技术需求也可能影响模块化决定。通常，开发团队是根据模块 来分配工作的，所以建立模块边界时要尽量减少开发组织中不同部分之间的接口。经 验丰富的设计师通常负责模块的接口，经验较少的开发者完成模块的实现。从更大的 范围来说，同样的情形也适用于合同分包的关系。我们可以对抽象进行打包，以便快 速地稳定模块的接口，在不同公司之间达成一致意见。改变这样的接口通常涉及许多 悲叹和愤怒（漫说还有许多纸面工作要做），所以这一原因通常导致保守设计的接口。 谈到纸面工作，模块通常作为文档和配置管理的单元。有10个模块，也许就有人要做10倍的纸面工作，所以不幸的情况发生了，有时候文档方面的要求会影响模块设 计的决定（通常是以最为消极的方式）。安全性也可能成为问题。大多数代码可能是 非保密的，但最好将那些可能需要保密的代码放到一个独立的模块中。 对付这些不同的需求很困难，但不要忽略了最重要的一点：发现正确的类和对象， 然后将它们放到不同的模块中，这基本上是独立的设计决定。类和对象的确定是系统 逻辑设计的一部分，而模块的确定是系统物理设计的一部分。我们不能在物理设计之 前完成所有逻辑设计，反之亦然。设计决策是以一种迭代的方式进行的。 4.4 常见抽油机运动动力分析系统为抽油机的分析提供了一个通用的软件平台，使用 者可以根据具体情况来设置分析分析的指标和指标的权值，也可以通过计算机编程语 言向软件添加新型的抽油机，利用分析系统的接口可以直接进行分析。本章主要介绍 了软件的设计思路、模块的划分及其意义。 31 西安石油大学本科毕业设计（论文） 5 5.1 已知游梁式抽油机四连杆机构杆长尺寸为A=3m、C=2.5m、P=H-G=3m、R=1.2m、 ,1I=2.1m，抽油机的冲次n=9，试求出该抽油机曲柄在逆时针旋转时各个曲柄转min 角下的S、ν、a，并绘出抽油机的位移曲线、速度曲线和加速度曲线。 解：以30?为例。 I2.1,,,,,,,arctan,,arctan,,36.19: ,,,,H,G3,,,, 2222 ，，K,I，H,G,2.1，3,3.717 ,,,,,,30:，36.19:,66.19: k 2222JK,R，KR,2,cos,3.717，1.2，2，3.717，1.2，cos66.19:,3.414k 222222,,,,，,2.5，3,3.414CPJ,,,,,,arccos,arccos,76.13: ,,,,22，2.5，3CP,,,, 222222，,2.5，3.414,3CJP ,,arccos,arccos,58.55:22，2.5，3.414CJ R1.2，sin66.19:,,,,,,,arcsinsin,,,arcsin,,18.76: ,,,,kJ3.414,,,, ,,,,,,58.55:，18.76:,77.31: 222222,,,,CKPR，，，,，2.5，3.717,4.2,,,,,,arccos,arccos,82.50: b,,,,CK22，2.5，3.717,,,, ，，，，,,,,,，,,,,76.13:，77.31:,66.19:,,219.63: k ，，S,A,,,,0.02m b A,nsin,,,R,,0.31ms ,C30sin R,,,,,,2,sincossin,sincossink,RKn,,2Ca,A,2.18ms ,,3CP30sin,,, 32 西安石油大学本科毕业设计（论文） 其位移曲线如下： 速度曲线如下： 33 西安石油大学本科毕业设计（论文） 加速度曲线如下： 曲柄在逆时针旋转时各个曲柄转角下的S、ν、a的数据如下(每个10?输出)： 34 西安石油大学本科毕业设计（论文） 5.2 已知抽油机几何尺寸如上题，摆动部件重为70,摆动部件重心至游梁支撑的距kN 离为1.8m，游梁平衡至支撑中心的距离为2m，抽油机的平衡相位角为12?，其他参数如下图： 由上图所示参数可求出抽油机减速器的的扭矩曲线及其数据。 解：由减速器扭矩计算公式可知：在曲柄旋转一周的过程中，减速器扭矩随 曲柄转角θ作周期性的变化，其变化规律可用扭矩曲线来表示。复合平衡的游梁式抽 油机的减速器净扭矩由载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线组成，所以在扭矩曲线图上往往 绘有3条扭矩曲线：载荷扭矩曲线，平衡扭矩曲线和净扭矩曲线。 35 西安石油大学本科毕业设计（论文） 本题由软件绘出的减速器扭矩曲线如下图所示： 其中红线代表载荷扭矩曲线，蓝线代表平衡扭矩曲线，绿线代表纯扭矩曲线，其 中平衡扭矩曲线是通过迭代法求得的，此时处于最佳解 36 西安石油大学本科毕业设计（论文） 减速器扭矩的数据如下： 其中 Twn代表载荷扭矩，Tn代表净扭矩，T代表平衡扭矩。 37 西安石油大学本科毕业设计（论文） 6 本文对游梁式复合平衡抽油机进行了分析，对其进行了运动和动力学计算并设计 了游梁式复合平衡抽油机的运动动力学分析软件，取得了良好的预期效果。 本文的主要工作如下： (1) 以后置型抽油机为模型，对其进行运动学分析，纠正并推导抽油机的运动分析 的计算公式，包括抽油机的悬点位移，速度和加速度公式，这些公式同样也使用于游 梁式复合平衡抽油机，具有很强的适用性。 (2) 在进行动力学分析前，首先推导抽油机的驴头悬点载荷，为后边动力学分析做 铺垫。其次以游梁式复合平衡抽油机为模型，推导抽油机的动力学分析计算公式，包 括减速器输出轴的纯扭矩、抽油机的载荷扭矩和平衡扭矩。 (3) 实现了对复合平衡抽油机做运动动力学分析的软件，为抽油机的分析和设计提 供了一个通用的平台。 总之，本文为游梁式复合平衡抽油机的分析、设计提供了快速、方便、灵活和有 效的手段。由于能力有限，错误和不当之处在所难免，欢迎老师批评指正。 38 西安石油大学本科毕业设计（论文） [1] 薄涛.中国液压抽油机的发展概况与技术水平[J] .钻采工艺，2002,25 (2)：60-62. [2] 王宇奇.中国石油工业的国际竞争力对比分析[J] .工业技术经济，2002 (4)：52-55. [3] 冯耀忠，李光，韩炜.国外抽油技术的新发展[J] .石油机械，2008,28 (10)：58-60. [4] 李仁光.游梁式抽油机运动和动力学仿真及优化设计[D] .西安：西安理工大学机 械与精密仪器工程学院，2005：3. [5] 王守民.油田在现役常规游梁式抽油机的增程与节能改造研究[D] .杭州：浙江大 学，2001:3. [6] 张绍槐，胡健.中国石油市场：现状与未来[J] .西安石油学院学报，1994,92 (2)： 4-8. [7] 董世民，马德坤.有杆抽油系统动态参数仿真的综合数学模型[J] .石油机械， 2001,29(6)：46-48. [8] 姚青冬，李向久.超高转差电机驱动有杆抽油系统动态特性的计算机仿真[J] .系 统仿真学，1997,9(1)：44-49. [9] 薛承瑾，鲍雨峰.超高转差电机驱动游梁式抽油机动力学研究[J] .石油机械， 2002,30(1)：4-7. [10] S.G.Gibbs.Predicting the Behavior of Sucker-rod Pumping Systems[J] .Journal of Petrobleum Technology(JPT), July, 1963:769-778. [11] 徐骏，胡雨人.斜井有杆抽油工况预测和诊断的新方法[J].江汉石油学院学报， 1994,16 (3)：79-84. [12] 徐骏，玻璃钢与钢杆混合抽油杆柱动态模型的解析法研究[J].石油机械， 1994,22(1)：39-45. [13] 王长斌，陈涛平.游梁式抽油机运动参数的精确解[J].石油学报， 1998,19(2):107-110. [14] Trans. Am. Inst.Mining Met. Engrs. (Petroleum Development and Technology) 769 (1963) [15] 邬亦炯.游梁式抽油机曲柄轴扭矩计算公式剖析[J].石油机械， 1994,22(5):35-42. [16] 李冬平.有杆抽油系统杆柱特性与预测与计算机仿真[D].西安：西安机械与精密 仪器工程学院，2003:3. 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