游梁式抽油机虚拟样机测试及有限元仿真分析

摘要

游梁式抽油机是一种机械式采油装置，它的核心工作机构是曲柄摇杆机构，因为游梁驴头的往复摆动像是在磕头一般，所以游梁式抽油机也俗称“磕头机”。它是游梁式抽油机采油系统的地面部分，通过抽油杆柱与井下部分的抽油泵配合将地下的原油抽汲到地面上来。目前，游梁式抽油机占全部机械采油井的80％以上，但是存在总体效率低的问题，我国是能源消耗大国，随着能源日益紧缺，完善和发展游梁式抽油机节能研究，对于抽油机井节能降耗、提高经济效益具有重要意义。
　　本文针对某型号异相型曲柄平衡游梁式抽油机进行研究，对其进行了运动学和动力学理论分析和虚拟样机测试与有限元仿真分析，并以游梁式抽油机最大输入功率最小为目标函数进行了优化分析。
　　首先根据异相型游梁式抽油机的结构和工作原理特点，对异相型游梁式抽油机的悬点位移、速度、加速度公式进行了推导，对游梁式抽油机的悬点载荷、曲柄扭矩及计算方法进行了分析推导，为后文虚拟样机测试与有限元仿真分析做好了理论准备。
　　其次，使用ADAMS2014虚拟样机技术对游梁式抽油机进行了运动学和动力学精确测试。对悬点运动规律、悬点冲程长度进行了仿真验证。对抽油机各杆件铰接处进行力与力矩测试，发现有微小扰动，经过频谱分析得出是由于抽油机工作频率的2倍频率所导致的。
　　再次，对游梁式抽油机的关键部件进行了静力学分析、模态分析和瞬态动力学分析。通过对支架的静力学分析，得出应力应变较小，满足使用要求。使用ANSYS Workbench软件对游梁式抽油机进行了瞬态动力学仿真，仿真验证了游梁和连杆的等效应力和受力变形都满足使用要求。通过对整机模态分析，得出游梁和连杆前6阶模态变形相对较大，所以再对其分别单独做模态分析，得出本文研究的异相型游梁式抽油机的工作频率远离固有频率，不会发生共振。
　　最后，根据游梁式抽油机机构尺寸的优化设计基本原则，选取以游梁式抽油机的核心机构曲柄摇杆机构的最大输入功率最小化为优化目标，使用ADAMS参数化建模与优化分析功能进行优化分析，得出游梁式抽油机曲柄摇杆机构输入功率的优化结果。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景及科学意义

1.2 国内外抽油机的发展现状及趋势

1.3 CAE技术在抽油机中的应用现状

1.4主要研究内容

第二章 游梁式抽油机运动与动力学分析

2.1游梁式抽油机的概述

2.2游梁式抽油机运动特性分析

2.3游梁式抽油机悬点载荷计算

2.4游梁式抽油机曲柄轴扭矩计算

2.5本章小结

第三章 游梁式抽油机虚拟样机测试

3.1游梁式抽油机运动学测试分析

3.2游梁式抽油机的动力学测试分析

3.3本章小结

第四章 游梁式抽油机的有限元分析

4.1游梁式抽油机支架的静力学分析

4.2游梁式抽油机瞬态动力学分析

4.3游梁式抽油机模态分析

4.4本章小结

第五章 游梁式抽油机机构尺寸的优化分析

5.1参数化建模与优化分析简介

5.2游梁式抽油机机构尺寸的优化仿真

5.3本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢