根据电动机一般特性曲线可得出电动机驱动 扭矩表达式：
M 2 K M H S K W0 (W0 ) S W (W0 ) 2
2 K 2 0 . .
其中：
将各数据代入公式可得 M
104249 .12104.67 79.16 104.67
2
M与 的关系曲线
_
TF与 的关系曲线 PR、
4.4.4等效驱动力矩
由参考书可得出电机等效驱动力矩表达式如下：
M ed iMB MB
k1 . M M iMB
其中:
iMB iB i R1iR 2 157.575
MB 0.98 0.984 0.992 0.886
1－电动机； 2－皮带减速箱传动装置； 3－抽油机主体机构； 4-悬绳器； 5－抽油杆柱； 6－油管柱； 7－抽油泵
四、系统参数确定
4.1电机
4.1.1电动机参数
电机型号 额定功率 同步转速 /kw r/m Y200L-6 30 1000 满载转速 r/min 980 过载系数
2.0
4.1.2电机机械特性
S PR max A
已知如下参量：
max
C 2 K 2 R P 2 arccos 0.27 2 CK
C 2 L2 P 2 2CL L2 1.2 arccos 5.64L
4.4工作系统各部件分析
4.4.1各杆件角速度、角加速度
图中几何关系为：
将以上式子对时间求导可得角速度：
将角速度对时间求导可得角加速度：
2 3 4 与 的关系曲线
4.4.2悬点位移、速度与加速度
(1)悬点冲程长度SPR:
(2)悬点位移PR:以下死点为位移零点，向上为位移的正方向， 则任意时刻的悬点位移PR为： PR A
将数据代入公式，得:
M ed1 157 .575 0.886 M M 157 .575
M ed 2 157.5751.13 M M 157.575
等效驱动力矩与θ的关系
4.4.5悬点载荷分析
各段曲线方程
由图可知四点坐标如下： A
0， ,P
' R
B
, P

66000 3.935 4
.

.
.
CD:
Mef3 P3
4 A
.
.
150000 3.935 4 S 193050

.
AD:
Mef4 P4
4 A
.
.

36000 3.935 4
.

.
等效阻力矩与θ的关系曲线
其中：
以下死点为位移零点，向上为位移正方向，任意时间悬点的位移
• 意义
通过此次游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真项 目的开展，完成游梁式抽油系统曲柄运动规律的动态仿真 分析。在讨论课“游梁式抽油系统曲柄运动规律动态仿真 建模”的基础上，完成游梁式抽油系统曲柄运动规律的动 态仿真分析，进一步掌握机械系统动力学仿真的过程和方 法：问题描述；力学与数学建模；数字仿真模型；仿真平 台与仿真软件；仿真分析。同时增强同学们积极思考，使 学生掌握机械系统动力学的基本理论及解题基本方法，提 高学生的独立学习能力，提高学生应用理论解决实际问题 的能力，增强同学小组成员间的合作能力，对小组成员解 决问题的能力是一种提高。
二、仿真步骤
抽油机仿真模型的建立，主要是通过将系统 中所有的构件等效到曲柄上，通过一系列计算， 得到等效驱动力矩、等效阻力矩以及等效转动惯 量，从而建立系统的微分方程，并通过软件将微 分方程解出。 • • • • 系统描述，建立力学模型 模型参数确定 建立系统运动微分方程 数值仿真模型
三、抽油机结构简图
'
R
PL
'

C
S, P
'
R
PL
'

D
S , P
' R
A(0，36000),B(0.2，66000),C(0.55π，66000)，D(0.55π-0.2，36000)
可推出各段曲线方程：
AB:
BC: CD: AD:
P S 36000 1 150000
P 2 66000
P S 193050 3 150000
' R
4.3假设条件
为便于对子系统的建模，作如下几点假设: (1)电网供电电压与供电频率是常数； (2)不考虑电动机转子到减速箱曲柄轴各传动副的间隙与传动 件的弹性变形； (3) 在分析抽油机主体机构的运动规律时，不考虑各传动副 的间隙与传动件的弹性变形； (4)悬绳与悬绳器在垂直方向上的等效弹簧常数为定值； (5)油管全长锚定或不锚定，当油管不锚定时，考虑液体静负 荷引起的油管柱弹性变形； (6)不考虑油管内液柱的振动； (7)假设抽油杆柱与油管同心； (8)油井是铅直的；
机械系统动力学 三级项目汇报
---------游梁式抽油系统曲柄运动 规律的动态仿真
组长：王冠 成员：张庆勋 习卫娜 刘琼 卢宇轩
一、项目背景及意义
• 背景
目前，采油方法有自喷采油方法和机械采油方法两种。 机械采油法又分为气举法和抽油法两种。气举法的特点是 利用压缩气体的能量，把原油举升到地面。而抽油法的特 点是将各种结构的泵放到井下进行抽油。从国外石油工业 最发达的国家来看，用抽油法开采的井数在生产井数中占 绝对多数。在我国，用抽油法开采的井数在生产中占90% 以上。用抽油法开采，国内外应用最广泛的抽油设备就是 游梁式抽油机，或称作有杆抽油设备。它的结构简单，制 造容易，维护方便。游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲 柄机构、减速箱、动力设备和辅助装备等四大部分组成。 工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构变成驴头 的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下深井泵的柱塞 作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。
arccos
L
R 2 K 2 2 RK cos 2
19.32 9.08cos0.22
arcsin
R 1.064 sin 2 arcsin sin 0.22 L L
将 ψ代入得
S 3.935 0.27
4.2抽油机已知参数
根据抽油机型号，可以确定抽油机传动系统的机构尺寸、运动件质量、转动 惯量、质心位置等参数。具体参数包括： R——曲柄半径，m； P——连杆长度，m； C——游梁后臂长度，m； K——基杆长度，m； A——游梁前臂长度，m； I——基杆的水平投影，m； τ——曲柄平衡重滞后角，rad； JB1——小皮带轮转动惯量，kg.m2； JB2——大皮带轮转动惯量，kg.m2； JR1——二级减速箱高速轴（输入轴）系转动惯量，kg.m2； JR2——二级减速箱中间轴系转动惯量，kg.m2； JR3——二级减速箱底速轴（输出轴）系转动惯量，kg.m2； iB——皮带传动比； iR1——二级减速箱的第一级传动比； i R2——二级减速箱的第二级传动比；
max
另外以上死点为位移零点，向下为位移的正方向，则悬点位移 为：
U t min A
(3)悬点速度与加速度
悬点向上运动为位移的正方向，则：
v A 4 A 3.935 4
a 4 4 A 3.935 4
.. ..
.
.
4.4.3扭矩因数 TF
A sin 3 2 TF R C sin 3 4
P 4 36000
悬点载荷与 的关系曲线
4.4.6等效阻力矩
P 由等效阻力矩公式：来自4 A ..
Mef
因此可得出以下四个等效阻力矩：
AB:
Mef1 P 1
4 A
.
.
.
150000 3.935 4 S 36000

.
.
BC:
Mef2 P2
4 A
.
S随θ的关系曲线
mQ——单曲柄质量，kg； rQ——曲柄质心半径，m； MC——单侧曲柄平衡块质量，kg； RC——曲柄平衡块质心半径，m； JC——单侧曲柄平衡块相对其质心的转动惯量，kg.m2； ML——连杆质量，kg； JL——连杆相对其质心的转动惯量，kg.m2； JB——游梁组件相对其回转中心的转动惯量，kg.m2。 2.3.2油井参数： 油井参数包括油藏参数与生产参数。 根据假设，和数学建模相关的几个参数包括： 抽油杆柱质量，kg； P 抽油杆柱在液柱中的重量， N； 油井动液面以上整个柱塞面积上的液柱重量，N； 抽油杆柱在液体载荷作用下的静变形，m。