基于SimMechanics抽油機運動仿真方法的研究分析*

吳 偉,何鵬飛

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

0 引 言

抽油機是石油開采過程中主要的地面驅(qū)動設備，其中游梁式抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造和維護成本低、壽命長等優(yōu)勢，同時也存在結(jié)構(gòu)笨重、運行能耗高、效率低等不足。隨著抽油機的設計制造技術(shù)不斷發(fā)展，各種以適應不同工況或者節(jié)能降耗為目的新型抽油機應運而生，但是游梁式抽油機以其獨特的優(yōu)勢目前在石油開采領域仍然占據(jù)主導地位[1-2]。

掌握抽油機的運動規(guī)律是研究抽油裝置動力學、確定抽油裝置的基本參數(shù)及運行抽油裝置設計的基礎。根據(jù)運動學原理，抽油機游梁繞支架軸的轉(zhuǎn)動和其懸點運動具有映射關系。筆者主要對游梁式抽油機的游梁圍繞支架軸的轉(zhuǎn)動規(guī)律進行分析[3-4]。對抽油機的平衡分析具有重要參考意義。

1 MATLAB-SimMechanics軟件模塊功能介紹

MATLAB-SimMechanics軟件擁有一系列的模塊庫，機械模型和仿真工具。它可以與Simulink配合使用。通過傳感器模塊和執(zhí)行器模塊可以將SimMechanics模塊和Simulink模塊連接起來。

這些模塊是建立機械系統(tǒng)的基礎。機械系統(tǒng)由剛體組成，并由代表了平移自由度和旋轉(zhuǎn)自由度的關節(jié)連接起來，與用標準的Simulink工具箱建模一樣，用一些分層子系統(tǒng)表達出機械系統(tǒng)。通過對子系統(tǒng)施加運動約束、應用力或者轉(zhuǎn)矩，通過可視化窗口演示模型可以觀測所需運動參數(shù)變化特征。不同于常規(guī)的機構(gòu)運動分析方法，基于MATLAB-SimMechanics建模進行運動分析具備直觀、簡潔、高效的優(yōu)勢，可同時獲取多個不同部件的運動參數(shù)[5-6]。

SimMechanics軟件模塊組：

(1) 剛體模塊組(Bodies)：包含剛體(Body)、機架(Ground)、機器環(huán)境(Machine Environment)和共享環(huán)境(Shared Environment)四個模塊。Body模塊用于建立剛體模型，設定剛體的質(zhì)量、慣量張量和剛體坐標系；Ground模塊用于將一個關節(jié)的一側(cè)接地到世界坐標系中的一個固定位置；Machine Environment模塊用于定義與塊相連接的機器的機械仿真環(huán)境；Shared Environment模塊連接兩個子機器而不添加任何實體、關節(jié)或約束。

(2) 約束與驅(qū)動模塊組(Constraints&Drivers)：包含速度驅(qū)動(Velocity Driver)、齒輪約束(Gear Constraint)等七個模塊。通過在任意兩個剛體之間指定運動約束或驅(qū)動來限制系統(tǒng)的運動。

(3) 力單元模塊組(Force Elements)：包含兩個彈簧阻尼模塊(Body Spring & Damper)和(Joint Spring & Damper)。用于模擬兩個部件之間或兩個部件連接關節(jié)處的阻尼線性振蕩器。

(4) 接口單元模塊組(Interface Elements)：分別提供移動副接口和轉(zhuǎn)動副接口。

(5) 運動鉸模塊組(Joints)一共有Revolute、Bushing等17個不同模塊，此模塊組中提供了可以將剛體構(gòu)件連接起來的各種運動鉸。

(6) 傳感器和激勵器模塊組(Sensors & Actuators)：分為9個不同模塊，可以對剛體或鉸鏈施加不同的激勵以及檢測剛體的運動參數(shù)。

(7) 輔助工具模塊組(Utilities)：共有三個不同模塊，可供子系統(tǒng)物理建模連接端口和轉(zhuǎn)換輸出等。

其中Groud、Body和Joint模塊為建模的基礎模塊。

2 彎游梁式抽油機

2.1 基本結(jié)構(gòu)

彎游梁式抽油機是新研發(fā)的一種節(jié)能型游梁式抽油機，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎游梁式抽油機1.前驢頭 2.游梁 3.支架 4.底座 5.電動機 6.減速器 7.曲柄裝置 8.曲柄平衡 9.游梁平衡 10.連桿 11.尾軸承座 12.橫梁

2.2 幾何模型

本次運動分析取CYJW7-2.5-18HF型抽油機為具體對象，幾何關系如圖2所示。

圖中：A為游梁前臂長度；M為游梁支點到彎點長度；N為游梁彎點到連桿節(jié)點長度；P為連桿長度；R為曲柄半徑；I為游梁軸中心到曲柄軸中心水平距離；H為游梁軸中心到底座底部的高度；G為曲柄軸中心到底座底部的高度；J為游梁軸中心到曲柄端點的距離；K為曲柄軸中心到游梁軸中心的距離；χ為C與J的夾角；ρ為K與J的夾角；Ψ為C與K的夾角；β為C與P的夾角；α為R與P的夾角；θ為R與零度線的夾角；λ為游梁彎曲角度；φ為零度線與K的夾角。

圖2 彎游梁式抽油機的幾何模型

相關尺寸為：A=2.5 m；M=0.925 m；N=0.54 m；R=0.609 m；H-G=3.35 m；I=1.9 m，沖次n=7次/min。由幾何關系可以得到：

3 彎游梁式抽油機運動仿真

3.1 應用MATLAB-SimMechanics建立初始模型

根據(jù)選定抽油機的幾何特征，選擇Groud、Body、和Joint模塊：初始模型由2個機架(Ground)模塊、4個旋轉(zhuǎn)鉸(Revolute)模塊、3個剛體(Body)模塊、1個環(huán)境模塊(Machine Environment)組成。

3.2 完整模型圖

根據(jù)需要在初始模型上添加傳感器(Joint Sensor)、激勵器(Joint Actuators)、示波器(scope)和信號模塊完成完整的仿真模型圖如圖3所示。

圖3 添加輔助模塊后的完整模型圖

3.3 設置相關參數(shù)

對Revolute和Groud、Body三個基礎模塊的參數(shù)進行設置。

① Groud模塊：

根據(jù)Ground相對于World CS的位置設置位置坐標參數(shù)，其中在Ground_1參數(shù)對話框中復選Show Machine Environment選項用于連接Machine Environment模塊。Groud模塊參數(shù)設置如圖4～5所示。

圖4 Ground_1 模塊參數(shù)設置 圖5 Ground_2 模塊參數(shù)設置

② Revolute模塊：

在Number of Sensor/actuator Ports對話框中選擇為模塊添加傳感器或激勵器接口的數(shù)量。在Parameters-Axes對話框中輸入[0 0 1]設置轉(zhuǎn)動軸矢量為[0 0 1]，即Body與Ground模塊間繞連接點坐標系的Z軸相對轉(zhuǎn)動。圖6為Revolute1 模塊參數(shù)。

圖6 Revolute1 模塊參數(shù)設置

③ Body模塊：

雙擊模塊，打開參數(shù)對話框，配置質(zhì)量

屬性(質(zhì)量和慣性矩)，然后確定Body模塊和Ground模塊與整體坐標系或其他坐標系之間的關系。

確定各部件的重心位置根據(jù)式(1)計算：

(1)

式中：a為構(gòu)件的重心到某軸線的距離(縱向、橫向分開求)；S為構(gòu)件平面面積對某軸線的面積距；F為構(gòu)件平面面積。

其慣量矩陣為：

(2)

將相關參量輸入到各個模塊的參數(shù)賦值框中。Body1參數(shù)設置如圖7所示。

圖7 Body1參數(shù)設置

3.4 監(jiān)測運動及運行模型

運用SimMechanics內(nèi)部的可視化窗口將模型可視化、動畫化，以便于直接觀察其運動過程。動畫截圖如圖8所示。

圖8 動畫截圖

3.5 監(jiān)測結(jié)果

游梁式抽油機在工作運行時，電動機通過皮帶和減數(shù)器帶動曲柄作勻速圓周運動，曲柄通過連桿帶動四連桿機構(gòu)的游梁以支架上中央軸承為支點，做上下擺動。通過示波器模塊顯示仿真結(jié)果，可根據(jù)設置對其某一項參數(shù)進行單獨監(jiān)測也可以將幾項參數(shù)同時監(jiān)測。通過監(jiān)測圖可以對其運動狀態(tài)進行判斷，仿真過程中對游梁圍繞支架軸轉(zhuǎn)動的角位移、角速度和角加速度進行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 角位移變化

圖10 角速度變化

圖11 角加速度變化

4 結(jié) 論

此項研究的重點是通過計算機仿真模型對游梁式抽油機的游梁繞支架軸的轉(zhuǎn)動進行了監(jiān)測觀察，在此基礎上得出以下結(jié)論：

(1) 在游梁式抽油機運動分析中，比較常規(guī)的幾何數(shù)學計算分析方法，MATLAB-SimMechanics模型仿真分析具備分析速度快、可直接觀察運動過程以及可隨時對任意轉(zhuǎn)動鉸鏈進行快速監(jiān)測的特點。

(2) 通過MATLAB-SimMechanics模型仿真結(jié)果可以快速的監(jiān)測鉸鏈的角位移、扭矩等運動參數(shù)，針對不同的仿真對象的物理模型只需要根據(jù)具體尺寸進行相應的坐標設置即可，建模過程省去了復雜的數(shù)學計算環(huán)節(jié)，為研究人員節(jié)省了大量精力。