考慮耗散力的抽油系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及彈性機(jī)構(gòu)振動(dòng)控制.pdf

1、機(jī)械系統(tǒng)中的耗散力是引起能量消耗和設(shè)備磨損的主要因素,同時(shí)耗散力對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)轉(zhuǎn)精度也有重要的影響。在機(jī)械系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中充分考慮耗散力的影響,對(duì)于提高設(shè)備運(yùn)行效率、節(jié)約能源、減輕振動(dòng)、改善性能具有重要的理論與實(shí)際意義。本學(xué)位論文以定向井有桿抽油系統(tǒng)和平面彈性連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,對(duì)考慮耗散力的抽油系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及彈性機(jī)構(gòu)振動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。 由于庫(kù)侖摩擦力與抽油桿柱彈性變形的耦合,使得現(xiàn)有定向井有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)

2、預(yù)測(cè)模型是一組非線性偏微分方程,求解復(fù)雜。鑒于此,提出了一種新的分析方法。該方法以定向井有桿抽油系統(tǒng)中的抽油桿柱作為研究對(duì)象,根據(jù)三次樣條插值模擬得到的定向井的井眼軌跡,利用靜力有限元法計(jì)算出了油管對(duì)抽油桿柱的支反力,進(jìn)而得出了桿柱與油管之間的庫(kù)侖摩擦力。在對(duì)桿柱單元受力分析基礎(chǔ)上,建立了有限元形式的定向井有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,并利用狀態(tài)空間法進(jìn)行數(shù)值求解,獲得了該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)及地面功圖。將本方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果以及采用有限差分法

3、的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,表明本文方法簡(jiǎn)便、正確、有效。 定向井有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析過(guò)程中,抽油桿柱與油液之間粘性摩擦系數(shù)和抽油桿柱與油管之間庫(kù)侖摩擦系數(shù)的確定是一個(gè)關(guān)鍵和困難的問(wèn)題。提出了一種基于特征的方法來(lái)識(shí)別抽油系統(tǒng)摩擦系數(shù)。新方法針對(duì)現(xiàn)有的Freeman八方向鏈碼碼間距過(guò)大、采樣必須為方格采樣、編碼過(guò)程需要人工干預(yù)的不足,對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),并利用改進(jìn)后的鏈碼方法將封閉曲線鏈碼化。根據(jù)封閉曲線的周期性,將其參數(shù)方程展成傅里葉

4、級(jí)數(shù),導(dǎo)出了傅曲葉系數(shù)與曲線鏈碼之間的關(guān)系式。利用傅里葉系數(shù)計(jì)算封閉曲線的形狀特征,建立了實(shí)測(cè)與仿真地面功圖曲線形狀特征間的歐氏距離。以該距離為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),尋優(yōu)得到使目標(biāo)函數(shù)值滿(mǎn)足給定誤差的仿真地面功圖曲線,該功圖對(duì)應(yīng)的一組摩擦系數(shù)即為相應(yīng)抽油系統(tǒng)的粘性摩擦系數(shù)和庫(kù)侖摩擦系數(shù)?；谠搮?shù)的動(dòng)力學(xué)特性預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際吻合。 采用LuGre摩擦模型來(lái)描述有桿抽油系統(tǒng)的非線性摩擦,在此基礎(chǔ)上對(duì)有桿抽油系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)LuGre摩

5、擦模型中的六個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析并給出了符合工程應(yīng)用的參數(shù)值。將抽油系統(tǒng)中抽油桿柱的振動(dòng)視為多級(jí)桿的縱向振動(dòng),對(duì)桿柱單元進(jìn)行了受力分析,結(jié)合有限差分法與有限元法建立了桿柱的載荷和位移遞推公式,并給出了桿柱載荷和位移的邊界條件以及桿柱運(yùn)動(dòng)的初始條件。給出了采用LuGre摩擦模型的定向井仿真實(shí)例,并與采用經(jīng)典庫(kù)侖+粘性摩擦模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明LuGre摩擦模型能較好地反映低速換向時(shí)系統(tǒng)摩擦的非線性特性。提出了一種能夠比較精確地確定

6、井下各項(xiàng)耗散力耗能的計(jì)算方法。基于已知桿管間庫(kù)侖摩擦力以及桿柱各節(jié)點(diǎn)的彈性運(yùn)動(dòng)速度,對(duì)抽油系統(tǒng)中庫(kù)侖摩擦力、粘性摩擦力以及盤(pán)根盒摩擦力在一個(gè)抽油周期內(nèi)的耗能進(jìn)行了分析,導(dǎo)出了相應(yīng)的耗能計(jì)算公式。根據(jù)地面功圖計(jì)算出抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷在一個(gè)抽汲周期所做的功,并對(duì)抽油系統(tǒng)井下效率進(jìn)行了計(jì)算。為掌握抽油系統(tǒng)井下各環(huán)節(jié)的耗能情況提供了參考。對(duì)桿柱彈性運(yùn)動(dòng)速度引起的粘性摩擦力耗能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明桿柱彈性運(yùn)動(dòng)速度引起的粘性摩擦力耗能不能忽略。

7、 研究了油井地層供液量與井底流壓之間的流入動(dòng)態(tài)關(guān)系。系統(tǒng)地分析了抽油系統(tǒng)的抽汲參數(shù)和沉沒(méi)度對(duì)泵效的影響。根據(jù)油井產(chǎn)供平衡原則,以井下效率為目標(biāo)函數(shù)對(duì)抽油系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明,優(yōu)化可明顯提高井下效率,降低生產(chǎn)成本。同時(shí)也表明油井沉沒(méi)度對(duì)泵效和井下效率的影響比抽汲參數(shù)更為明顯。 基于阻尼合金的大阻尼能量耗散特性,將其用作彈性機(jī)構(gòu)系統(tǒng)振動(dòng)被動(dòng)控制材料。利用粘彈性五參量本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述阻尼合金材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。導(dǎo)出了以五參量表示阻尼