考慮耗散力的抽油系統(tǒng)動力學分析及彈性機構(gòu)振動控制.pdf

1、機械系統(tǒng)中的耗散力是引起能量消耗和設備磨損的主要因素,同時耗散力對機械系統(tǒng)的動態(tài)性能及運轉(zhuǎn)精度也有重要的影響。在機械系統(tǒng)分析與設計中充分考慮耗散力的影響,對于提高設備運行效率、節(jié)約能源、減輕振動、改善性能具有重要的理論與實際意義。本學位論文以定向井有桿抽油系統(tǒng)和平面彈性連桿機構(gòu)為研究對象,對考慮耗散力的抽油系統(tǒng)動力學及彈性機構(gòu)振動控制問題進行了深入研究。 由于庫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)動態(tài)參數(shù)

2、預測模型是一組非線性偏微分方程,求解復雜。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算出了油管對抽油桿柱的支反力,進而得出了桿柱與油管之間的庫侖摩擦力。在對桿柱單元受力分析基礎上,建立了有限元形式的定向井有桿抽油系統(tǒng)動力學方程,并利用狀態(tài)空間法進行數(shù)值求解,獲得了該系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)及地面功圖。將本方法計算結(jié)果與實測結(jié)果以及采用有限差分法

3、的計算結(jié)果進行了對比,表明本文方法簡便、正確、有效。 定向井有桿抽油系統(tǒng)動態(tài)特性分析過程中,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侖摩擦系數(shù)的確定是一個關(guān)鍵和困難的問題。提出了一種基于特征的方法來識別抽油系統(tǒng)摩擦系數(shù)。新方法針對現(xiàn)有的Freeman八方向鏈碼碼間距過大、采樣必須為方格采樣、編碼過程需要人工干預的不足,對其進行了改進,并利用改進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、級數(shù),導出了傅曲葉系數(shù)與曲線鏈碼之間的關(guān)系式。利用傅里葉系數(shù)計算封閉曲線的形狀特征,建立了實測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)化目標函數(shù),尋優(yōu)得到使目標函數(shù)值滿足給定誤差的仿真地面功圖曲線,該功圖對應的一組摩擦系數(shù)即為相應抽油系統(tǒng)的粘性摩擦系數(shù)和庫侖摩擦系數(shù)?；谠搮?shù)的動力學特性預測結(jié)果與實際吻合。 采用LuGre摩擦模型來描述有桿抽油系統(tǒng)的非線性摩擦,在此基礎上對有桿抽油系統(tǒng)進行動力學分析。對LuGre摩

5、擦模型中的六個參數(shù)進行了分析并給出了符合工程應用的參數(shù)值。將抽油系統(tǒng)中抽油桿柱的振動視為多級桿的縱向振動,對桿柱單元進行了受力分析,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動的初始條件。給出了采用LuGre摩擦模型的定向井仿真實例,并與采用經(jīng)典庫侖+粘性摩擦模型的計算結(jié)果進行了對比,結(jié)果表明LuGre摩擦模型能較好地反映低速換向時系統(tǒng)摩擦的非線性特性。提出了一種能夠比較精確地確定

6、井下各項耗散力耗能的計算方法。基于已知桿管間庫侖摩擦力以及桿柱各節(jié)點的彈性運動速度,對抽油系統(tǒng)中庫侖摩擦力、粘性摩擦力以及盤根盒摩擦力在一個抽油周期內(nèi)的耗能進行了分析,導出了相應的耗能計算公式。根據(jù)地面功圖計算出抽油機懸點載荷在一個抽汲周期所做的功,并對抽油系統(tǒng)井下效率進行了計算。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。對桿柱彈性運動速度引起的粘性摩擦力耗能進行了分析,結(jié)果表明桿柱彈性運動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)和沉沒度對泵效的影響。根據(jù)油井產(chǎn)供平衡原則,以井下效率為目標函數(shù)對抽油系統(tǒng)進行了優(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。同時也表明油井沉沒度對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,將其用作彈性機構(gòu)系統(tǒng)振動被動控制材料。利用粘彈性五參量本構(gòu)關(guān)系來描述阻尼合金材料的應力應變關(guān)系。導出了以五參量表示阻尼