CN110457767A - 基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，基于游梁式抽油机四连杆机构的连接与运动关系，以曲柄转角θ为已知量建立起悬点的实时参数运动模型，即以曲柄转角的变化实时地计算出悬点位置、速度与加速度的对应变化。从而建立起一种悬点新的运动参数实时获得方法，以易获得变量曲柄转角θ有效、快速地获取悬点实时运动参数，且提高了悬点运动参数测算的准确性，为实现悬点载荷在生产过程中的动态测算具有参考价值。基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，在四连杆机构直角坐标系中，基于电动机输出扭矩驱动的曲柄转角θ，测量出悬点的实时运动参数，包括悬点实时位置、速度与加速度。

Description

基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法

技术领域

本发明是一种全新的游梁式抽油机悬点运动参数模型建立方法，具体地是以基于四连杆机构曲柄转角获取悬点的实时运动参数，属于石化行业，油田生产计算机信息化领域。

背景技术

目前国内油田勘探施工领域，较普遍地采用游梁式抽油机作为生产设备。现有技术针对悬点运动参数的求解，基本上是通过实测悬点的位置与载荷以揭示机井光杆的悬点载荷与冲程之间的变化关系。

如以下在先公开文献，如《石油学报》第19卷第2期第107-110页，游梁式抽油机运动参数的精确解，1998年4月刊。通过悬点运动参数建立游梁摆动方程，从而得出悬点运动的位移、速度和加速度计算公式，最终给出求游梁式抽油机悬点运动参数的精确解。

再如《石油机械》第34卷第5期第22-24页，游梁式抽油机运动规律的多体动力学分析，2006年3月刊。采用多体动力学方法进行分析，以动力学方程值积分的结果对位移和速度级约束方程进行求解和违约修正。

上述现有技术均以游梁摆角变化计算得出悬点位移，以及对速度和加速度的影响分析，计算过程复杂且具有多维的特点，计算结果因此也就累积较大的误差，仍非真正意义上的精确解。另外，计算过程过于复杂而具有较低的实地使用参考价值。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，在于解决现有技术存在的问题而基于游梁式抽油机四连杆机构的连接与运动关系，以曲柄转角θ为已知量建立起悬点的实时参数运动模型，即以曲柄转角的变化实时地计算出悬点位置、速度与加速度的对应变化。从而建立起一种悬点新的运动参数实时获得方法，以易获得变量曲柄转角θ有效、快速地获取悬点实时运动参数，且提高了悬点运动参数测算的准确性，为实现悬点载荷在生产过程中的动态测算具有参考价值。

为实现上述设计目的，所述基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，基于电动机输出扭矩驱动曲柄旋转，进而带动驴头上下运动的特点。以游梁式抽油机支架轴的中点为零点，建立直角坐标系，以曲柄转角θ为自变量。

在四连杆机构直角坐标系中，基于电动机输出扭矩驱动的曲柄转角θ，测量出悬点的实时运动参数，包括悬点实时位置、速度与加速度。

具体地，悬点的实时位置符合以下表达式，

其中，

x_a＝Rcosθ-I

y_a＝Rsinθ-F

进一步地，悬点实时速度V_c是实时位置y_c的一阶导数，其表达式如下：

悬点实时加速度a_c是实时位置y_c的二阶导数，其表达式如下：

如上所述，基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法具有的优点是：

1、实现了一种新的悬点实时运动参数建模方法，与现有技术相比以易获得变量曲柄转角θ有效、快速地获取悬点实时运动参数，且提高了悬点运动参数测算的准确性。

2、在此基础上，为实现悬点载荷在生产过程中的动态测算具有参考价值，能显著地提高获取生产过程动态参数的实时性。

附图说明

图1是游梁式抽油机四连杆机构的工作原理图；

图2是基于本申请和抽油机实际参数所获取悬点运动位移变化周期的示意图；

图3是基于本申请和抽油机实际参数所获取悬点运动速度变化周期的示意图；

图4是基于本申请和抽油机实际参数所获取悬点运动加速度变化周期的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，一种基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，基于电动机输出扭矩驱动曲柄旋转，进而带动驴头上下运动的特点。在直角坐标系中，以游梁式抽油机支架轴的中点为零点，建立直角坐标系，水平为X轴，垂直为Y轴，以曲柄转角θ为自变量，建立悬点实时运动参数的模型，计算出悬点的实时运动参数，包括悬点实时位置、速度与加速度。

如图1所示，游梁式抽油机四连杆机构的直角坐标运动模型原理示意图。

在四连杆机构中，O点为游梁式抽油机支架轴的支点，O₁点为游梁式抽油机动力输入轴的中点，C点为游梁式抽油机的悬点，B点为游梁式抽油机横梁轴(游梁后臂)的端点， A点为游梁式抽油机曲柄的端点。

工作过程是，电动机的动力输入轴通过曲柄将力矩传递到A点，A点绕O₁点以半径为R、角速度为ω做圆周运动，A点与B点通过连杆P连接，使B点以半径为M在A点的带动下做圆弧往复运动；C点与B点为同一梁(游梁)的两端，以O点为支点做圆弧往复运动，且C点的运动方向与B点相反。

其中，R是曲柄长度(单位：mm)；P是连杆长度(单位：mm)；I为支架轴中点到动力输入轴中点的水平距离(单位：mm)；F为支架轴中点到动力输入轴中点的垂直距离(单位：mm)；M为支架轴中点O到横梁轴端点B的长度(单位：mm)；N为支架轴中点O 到悬点C的长度(单位：mm)。

曲柄的转角θ，是在电动机通过减速机出扭矩的驱动下，在直角坐标系中的实时转角。具体的计算过程如下：

如图1所示，以O点为零点建立直角坐标系，即O点直角坐标为(0,0)，则O₁点的坐标为O₁(-I,-F)，A点以O₁为圆心作圆周运动，运动角速度为ω。

则有，(x_a+I)²+(y_a+F)²＝R² (1)

θ＝ωt (2)

x_a＝Rcosθ-I (3)

y_a＝Rsinθ-F (4)

则B点的运动方程：x_b ²+y_b ²＝M² (5)

由A到B点的距离公式得：

(x_b-x_a)²+(y_b-y_a)²＝P² (6)

将式(6)展开：

x_b ²+x_a ²-2x_bx_a+y_b ²+y_a ²-2y^by^a＝P² (7)

式(7)﹣(1)﹣(5)得到：

-2x_bx_a-2Ix_a-2y_by_a-2Fy_a＝P²-M²-R²+F²+I²

2x_bx_a+2y_by_a＝M²+R²-P²-F²-I²-2Ix_a-2Fy_a

将式(8)代入式(5)中：

设Q＝(M²+R²-P²-F²-I²-2(x_a-2Fy_a)/2，则有

由一元二次方程根与分数的关系解得：

由图中可知，|y_b|≤R，即-R≤y_b≤R (10)

由式(1)得：

x_a ²+y_a ²＝R²-2Ix_a-2Fy_a (11)

将(11)代入式(9)：

依据线性方程，悬点C位置：

如图3所示的悬点C位置曲线图，通过悬点C的坐标值y_c，可求出悬点C的速度V_c，即V_c是y_c的一阶导数：

据此可绘制出抽油机悬点C基于曲柄转角θ的速度曲线图，如图4所示。

基于相同的原理，由悬点C的坐标值y_c得到悬点C的加速度a_c，即a_c是y_c的二阶导数：

据此绘制抽油机悬点C基于曲柄转角θ的加速度曲线图，如图4所示。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (4)

1.一种基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，其特征在于：在游梁式抽油机四连杆机构直角坐标系中，以支架轴的中点为零点，以曲柄转角θ为自变量建立悬点实时运动参数的模型，获取悬点的实时运动参数包括悬点实时位置、速度与加速度。

2.根据权利要求1所述的基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，其特征在于：悬点(C)的实时位置符合以下表达式：

其中，

x_a＝Rcosθ-I

y_a＝Rsinθ-F。

3.根据权利要求2所述的基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，其特征在于：悬点(C)实时速度V_c是实时位置的一阶导数，其表达式如下，

4.根据权利要求2或3所述的基于四连杆机构曲柄转角获取悬点实时运动参数的方法，其特征在于：悬点(C)实时加速度a_c是实时位置y_c的二阶导数，其表达式如下，