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1、辽宁石油化工大学毕业设计论文游梁式抽油机的优化设计摘 要游梁式抽油机的优化方案的可信与否,主要取决于建立数学模型的准确性.设计变量,目标函数,约束条件是数学模型的三要素.选取目标函数约束条件不同,优化结果也不同。抽油机所受载荷比较特殊,很难建立单一函数取得最优解。论文通过上冲程最大扭矩因数,上冲程悬点最大加速度,曲柄均方根扭矩最小化,平衡率极大化,交变载荷系数接近1为目标，综合进行了优化。各目标虽然相关,但不适合用加权法构造统一目标。优化策略是分别采用以上冲程,单目标分别求极小值,其余目标综合判优的方法,以求得全局最优解。本优化设计是具有5个设计变量,15个约束条件的多目标优化问题。操作时选用
2、了扭矩因数,悬点加速度单目标自动寻优,在多个较优解中,按统一模型示功图人工决策均方根扭矩最小、平衡效果最好、交变载荷系数尽量接近1的全局最优解的优化策略。在选取约束条件时,尽量取消一些不起作用的约束,以提高运算效率,对于异相型抽油机选用了15个约束条件(含一个等式约束)可满足设计要求。关键词：游梁式抽油机，优化，悬点最大加速度,曲柄均方根扭矩。AbstractBeam pumping unit optimizations the credibility of the program depends on the accuracy of the mathematical model. Desig
3、n variables, the objective function and constraints of a mathematical model are the three elements. Choosing the different targets of functions in constraint conditions, optimization results are different. Pumps load is rather special. It is very difficult to establish a single function obtaining th
4、e optimal solution. The author goes through the above-stroke maximum moment of torsion, hanging on the stroke maximum acceleration, Crank lord minimum torsion, the average maximum efficiency, alternating load goals close to 1. Although the objectives are relevant, it does not apply to the weighted m
5、ethod of constructing the goal of reunification. So using and have to get single target in themselves, the remaining goals get a better integrated approach to achieve the global solution to the optimal design pumping unit in five design variables, 15 conditions for multi-objective optimization probl
6、em. In operation, I choose the torque factor, Suspended point acceleration single objective optimization automatically, in a number of optimum solution, as to a uniform model diagram artificial decision for the minimum torsion, the best balance, variable load factor as close to 1 , which is possible
7、 to an optimal solution to the overall situation of the optimal strategy. When selecting constraints, we do our best to cancel some non-functional constraints, to improve the efficiency of operation。Special model pumping unit can choose 15 binding conditions (including an equality constraint) which
8、could meet the design requiring. Key Words：Beam pumping unit ，optimization, the above-stroke maximum moment of torsion, hanging on the stroke maximum acceleration目 录 前言 61抽油机的工作原理6 1.1常规型游梁式抽油机7 1.2异相型游梁式抽油机7 1.3抽油机的类型8 1.4综述抽油机国内、外技术发展概况92优化方法概论 11 2.1一维搜索法122.1.1 0.618法 132.1.2 二次插值法(抛物线法) 16 2.2
9、无约束优化方法 20 2.2.1概述 20 2.2.2 DFP法 24 2.3约束优化方法 26 2.3.1概述 26 2.3.2惩罚函数法 30 2.3.3内点法 31 2.3.4外点法 34 2.3.5混合法 363 抽油机的优化设计 37 3.1目标函数37 3.2约束条件38 3.3优化策略与方法40 3.4优化程序41 3.4.1优化程序框图 41 3.4.2 TF优化程序42 3.4.3 AC优化程序42 3.5优化结果424 结论 54参考文献56谢辞56游梁式抽油机的优化设计前言游梁式抽油机的优化方案的可信与否,主要取决于建立数学模型的准确性.设计变量,目标函数,约束条件是数学
10、模型的三要素.选取目标函数约束条件不同,优化结果也不同.抽油机所受载荷比较特殊,很难建立单一函数取得最优解.笔者通过以上冲程最大扭矩因数,上冲程悬点最大加速度,曲柄均方根扭矩最小化,平均效率极大化,交变载荷接近1为目标.各目标虽然相关,但不适合用加权法构造统一目标。所以采用以上冲程,单目标分别求极小值,其余目标综合判优的方法,以求得全局最优解。1抽油机的工作原理游梁式抽油机的整体分为三个部分:一是地面部分游梁式抽油机,它是由电动机,减速箱,和四杆机构组成;二是井下部分抽油泵,她悬挂再套管中油管下端;三是联系地面和井下的中间部分抽油杆柱,它是由一种或几种直径的抽油杆和接组成.由此可见,电动机带动
11、三角皮带带动减速箱后,由四连杆机构把减速箱输出的旋转运动变为游梁驴头的往复运动.用驴头带动光杆和抽油杆作上下往复直线运动.通过抽油杆再将这个运动传递给井下抽油机泵的柱塞.在抽油泵泵筒的下部安装有固定泵,而在柱塞上安装有游动泵.当抽油杆向上运动时,柱塞作上冲程时,固定泵打开,泵从井中吸油,同时,由于游动泵关闭,柱塞将它上面油管中的原油举到井口,这就是抽油泵的吸入过程.当抽油杆向下运动, 柱塞作下冲程时, 固定泵关闭,游动泵打开,柱塞下面的油通过游动泵排到它的上面 这就是抽油泵的出油过程.实际上,游梁式抽油机, 抽油泵相当于一个单缸单作用柱塞泵,只不过将它的水力部分放在井下成为抽油泵,将它驱动的部
12、分在地面变为游梁式抽油机,两者用又韧又长的活塞杆抽油杆连接起来.1.1 常规型游梁式抽油机常规型游梁式抽油机是游梁式抽油机的基本形式之一。他的结构特点是：曲柄连杆机构和驴头分别位于支架的前后两边，曲柄轴中心为于游梁尾轴承的正下方。跟据发动机安装位置的不同，常规型游梁式抽油机有两种结构：其一是将发动机安装于抽油机底座的尾部，是一种多被采用的结构方案。另外一种是将发动机安装于抽油机支架的下面，现在已很少采用。根据减速器安装方式的不同，常规式游梁抽油机也有两种结构：一种是减速器直接安装在底座上，优点是抽油机支架高度底，质量小，这给安装，操作和维修带来了诸多不便；另一种是将减速器安装在钢板焊成的较高的
13、底座，而基础则可降至与地面一样的高度，对抽油机的安装，操作，维修和修井作业比较方面，是目前国内外抽油机生产制造商普遍采用的形式。1.2异相型游梁式抽油机工作原理异相型游梁式抽油机是一种性能优良的游梁式抽油机形式。其外形与常规型游梁式抽油机没有显著差别，其主要不同在于：（1）将减速器背离支架后移，增大了减速器输出轴中心和游梁支点间的水平距离，形成了较大的极位夹角（即驴头处于上，下死点位置时连杆中心线之间的夹角）；（2）平衡块重心与曲柄轴中心连线和曲柄销中心与曲柄轴中心连线之间构成一定的夹角，该角称为平衡相位角。由于异相型抽油机具有较大极位夹角 （一般为12度左右），使得抽油机上冲程时曲柄转过的角度增加12度为192度，下冲程时曲柄转过的角度减少12度为168度。当曲柄转速不变时，就使得悬点上冲程工作时间内大于下冲程时间。因此，上冲程时悬点的加速度和动载荷减小。由于平衡相位角改善了平衡效果，从而使减速器的最大扭矩峰值降低，工
