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常见抽油机运动与动力分析、评价系统的研究 陈磊( 机械设计及理论) 指导教师：綦耀光教授 摘要 抽油机是油田有杆抽油系统的地面驱动设备，其数量占油罔采油设 备总数的9 0 以上，其中由游梁式抽油机构成的有杆采油设备应用最广。 本文对后置式游梁抽油机、前置式游梁抽油机、双驴头式游梁抽油机、 摆杆式游梁抽油机、偏轮式游梁抽油机、链条式抽油机进行了研究，对 其进行了运动学、动力学分析。 首先，根据评价分析的基本原理，建立了评价抽油机性能的基本评 价指标体系，并设计了可以修改的评价指标和权值的软件结构，方便专 家的修改。 其次，结合现有抽油机的工作原理，分析了油阳在役的主要抽油机 的运动学和动力学特性，建立了主要机型运动学、动力学分析的数学模 型，为抽油机的评价提供了理论依据。 再次，利用d e l p h i 编制了常见抽油机分析、评价系统软件，软件能 够动态地反映几何参数的变化对抽油机主要性能的影响情况。提供了评 价系统的接口，新添加的抽油机可以直接调用评价系统对抽油机进行评 价。 最后，对主要抽油机的性能进行了分析对比：对游梁复合平衡抽油 机游梁平衡偏置角的合理性进行了讨论，说明了比较合理的平衡偏置 角。 关键词：抽油机，评价，分析，游梁复合平衡 s t u d yo nk i n e m a t i c sa n dd y n a m i ca n a l y s i sa n d e v a l u a t i o ns y s t e mo fp u m p i n gu n i t s c h e nl e i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq iy a o g u a n g a b s tr a c t p u m p i n gu n i t sa r ed r i v e so nt h eg r o u n do f r o dp u m p i n gs y s t e mi no i l f i e l d t h e i rq u a n t i t yi so v e rn i n e t yp e r c e m so f t h ew h o l eq u a n t i t yo f t h e e q u i p m e n t so f o i le x t r a c t i o ni no i lf i e l d a m o n gt h e s ep u m p i n gu n i t s ，t h eu s e o f b e a mp u m p i n gu n i t si st h eb r o a d e s t i nt h i st h e s i s ，t h eb a c k p l a c e db e a m p u m p i n gu n i t ，t h ep r e f i xb e a mp u m p i n gu n i t ，t h ed o u b l eh o r s eh e a db e a m p u m p i n gu n i t ，t h es w i n gp o dp u m p i n gu n i t ，t h eo f f s e tw h e e lb e a mp u m p i n g u n i ta n dt h ec h a i nd r i v ep u m p i n gu n i ti ss t u d i e d ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c h a v eb e e nm a d e f i r s t ，p r o v i d e sas e to fc o n s u m m a t ei n d e xa n dm e t h o dt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fp u m p i n gu n i t s t r u c t u r eo fs o f t w a r ew a ss c h e m e do u tw h i c h c a nr e e d i t s e c o n d ，t h ed e t a i l e da n a l y s i sa n dc a l c u l a t eo ft h ed y n a m i c sa n d k i n e m a t i c sa b o u tp u m p i n gu n i tm e n t i o n e di nt h et h e s i s p r o v i d et h e o r e t i c f o u n d a t i o nf o re v a l u a t ep u m p i n gu n i t f i n a l l y , t h es o f t w a r eo fa n a l y s i sa n de v a l u a t ep u m p i n gt m i th a sb e e n d e v e l o p e dt h r o u g hd e l p h ic o m p u t e rl a n g u a g e i tc a nr e f l e c tt h ei n f l u e n c eo f t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so f p u m p i n gu n i t i tc a ne v a l u a t ep u m p i n gu n i tf r o m m a n ya s p e c t s ，r e f l e c tt h ep e r f o r m a n c eo f p u m p i n gu n i to f e v a l u a t e d k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t ，e v a l u a t i o n ，a n a l y s i s ，c o m b i n e db a l a n c e b a 】a n t e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 签名：盈盈卯7 年铲月伽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 年峰月洳同 年乎月矽闩 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 随着我国市场经济不断发展，市场开放程度越来越大，竞争更加激 烈。为提高市场竞争力，油田企业必须加大资金投入，采用新型节能型 抽油机，并降低各种成本，包括设计成本、生产成本、油田管理成本等。 而新型抽油机种类繁杂，没有统一的抽油机评价体系，使得制造试验和 引进新型抽油机时有很大的盲目性。 在油田的使用中，仅链条式抽油机就有多种，这些抽油机的优缺点 均基本相同，但都需要试验，于是造成了重复试验，浪费了资金。结构 雷同的六连杆抽油机，在油田也先后试验过多种机型，有的还推广了一 定的批量，这些机型与四杆机构的游梁式抽油机比较，没有显著的优点， 并且故障率、制造成本等较高，不仅增加了管理费用，而且降低了系统 效率，造成了较大的经济损失。在2 0 0 1 年，油用引进了一种摆杆式抽油 机，只经过较小批量的试验后，即推广应用6 0 台，由于机型存在缺陷， 使用不n 3 年，抽油机即大面积报废，目前仅1 2 台在使用。所以需要建 立一个抽油机分析、评价系统，按照统一的抽油机评价体系，对抽油机 的特性进行分析，并且可以把分析数据转化为评价结果。 将评价系统用软件实现，这样可以大大减少设计时间，在设计阶段 就可预知抽油机的性能，并且可以使用评价系统对抽油机的综合性能做 出评价。这样可以避免浪费大量的人力、物力和时间，减少了设计成本、 试验成本和生产成本。 本文主要的研究工作是； ( 1 ) 对常见抽油机和机械评价方法进行了调研，利用评价分析的 基本原理，初步建立评价抽油机性能的基本评价指标体系。 ( 2 ) 结合现有抽油机的基本工作理论对后詈式游梁抽油机、前置 式游梁抽油机、双驴头抽油机、摆杆式抽油机、偏轮式抽油机、链条式 抽油机这几种常见抽油机的运动学、动力学的计算问题进行了详细的分 析，为抽油机的运动学和动力学性能提供必要的数据，是抽油机评价系 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 统的重要组成部分。 ( 3 ) 利用d e l p h i 语言编制常见抽油机的分析、评价系统软件，该系 统可以进行抽油机的速度、加速度、减速器输出轴扭矩等运动学和动力 学分析，可以反映抽油机的几何尺寸对抽油机主要性能的影响情况。评 价系统则可以根据分析的结果，和使用者对评价选项的填选，给出对抽 油机的评价结果。 2 中国石油人学( 华东) 硕十论文第2 章抽油机设计与评价技术的发展 第2 章抽油机设计与评价技术的发展 2 1 抽油机设计发展概况 2 1 1 常规游梁式抽油机 常规游梁抽油机自诞生以来，历经数百年的使用，经历了各种工况 和各种地域油b = l 生产的考验，经久不衰。目前仍在国内外普遍使用。 常规抽油机以其结构简单、耐用、操作简便、维护费用低等明显优势， 而区别于其他众多抽油机类型，一直占据着有杆泵采油地面设备的主导 地位。在长期的生产使用中，油田的经营者发现常规抽油机既有它的优 势，也有它的缺点。为追求开采效益最大化，从最少的投入换取最大的 回报，就会同研究抽油机的科研院所和生产厂家联合开发节能高效的新 型抽油设备。国内外的研究者采取了两个途径：一个是在常规抽油机的 基础上进行技术革新和创造，继承其优点，克服其缺点，从平衡方式上 着手攻关，按照变矩平衡原理，研制开发了许多新型游梁抽油机，于是 传统的游梁式抽油机又呈现出强大的生命力；另一个是从原理到结构形 式上另辟新径，研制丌发非四连杆机构的新型节能抽油机，如立式无游 梁抽油机，电动潜油螺杆泵和无杆泵等。这两大类抽油机都在油阳上有 一定的应用条件和范围川。 2 1 2 无游梁式抽油机 2 0 世纪7 0 年代以来，各种形式的无游梁式抽油机应运而生，相继问 世，使有杆泵机械采油有了新的形式。目前，国内外有近百家厂商研制 无游梁抽油机，主要类型有链条式抽油机、皮带式抽油机、直线电机抽 油机、天轮式抽油机、电动潜油螺杆泵等。无游梁式抽油机以其易实现 长冲程的特点，在采油设备中占有一定的优势，但是也有许多问题有待 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章抽油机设计与评价技术的发展 解决。 2 2 机械评价方法发展概况 机械评价方法从总体上可将常用的综合评价方法分为j ：专家评价 法、经济分析法、运筹学和其它数学方法。 2 2 i 专家评价法 专家评价法是以专家的主观判断为基础，通常以“分数”、“指数”、“序 数”、“评语”等作为评价的标值，对评价对象做出总的评价的方法。常用 逐步形成群体意见的方法( n g t ) 和美国兰德公司的专家于1 9 6 4 年提出 的德尔菲法【”、评分法1 3 1 、分等方法( r a n k i n gt e c h n i q u e ) j 、加权评 分法( r a t i n gt e c h n i q u e ) 【6 1 、优序法1 3 】等。这类方法由于比较简单，因 而也得到了广泛的应用，如用于科研生产力评价、大学科研成果评价、 城市环境综合整治与定量考核【7 l 及企业经济效益的考核【8 j 等。 2 2 2 经济分析法 经济分析法是一种以事先议定好的某个综合经济指标来评价不同对 象的综合评价方法，常用的有：直接给出综合经济指标的计算公式或模 型的方法【3 】费用效益分析法( c o s t b e n e f i ta n a l y s i s ) 吲等。该类方 法常用于新产品的开发、科技成果和经济效益的评价、区域经济不平衡 发展的程度【1 0 l k 投资项目的各种评价】等。 2 2 3 运筹学和其它数学方法 运筹学和其它数学方法用到的数学知识更多一些，目前国内用得较 多的有以下几类： ( 1 ) 多目标决策方法m o d m ( m u l t io b j e c t i v ed e c i s i o nm a k i n g ) 方 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章抽油机设计与评价技术的发展 法本身有很多种方法【亿叫卯，但大体上有以下几种化多为少法( 即通 过多种汇总的方法将多目标化成一个综合目标来评价，最常用的有加权 和方法、加权平方和方法、乘除法和目标规划法等) ；分层序列法( 即 将所有目标按重要性次序排列，重要的先考虑) ；直接求所有非劣解的 方法；重排次序法( 如e l e c t r e 法) ；对话方法等。多目标决策方法和 理论的研究，近十年来有了很大发展，计算机的广泛应用，人工智能、 知识工程和专家系统的飞速发展，决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，d s s ) 的研究与开发，与m o d m 的理论和方法一起有力地促进 了管理决策科学化的进程，广泛应用于社会、经济和工程等领域卜坶j 。 ( 2 ) 数据包络分析法d e a ( d a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s ) 方法和模 型f 2 0 - 2 2 堤1 9 7 8 年由美国a c h a m e s 和w w c o o p e r 等人首先提出的，它用 来评价多输入和多输出的“部门”( 称为决策单元) 的相对有效性。d e a 方法可以看作是一种非参数的经济估计方法，实质是根据一组关于输入 输出的观察值来确定有效生产前沿面。可以证明，d e a 有效性与相 应的多目标规划问题的有效解( 或非支配解) 是等价的川。d e a 方法的 应用领域也很广泛，可以用于多种方案之间的有效性评价、技术进步评 价、规模报酬评价及企业效益评价等等。 ( 3 ) 层次分析法a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) 是7 0 年代由著名 的运筹学家t l s a a t y 提出的，它的基本原理【2 卜”】是根据具有递阶结构的 目标、子目标( 准则) 、约束条件及部门等来评价方案，用两两比较的 方法确定判断矩阵，然后把判断矩阵的最大特征根相应的特征值的分量 作为相应的系数，最后综合出各方案各自的权重( 优先程度) 。该方法 把复杂问题分解为各组成元素将这些元素按支配关系分组得到各组 相对于该问题的相对权值，而后以各组作为问题，往下细分成各组成元 素，并求权重。如此往复，直到无法再细分为止。丽在评价时，可以自 底向上逐级评价往上递推，最后得到评价目标的评价结果。由于层次分 析法细分评价项目的结果，虽然在评价目标树的各层上都存在人为因素 的影响，但是由于该层在整个评价目标树中所占比重加权小得多，因此 它对整个评价结果的影响也比较小。而且对于微小部分的评价，由于网 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章抽油机设计与评价技术的发展 络的细分也可以得到反映，并递推到总体评价值中去，它弥补了加法评 分法与加权评分法的不足。该方法作为一种定性和定量相结合的工具， 目前已在油价规划、教育计划、钢铁工业未来规划、效益成本决策、资 源分配和冲突分析等方面得到了广泛的应用1 2 6 1 。 ( 4 ) 模糊综合评价法f c e ( f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ) 方法 是一种用于涉及模糊因素的对象系统的综合评价方法。由l a z a d c h 于6 0 年代提出模糊集的概念后，模糊数学在评价与决策方面获得了广泛的应 用。构成模糊综合评价的集合有：评价对象集、评价指标集、权重集与 结果集，常用的方法有多目标模糊评价、模糊数评价2 8 1 、灰色关联模 糊评价【2 9 1 等，该方法由于可以较好地解决综合评价中的模糊性( 如事物 类属间的不清晰性，评价专家认识上的模糊性等) ，更加适宜于评价因 素多、结构层次多的对象系统，因而该方法在许多领域得到了极为广泛 的应用1 3 0 3 2 1 。 ( 5 ) 数理统计方法主要是应用其中的主成分分析( p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ) 、因子分析( f a c t o ra n a l y s i s ) 、聚类分析( c l u s t e r a n a l y s i s ) 、判别分析( d i s c r i m i n a t ea n a l y s i s ) 等方法对一些对象进行分 类和评价等等，该类方法在环境质量、经济效益的综合评价以及工业主 体结构的选择等方面得到了应用p j ”。 2 3 小结 本章主要介绍了抽油机设计的发展概况和评价机械的常用评价方 法，其是建立抽油机评价体系的理论基础之一 6 中国7 i 油人学( 华东) 硕十论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 第3 章抽油机评价体系与方法的建立 3 1 确立评价指标体系的作用 所谓指标，就是指在评价不同的项目方案时，通常确定的评价依据 和标准。指标一般是一个数量概念，用来反映项目管理活动某一方面的 状况【l ”。所谓指标体系，则是指由单项评价指标组成的有机整体，它所 反映的是项目管理活动的综合状况和整体状况。 任何事物都是质和量的统一体，单从一个方面评价事物，无法准确 地反映其全貌。抽油机也有质和量两个方面，应从质和量，即定性和定 量，两个方面结合起来进行综合评价。从质上评价，考察抽油机的悬点 加速度、关键部件受力、均方根扭矩等影响抽油机效率和寿命的运动学 性能和动力学性能。量上可考察抽油机的配套服务、制造成本、对周围 环境的影响等。 定性评价与定量评价相结合，则更能准确的评价抽油机。抽油机的 评价必须定性与定量评价相结合，只有这样，才能克服评价过程中的主 观性、片面性。 为此必须建立一种科学的评价指标体系。该指标体系，要具体明确， 既能反映抽油机的性能、质量、效益，又便于操作和进行数据处理；要 有综合性，能综合评价抽油机的运动性能、动力性能、可靠性、经济性、 社会性等，且各项所占权重适当。评价指标体系的科学合理是抽油机评 价的科学合理的基础保证。 在指标体系中，评价指标一般是按级来划分，上级指标规定和制约 下级指标的内容与范围，而下级指标的完成则对上级指标起到一种保证 作用。指标级数越高，指标越抽象和概括，指标级数越低，则指标越具 体明了。 7 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 3 2 评价指标体系的制定原则 由于抽油机类型多种多样，不同类型的抽油机有不同的设计、使用 要求和环境特性，因此制定合理、全面的评价指标体系是对抽油机进行 综合评价首先要解决的问题，其选择是否合理决定了该综合评价效果的 好与坏。因此，为了给出一种合理的、便于计算的评价方法，建立套 能准确反映实际情况的评价指标体系是至关重要的。对指标体系的选取 要遵循以下原则： ( 1 ) 综合性原则指标体系应能够全面反映抽油机的综合情况，应 能从技术、经济、环境等多方面进行评价分析，充分利用多学科知识以 及学科间的交叉和综合知识，以保证综合评价的全面性和可靠性。 ( 2 ) 目的性原则选定指标是为了反映评价对象，因此所有指标都 应具有较强的目的性，都是为了反映系统的综合性能。 ( 3 ) 科学性原则力求客观、真实、准确的反映抽油机的属性。有 些指标可能目前尚无必要获取数据或者难以获取确切的数据，但与综合 评价关系较大仍可作为建议指标提出。 ( 4 ) 系统性原则综合评价的指标应广泛、系统，要能反映抽油机 的技术属性、环境属性、能源属性和经济属性等的各项指标，以期充分 反映抽油机的优劣水平，并注意从中抓住影响较大的主要因素。 ( 5 ) 系统性原则指标体系的设定要具有可操作性和实用性，要考 虑到评价指标数据收集时和综合评价模型使用时方便、快速。评价指标 应有明确的含义和一定的现实统计作为基础，可以根据数量进行计算分 析。同时，指标项目要适量，内容应简洁、适合实际，方法可行。在满 足有效性的前提下，尽可能清晰简便。 ( 6 ) 静态评价和动态评价相结合的原则有的评价指标受市场及用 户需求等因素的制约，对抽油机的要求也将随着工业技术的发展和社会 的发展而不断变化。在评价中，既要考虑到被评对象的现有状态，又要 充分考虑到未来的发展。所选指标不仅要能够反映一定时期内系统的变 8 中国t i 油人学( 华东) 硕十论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 化，而且要具有适时性，在指标容易发生变化时也能适用。 ( 7 ) 定性评价和定量评价相结合的原则在评价中，既要把握被评 对象“质”的一面，对其进行定性分析，又要把握住被评对象“量”的 一面，对其进行定量分析，即评价指标尽可能的量化。但对某些指标量 化难度较大，此时也可采用定性指标来描述，以便从质和量的角度，对 评价对象得出科学的评价结论。 ( 8 ) 不相容性原则评价项目众多，应尽可能避免相同或含义相近 的指标重复出现，做到简洁、概括并具有代表性。 3 3 抽油机评价指标体系的建立 根据以上原则，我们从技术方面考虑，在运动、动力特性选取了抽 油机的悬点加速度、扭矩因数，因为其大小和变化规律对抽油机的悬点 载荷以及减速器输出轴的扭矩特性均有较大影响；关键部件受力、减速 器峰值扭矩、最大负扭矩，因为其为抽油机中零件的强度和刚度的选择 依据，并关系着抽油机的使用寿命；均方根扭矩则反映抽油机的能耗和 选用电机功率的大小。 从经济方面考虑，抽油机的花费主要有制造成本、运行成本；抽油 机是在无人看管的情况下运行的。一旦某个部件损坏就无法正常工作， 直接影响采油量，所以可靠性也非常重要，其中整机寿命、大修时间、 平均故障，可以反映抽油机在使用过程中总体的可靠性；超载荷能力反 映抽油机对工况的适应能力；易损件数量、易损件寿命直接反映抽油机 的故障发生概率。 其他方面，抽油机从生产到安装使用是一个连续的过程，每一个环 节都会对抽油机产生影响，这里我们要考虑抽油机的使用性，如操作安 装、使用维护是否方便，抽油机对环境的适应性如何；抽油机的配套服 务，如说明文件和附件是否齐全，易损件的供应情况。由于抽油机的某 些工作环境就在城市中，距离居民区较近，所以其外观造型和噪声也在 评价之中。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 我们初步建立的抽油机评价指标体系如下图3 1 所示。 抽油机评价指标 运动与动力性能 经济性 芝篝譬套 悬点加速度 扭矩因数 均方根扭矩 关键构件受力 减速器峰值扭矩 减速器最大负扭矩 f 整机寿命 l 大修时间 可靠性 薹袭芸霪力 l 易损件数量 i 易损件寿命 使用性 蕃蓄霾耋性 f 附件齐全 配套服务 易损件供应 i 文件齐全 社会性 荠嘉 图3 一i 抽油机评价指标体系 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 3 4 合理计算指标权重的意义 在建立的指标体系中，各评价指标对评价结果所起的作用是完全不 相同的，有些指标对评价结果所起的作用大，评价结果对其敏感度较高。 有些指标对评价结果所起的作用小，评价结果对其敏感度较低。所以在 指标体系确定之后，还要确定各个指标的权重。权重是表征某一指标在 整个指标体系中所具有的重要程度，它是指标体系的重要组成部分，合 理地计算各指标权重对保证指标体系科学化至关重要【l5 1 。权重的确立直 接影响着评价的结果，权重值的变动可能引起被评价对象优劣顺序的改 变。因而，科学的确定评价指标权重在多指标评价中是举足轻重的。即 某评价指标越是重要，则该指标的权重系数越大；反之，权重系数就越 小。按统计学中的归一化原理，同一级指标的权重之和等于l 。 目前，计算指标权数的方法较多，基本上可以归纳为两大类：主观 赋权法、客观赋权法。 ( 1 ) 主观赋权法评价者根据客观环境对指标重要程度给出人为的评 价。其特点是各评价指标的权数值是由专家根据自己的经验和对实际的 判断主观给出的，专家根据实际情况，合理确定各指标体系之间的排序， 虽然不能准确地确定各指标的权数，但是它可以有效地确定各指标按重 要程度给定的权系数的先后顺序。通常，选取的专家不同，得出的权数 也不同。常用的有层次分析法、德尔菲法、经验权数法、专家评判法等。 ( 2 ) 客观赋权法这种方法可以从不同的角度，根据指标数据的变动 规律所提供的信息来计算权值。客观赋权法的原始数据来自于评价矩阵 的实际数据，切断了权重系数主观性的来源，使系数具有绝对的客观性。 其基本原理是：若评价指标对所有决策方案而言均无差异，则指标对决 策方案的排序将不起作用，这样的评价指标可令其权系数为零；若评价 指标对所有决策方案的属性有较大差异，这样的评价指标对方案的决策 排序将起重要作用，应给予较大的权系数。但这种方法存在一个不可避 免的缺陷，就是确定的权系数有时与实际相悖。常用的有群决策方向合 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 成法、主成分分析法、因子分析法等。 这里我们用判别表法举例，具体数据如下表3 1 ，判别表法根据评价 指标的重要程度两两加以比较，并给分进行计算。两指标同等重要各给 2 分；某一项比另一项重要则给3 分，否则给1 分：某一项比另一项重要 的多则给4 分，否则给。分；同等重要则给2 分。将各评价指标的分值列 于表中，计算出加权系数。 表3 1 峙蓑 ) 巨 经 可 使 配 社 ， 动、济靠用 套 会f 7 口，2 1 一 露 力性性性 服 z 性 务 性 能 运动、 动力323341 5o 2 5 性能 经济 l i 3 33l lo 1 8 3 性 可靠 2334 41 6 0 2 6 7 性 使用 l1l33 9 0 1 5 性 配套 11 0 136 o 1 服务 社会 ol0113 0 0 5 性 由于抽油机的工作环境不同或评定重要性的专家看法不同，所设置 的工作指标的重要性不相同，所以得到的抽油机各项指标的权值也不相 同。需要根据具体情况来设定，在随后的软件设计中，我们将其设为可 1 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 改变的变量，来适应不用的工作状况或不同专家的看法。 3 5 抽油机总体性能评价方法 3 5 1 确定评价指标的层次 2 1 。 设评价指标集合为： u = 函。，“：， ( 3 5 1 ) 对评价指标子集“，进一步划分，记做： “，= 伽。”。，“m o = l ，2 ， ) ( 3 5 2 ) 式中k 为第二层的评价指标数，抽油机的评价指标层次体系见图 3 5 2 建立加权系数集 根据每一层次中各个指标的重要程度，分别给每一个指标赋以相应 的加权系数，得到不同层次各个指标的加权系数集。 第一层各个指标的加权系数集： 彳= o l ，口2 ，口。) ( 3 - 5 3 ) 式三p ，( f = 1 ，2 ，刀) 表示第一层中第f 个评价指标虬的加权系 数，且有，o ， 口，= l ，则第二层各个指标的加权系数集为： i l 爿，= ( 口l l ，口f 2 ，口m ) ( 3 5 4 ) 式中口。( f = 1 ，2 ，疗；，= 1 ，2 ，七) 表示第二层中决定评 中国石油大学( 华东) 硕七论文第3 章抽油机评价体系与方法的建宴 t 价指标虬的第，个评价指标“。的加权系数，并有口。0 ，= i 。 3 = 1 具体权值计算方法可以参照2 4 节中的计算方法，或根据具体情况由专 家直接制定。 3 5 3 计算总分 为了全面考虑各种性能指标以及它们对抽油机总体性能影响的不 同程度，能得到较合理的评价结果，总分计分采用加权计分法。 设总评价指标集合u 的评分为p ，评价指标子集“，的评分为尸，评 价指标子集材，中的第歹个指标的评分为巴，那么评价指标子集h ，中的七 个指标的评分矩阵为： p = 陋。只：b 】( f = 1 , 2 ，月) ( 3 - 5 5 ) 评价指标子集的评价有效值为： n ，= 爿，只7 = k ，1q 2 只 p ： ： 只 ( 3 - 5 6 ) 总评价指标集合u 的评分矩阵为： 尸= 【n 2 m 】 ( 3 - 5 7 ) 则【，的综合评价有效值为： = a p 7 _ - p 口：】 只 只 ： 只 ( 3 - 5 8 ) 对抽油机进行评价时，值越大表示抽油机的总体性能越好。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章抽油机评价体系与方法的建立 3 6 小结 本章讨论了评价指标体系的作用和制定评价指标体系的原则，初步建立 了抽油机的评价指标体系和方法。权值的确定应该根据具体的情况来设定， 本章用判别表法给了一个权值计算的简单例子供参考，专家也可以直接根 据经验设定权值。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 第4 章常见抽油机的运动与动力分析 4 1 抽油机基本工作原理 抽油机是有杆抽油系统的地面驱动装置，一般由驱动减速系统、换向系 统、平衡系统和支撑系统组成。如常规游梁式抽油机，其减速系统将动力 机的高速旋转变为曲柄轴的低速旋转运动，由曲柄一连杆一游梁一支架组 成的连杆机构将曲柄的旋转运动变为驴头悬绳器的上下往复运动，悬绳器 下接抽油杆，抽油杆带动抽油泵柱塞在泵筒内作上下往复直线运动，从而 将油井内的原油举升到地面，达到抽油的目的，一般有杆采油系统的构成 如图4 1 所示。不同的抽油机，通常选用不同的换向机构或平衡方式。 稳 定 站 图4 】有杆采油系统的构成 典型的游梁式抽油机的结构如图4 2 所示。电机换向抽油机的结构如 图4 3 所示。 1 6 主里互迪查兰! 兰查! 堕主丝奎 苎! 皇堂里垫鎏垫竺至垫皇垫垄坌堑 图4 - 2 典型游梁式抽油机 图4 - 3 电机换向抽油机 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 4 2 抽油井地面动力示功图确定 为了计算抽油机所承受的载荷，进行抽油机的动力分析和强度计算，进 行抽油机的类比和对比分析，必须首先确定抽油井的地面动力示功图，它 是抽油机设计和动力分析的初始条件，也是表明抽油机适用范围和性能的 重要依据，只有准确地确定了设计抽油机的悬点载荷变化规律，才能准确 地对其各部件的受力状态和减速器扭矩变化规律等进行分析，合理地优选 抽油机的结构尺寸。 以前国、内外以动力特性为目标进行抽油机优化和评价抽油机产品时， 其地面动力示功图大都是通过人为的选择某一种特殊井况来确定的。这样 设计出的抽油机很难确定是否能承担该机所有工作的各种井况或主要井况 的工作情况，很难全面考验抽油机，使设计缺乏理论依据，同时，选择的 示功图不同，使抽油机之间动力性能的对比变得毫无意义。所以，抽油井 地面动力示功图选择的好坏，决定了抽油机优化设计结果的可信程度和抽 油机适用范围。 文献【3 6 】中提出了用一种能包容抽油机全部工作状况的抽油井地面动力 示功图作为抽油机设计的依据。其从收集来的大量现场实际示功图出发， 运用多元统计分析的理论，结合理论研究成果和现场实际经验，给出了一 种能预测在正常抽汲工况下的油井地面示功图参数的方法。此示功图能反 映出现场中的主要工况，全面真实地检验游梁抽油机，可以作为抽油机设 计、评价的标准，在对抽油机进行动力分析时，我们就采用了这种示功图 作为该抽油机分析的依据。 图4 4 是考虑了惯性与振动载荷后的典型地面示功图式样，从图可知， 该示功图的特点是：上冲程抽油机的载荷是先增后减，下冲程的载荷是先 减后增，示功图呈近似平行四边形的形式。对该理论示功图进行简化，得 出一种标准示功图式样，也就是模型示功图，如图4 5 所示。本文的计算， 就是以模型示功图为依据进行的。当然，对于实际的工况，也可按照实际 计算载荷进行。 1 8 中国 i 油大学( 华东) 硕十论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 图4 4 抽油机典型地面示功图 图4 5 抽油机模型示功图的定义 4 3 后置式游梁式抽油机的运动、动力分析 4 3 1 后置式游梁抽油机简介 后置式游梁抽油机是游梁式抽油机的基本形式之一。它的结构特点 是：曲柄连杆机构和驴头分别位于支架的两侧，曲柄轴中心基本上位于 游梁尾轴承的正下方。它主要由动力机、减速器、曲柄、连杆、横梁、 驴头、支架、底座、刹车装置、悬绳器以及平衡重等部分组成。抽油机 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 的动力机有电动机和天然气发动机等，目前应用最多的是电动机。 4 3 2 后置式游梁抽油机的运动学分析 抽油机运动分析的目的是：对应于抽油机某一曲柄旋转角速度，求 出驴头及各铰接点的位移、速度和加速度随时间或曲柄旋转角的变化规 律，为进行载荷、扭矩等的动力学分析和计算提供依据。 后置式游梁抽油机的机构简图如图4 - 6 所示。 04 铆￥( 1 l j ，7 ka x 芦 、r 、 k p 。 0 、32 。一：一 h | 。 7 7 k 一一 02 。 ! 奄乡 ； 0 ? 图4 - 6 后置式游梁抽油机机构简图 由机构简图可得几何关系： k = ，2 + h 2 ( 4 3 1 ) 式中：x 基杆长度，单位：m ： ，基杆的水平投影。单位：m ； 打减速器输出轴至游梁支撑中心的垂直距离，单位：m 。 口= 删n ( i i ) ( 4 - 3 - 2 ) 中国彳i 油大学( 华东) 硕士论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 式中：口基杆与y 轴的夹角，单位：。 岛= 2 n 一0 + 口 ( 4 3 - 3 ) 式中：口曲柄与y 轴的夹角，单位：o 。 上= r2 + k2 2 r k c o s 0 2 式中：r 曲柄半径，单位：m ： 工曲柄销中心至游梁支撑中心的距离 p i n ( 争岛) 式中：基杆与l 的夹角，单位：m 。 岛。s 学卜 式中：p 连杆长度，单位：m ； c 游梁后臂长度，单位：m ； 只连杆与基杆的央角，单位：o 。 见= ( 4 3 4 ) 单位：m 。 ( 4 3 5 ) ( 4 3 6 ) ( 4 3 7 ) 式中：以游梁后臂与基杆的夹角，单位：。 一c c o s ( 掣 ( 4 - 3 - 8 ) 式中：z 游梁后臂与l 的夹角，单位：。 2 1 中国打油人学( 华东) 硕十论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 为： 卢：a r c c 。sc + p 2 _ l 2 一 ( 4 - 3 - 9 ) 舻掀0 5 lm j 式中：后臂与连杆的夹角，单位：6 争= z + p 脚= 0 ( 4 3 1 0 ) ( 4 3 1 1 ) 式中：m 为曲柄旋转角速度，单位：s 一。 由后置式游梁抽油机机构简图中各矢量关系可得运动封闭方程为： ir c o s 0 2 + p c o s 0 3 = c c o s 0 4 【r s i n 0 2 + p s i n 0 3 = c s i n 鼠 将方程两边对时间r 求导可得： i r 臼2s i n 0 2 + p 岛s i n 0 3 = c o , s i n 0 4 【r 岛s i n 0 2 + p 岛c o s 0 3 = c o , c o s 0 4 联立方程，求解得连杆及游梁运动的角速度0 3 ，六： s i n 一吼) ( 4 3 1 2 ) ( 4 3 1 3 ) 将( 4 3 1 4 ) 对时间，求导，可得连杆及游梁运动的角加速度谚，反 岛= 岛 只= 只 幺) c o t 魄一致) + 乜一幺) c o t 轵 一六) c o t ( o ，一吼) + 攸一幺) c o t ( 0 2 由此可得悬点的速度和加速度分别为： 一易) ! ( 4 3 1 5 ) 一刚l j 剽 堕_ 丝c l l = 怜 一旧 旺缸 一 一 。岛一岛。岛一包 11 pl 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 v = a 0 4 ( 4 3 1 6 ) a = 一只 ( 4 3 - 1 7 ) 式中：4 一游梁前臂长度，单位：m 。 当悬点处于下死点和上死点位置时，游梁后臂和基杆之间的最大夹 角和最小夹角为： 矿一= = 一s ( 学) r c 2 + k 2 一( p r ) 21 ar c c o s l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - - - - - - - - - - - - l l l 2 c k j ( 4 3 1 8 ) ( 4 3 1 9 ) 悬点冲程长度s 为： - 一 s = 爿0 一一九。) ( 4 3 2 0 ) 以下死点为位移的零点，向上为位移挣方向，则任意时刻悬点的位 移墨为： 扭矩因数面为 s 。= 4 一一庐) ( 4 3 2 1 ) 丽：兰 ；国 4 3 3 后置式游梁抽油机的动力学分析 ( 4 3 2 2 ) 由于连杆本身的重量较小，忽略本身的重量，可以看为二力杆，取 游梁为分析对象有： 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第4 章常见抽油机的运动与动力分析 p i 芏i4 - 7 游梁受力伺图 由游梁受力简图可得： g ，三，c o s ( 8 一c r ) + r 2 s c s i n , u = p a + j b s 6 + g y l oc o s ( v 一盯) ( 4 3 2 3 ) 于是连杆拉力r 。，为： r 2 3 ；里兰：! ! ! 堕二! ! 二! 二生鱼二堡兰! 竺! 竺二! ! ( 4 3 2 4 ) ls i n 式中：g p 游梁平衡块重，单位：k n ； 上，游粱平衡块重心至支撑中心的距离，单位：m ； 6 厶与游梁后臂的夹角，单位：o ； y 厶与前臂的夹角，单位：。； 盯游梁后臂与水平线的夹角，单位：。： a 连杆与后臂的夹角，单位：o ； p 悬点载荷，单位：k n ； 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 厶游梁和驴头重心q 距离支撑中心的距离，单位：m l 以游梁转动惯量，单位：t m 2 ； 毛悬点加速度，4 a , t 立：s ； r ：，连杆拉力，单位：k n ； g 。游梁和驴头的重量，单位：k n 。 支架水平受力b ( 指向井口为正) 为： r ，= r 2 3c o s 0 + 盯) ( 4 3 2 5 ) 支架垂直受力r 。( 向上为f ) 为： r ，= - ( e + g y + g p + r 2 3s i n 0 + 盯” ( 4 3 2 6 ) 取曲柄为分析对象有： 图4 - 8 曲柄受力简图 由曲柄受力图可知曲柄轴水平受力r 。( 指向井e l 为正) 为： r m = 一r ( 4 3 2 7 ) 曲柄轴垂直受力r 毋( 向上为正) 为： 2 5 溪 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 r 回= r 2 3s i n ( r + c 0 - g g g r ( 4 3 - 2 8 ) 式中：g 。曲柄平衡块重，单位：k n ： g 。曲柄自重，单位：k n 。 减速器输出轴扭矩l 为： 瓦= r ：，rs i n r - g q l qs i n ( 0 一f ) 一g 。三 s i n ( 口一r ) ( 4 3 2 9 ) 式中：三，曲柄平衡块重心0 。至曲柄轴的距离，单位：k n ： k 曲柄长，单位：蝌； f 平衡相位角，单位：o 。 由此可得均方根扣矩： t = 痧z 厨 ( 4 ，3 3 0 ) 本节给出了后置式游梁抽油机的运动、动力特性的计算方法，按照 此方法也可以计算游梁复合平衡抽油机的运动、动力特性，并为合理选 择电动机、平衡重提供了理论依据。 4 4 前置式游梁抽油机的运动、动力分析 4 4 1 前置式游梁抽油机简介 前置式游梁抽油机的基本结构与后置式游梁抽油机相比，有较大的 改变。首先，将横梁铰接点由常规后置式抽油机的尾端，移到了中央轴 承座与驴头之间，此结构称之为前置式游梁抽油机；其次，平衡块和连 杆铰接点分别置于曲柄两端，减速器输出轴在曲柄中问，且曲柄中心线 中国石油大学( 华东) 硕七论文第4 章常见抽油机的运动与动力分析 与平衡重中心线偏离了一个相位角，结构比较紧凑。 4 4 2 前置式游梁抽油机运动学分析 前置式游梁抽油机的机构简图如图4 - 9 所示。 4 h 氏i 丁了r 7 j ， 1 | o 【 、 ，- j 、，f； k1 1 、 届 、 、03 j i 稍 一i 、一平r ? 图4 - 9 前置游梁抽油机机构简图 由机构简图可几何关系： k ：压i 式中：k 基杆长度，单位：m ： ，基杆的水平投影，单位：m 一j h 减速器输出轴至游梁支撑中心的垂直距离，单位：m 。 口i n ( 爿( 4 - 4 - 2 ) 式中：口基杆与y 轴的夹角，单位：o 。 岛= 万一口一口； 式中：口曲柄与y