抽油机平衡计算本03讲稿

1、1 四、抽油机平衡计算 问题提出： (1)为什么要研究抽油机平衡问题（或不 平衡所带来的后果）。 （2）如何计算或检查抽油机的平衡。 2 从前面的悬点载荷计算，可知：当抽 油机不加平衡装置时， 上冲程：悬点承受最大载荷，电动机 做功（正功）提升负荷。 下冲程：悬点在抽油杆的自重作用下 克服浮力下行，即电动机不仅不需要对 外做功，反而是抽油杆带动电动机转动， 电动机做负功。 这就造成了抽油机在上下冲程中的不 平衡。 3 抽油机运动不平衡的后果： （1）电动机的负荷不均匀，造成功率的 浪费和效率降低。 （2）由于由于这种不平衡使抽油机发生 振动，容易引起事故，影响抽油机装置 的寿命。 （3）破坏曲

2、柄旋转适度的均匀性，影响 抽油杆和泵的正常工作。 所以抽油机必须安装平衡装置。 4 （一）平衡原理 叙：解决问题的思路： 1）假定安装了一平衡装置后，使得 电机上、下冲程中都做正功，并且相等。 即安装的平衡装置在下冲程中能够把能 量储存起来，而在上冲程中利用储有能 量帮助电动机一起做功提升负荷。 2）研究各种平衡方式实质上就是如 何计算所加的平衡重，假设在抽油机后 梁上加一重物，在下冲程中让抽油杆自 重和电动机一起对重物做功，则： 5 3）平衡原理 在下冲程中能够把能量储存起来，而在上冲程中利 用储有能量帮助电动机一起做功提升负荷，使得电机 上、下冲程中都做相等的正功。 下冲程：Amd Aw

3、Ad (AW=Ad+Amd) 上冲程： AmuAuAW (AuAWAm) 平衡条件 AmuAmd 即 AwAdAuAw 2 du w AA A 3-59 6 Ad-抽油杆柱对重物所做的功（即悬点 在下冲程所做的功）； Amd-电动机在下冲程中对重物作的功； Aw-重物增加的位能（即重物的位能升 高了） Au-重物和电动机对悬点所作的 总功； Amu-上冲程电动机作的功； 7 理解：上式说明要抽油机运转平衡，在 下冲程中需要储存的能量为上冲程中悬 点所作功之和的一半，这是平衡计算的 依据。 （二）平衡方式 叙：为了把下冲程中抽油杆自重作的功 和电动机输出的能量储存起来，可以采 用不同的形式来储存

4、能量，即所谓不同 的平衡方式。目前采用的有气动平衡和 机械平衡。 8 1、气动平衡 如图3-50所示，下冲程中通过游梁带 动活塞压缩气缸中的气体，把下冲程中 作的功储存成为气体的压缩能；上冲程 中被压缩的气体膨胀，将储存的压缩能 转换成膨胀能帮助电动机做功。 气动平衡多采用于大型抽油机。这种 平衡方式不仅可以大量节约钢材，而且 可以改善抽油机的受力系统，但平衡系 统的加工系统的加工制造质量要求高。 9 2、机械平衡 在上冲程中，以增加平衡重块的位能来储存的 能量；在上冲程重平衡重降低位能来帮助电动 机做功。机械平衡方式有三种： 1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡重，适用于 小型抽油机。 2）曲柄平

5、衡（旋转平衡）：平衡重加在曲柄 上，这种平衡方式便于调节平衡，并且避免在 游梁上造成过大的惯性力，适用于大型抽油机。 3）复合平衡（混合平衡）：在游梁尾部和曲 柄上都加有平衡重，是上述两种方式的组合， 多用于中型抽油机。 10 （三）平衡计算 上冲程中悬点作的功： 下冲程中悬点作的功： （注）：由于惯性载荷，在上下冲程中， 所作的功等于零，所以在Au和Ad中没有 考虑惯性力，若按四连杆机构分析计算， 作正功和作负功正好抵消，所以为零。 将Au和Ad代入（3-59）得： 22 rLr dw w WSWW AA A SWA SWWA r d lr u )( 11 -（5-60） 分析：也可以写成

6、其中： 当L、d、D改变后，Aw的值也变化了，所以需 要重新调节平衡。 S W WA L rw 2 SLgfLgfA LpLsrw 2 1 2 4 dfr 2 4 Dfp 12 1、游梁平衡 下冲程平衡重Wb被抬高的距离为： Sc:S=C:a 平衡重块储存的位能（对重物所做功） a C SS c bbcw W a c SWSA 13 在平衡条件下： 则： （3-61） 式中：wb达到平衡所需要加的平衡重量。 当考虑抽油机本身重量的不平衡时，则： S W WWS c rbc 2 c aW WW c rb ) 2 ( c L rb x c aW WW ) 2 ( 14 式中： 抽油杆本身的不平衡值

7、，是折 算到游梁重心位置的附加平衡力，可查抽油 机出厂说明书（具体计算见魏一书p65） 2、曲柄平衡 下冲程中储存的位能： c x bBccbw XSRWRWA 22 平衡重位能 曲柄重位能 抽油机不平衡 附加位能 bcccb rXWRRW 222 15 式中： R曲柄平衡半径，m； wcb曲柄平衡块重量，N; Rc曲柄本身的重心到曲柄轴心的距离， m; Wc曲柄自重，N; SBB点的最大位移，SB=2r r曲柄销离曲柄轴心的距离称为曲柄半 径，m（取决于采用的悬点冲程） xb抽油机本身的不平衡值，是折算到 尾轴承处的附加平衡力，N。 16 在平衡条件下： 将 代入上式，并进行整理可得， 达到

8、平衡所需的平衡半径的计算公式： （3-62） bLccb L r xWRRWS W W 222) 2 ( b a rS2 cb c c cb b cb L r W W R W x r W r b a W WR ) 2 ( 17 表达式说明：曲柄平衡通常是通过改变 平衡半径R来调节平衡。 注：对某一型号的抽油机a、b、Wcb、 Wc、Q、xb均为已知常数，将这些数值代 入式（3-62）就可得该型抽油机的计算 公式。（见书P105例题） 3、复合平衡 如图所示：复合平衡是上述两种平 衡方式的组合，也可用同样的方法得到 其计算公式： 18 下冲程储存的位能： 而： 在平衡条件下： （3- 63） 式

9、中符号同前。 )(22 cbcccbw xWSRWRWA b c r a c b a r a c SS c 22 cb c c cb buc cb l r W W R W r b c WX W r b aW WR)() 2 ( )(2222) 2 ( cbcccb L r xW b c rWRRW b a r W W 19 提示：上面介绍的只是以上下冲程中电动机 做的功相等作为平衡标准进行计算的方法。在 实际工作中都不便于按此标准检验和调整平衡。 为此，作为检验和调整平衡时，大多采用上下 冲程的扭矩或电流峰值相等作为平衡条件。 （四）抽油机平衡检验方法 叙：抽油机在生产过程中，不会一直是平 衡

10、的（平衡是指一段时间内），因受地层情况 （ps 造成 L 增加 ）油井情况（）及油井 工作制度的改变（F、S、n配合）都会破坏抽 油机原来的平衡，因而要定时检查，及时调整 20 1、观察法 即用眼观察抽油机启动是否顺利，电动 机是否有“鸣”的怪叫声，通常平衡的 抽油机比较容易启动，无怪叫声。 2、测量驴头上下冲程的时间： Tu=Td 平衡 T一上或下冲程所用时间 TuTd 平衡过轻 则应增大平衡重或平 衡半径R. 21 3、测量上、下冲程的电流（可用钳形电流表 来测量） 抽油机在平衡条件下工作时，上、下冲程 的电流峰值应该相等。 Iu=Id 平衡 IuId 平衡过轻，则应增大平衡重或增大平 衡

11、半径R. IuId 平衡过重，则应减小平衡重或减小平 衡半径R. 实际中，要使上下冲程电流强度绝对相等是困 难的，一般规定最小电流与最大电流之比大于 或等于70%，即认为抽油机是平衡的。 22 五、曲柄轴扭矩计算 叙：抽油机工作时，由悬点负荷及平衡重在曲 柄轴上造成的扭矩与电动机输给曲柄轴的扭矩 相平衡。因此，通过悬点负荷及平衡重来计算 曲柄轴的扭矩，不仅可以检查减速箱是否在超 扭矩条件下工作，而且可以检查计算电动机的 功率及功率的利用情况。 抽油机所配的减速箱都允许的最大扭矩，它既 限制油井生产时所采用的最大抽汲系数Fp 、S、 n及L，同时又限制着为了保证大参数生产所需 要的电动机功率，因

12、此了解抽油机在运转过程 中产生的最大扭矩，是分析抽油机设备工作状 况的重要内容。下面介绍在实际工作中所采用 的扭矩计算法扭矩近似计算法。 23 目的： 1）检查抽油机减速机和电动机的工作状 况。 2）选择合适的电动机。 （一）基本公式 近似计算是把抽油杆的四连杆运动简化 为简谐运动，略去抽油机几何特性的影 响，另外还忽略了游梁平衡块所产生的 惯性力，此时计算曲柄轴扭矩的公式为： 24 式中：M-曲柄轴扭矩，Nm S-光杆冲程，m p -悬点负荷，N -曲柄转角。 Ce-平衡值，表示被平衡重平 衡了的悬点负荷。其理论需要值 Ce=Wr+WL/2 （ 即是为了保持平衡， 理论上需要的平衡值） si

13、n)( 2 e cp s M 3-64 25 （二）计算最大扭矩的近似公式 叙：从式（3-64）中可看出，如果上冲 程和下冲程中，悬点载荷P若为一常数 （即示功图为一长方形）时，扭矩M为随 力而边的正弦曲线（如图2-38所示， P105）,实际上在上冲程和下冲程中悬点 载荷并不是常数，而是随而变化。因此， 实际扭矩虽然也随而变，但不是正弦函 数。对我们来说，感兴趣的问题是求的 扭矩的最大值。 26 假定悬点最大载荷发生在=90，即 p90=pmax，则由公式（3-64）可得： 考虑到动载荷的影响时上式进行修正： a、b为修正系数，可根据悬点最大负荷发生的 位置（可由实测和理论计算得到），位置从

14、下 死点算起，用占冲程长度的百分数来表示，及 用冲程查表3-10，见P107 例题：见书P107。 )( 2 maxmaxe cP s M )( 2 maxmaxe bcaP s M 27 例：某井在抽油机平衡工作条件下，Pmax为 73520N，抽油杆柱重Wr为51234N，液柱重 Wl为18346N，最大载荷位置为35%，s为 1.8米，计算减速箱的最大扭矩。（a、b校 正系数分别为1.05、0.9） 解：已知Pmax=73520N， Nce60407 2 18346 51234 28 604079 . 07352005. 1 2 8 . 1 max M MN 7 .20546 29 六、

15、电动机的选择和功率计算 叙：抽油机的动力： 绝大多数：电动机 正在少量试用：天然气发动机 多数油田都是以抽油井为主，用于抽 油的电能消耗就很大。因此抽油装置的 电动机的选择，一方面直接关系到电能 的利用效率，另外一方面将关系到能否 充分发挥抽油设备和油层生产能力的问 题。 30 游梁式抽油装置的特点： （1）负荷是脉冲的，而且变化大； （2）启动条件困难，要求有大的启动转 矩。 （3）所用的电动机功率不太大，一般不 超过40千瓦，小的只有几千瓦，但总的 数量大。 （4）在露天工作，要求电动机维护简单， 工作可靠。 31 类型不确定：为了满足以上要求，目前 抽油机所用电动机都是封闭式鼠笼型异 步

16、电动机。 该电动机特点：构造简单，坚固，易于 修理。 电动机选择的内容：1）确定适合于抽油 机工作特点的类型。2）确定适合于各型 抽油机工作能力的电动机的容量（即功 率）。 （下面就着重讨论2）问题。） 32 1、电动机功率与传到减速箱曲柄轴的扭矩关 系式为： 式中：M电动机传给曲柄轴上的扭矩，Nm; Nr电动机功率，KW; 传动效率， = 1 2 1 皮带轮传动效率 2 减速箱传动效率 n 曲柄转速（冲数）（减速箱输出 轴上的转速），转/分。 r N M9545 9545 Mn N r （3-67） （3-67） 33 2、计算电动机功率 实际应用时，一般是利用抽油机等值扭 矩来计算功率。

17、原因：在交变载荷作用下曲柄扭矩在整 个工作过程中是变化的，而只是在上下 冲程的某一瞬时达到最大值。因此，电 动机选择不能根据瞬时最大扭矩来计算， 否则电动机在大部分时间不能满载工作， 其效率和功率因素都不高，电能的利用 就不充分，而应该用等值扭矩来计算功 率。 34 等值扭矩：以一个不变化的固定扭矩， 代替变化的实际扭矩，使其电动机的发 热条件相同（消耗的电量相同），则此 固定扭矩，即为实际变化的扭矩的等值 扭矩。 式中： Nr 需要的电动机功率（即 需要选用的电动机额定功率），千瓦 （KW） Me曲柄轴上的等值扭矩。 其余符号同前。 9545 nM N e r （3-68） 35 计算抽油机

18、等值扭矩 等值扭矩与最大扭矩之间有一定关系， 设抽油机运动为简谐运动，而使扭矩呈 正弦规律变化时， 但实际扭矩不是呈正弦规律变化的，考 虑到抽油机运转不平衡性，参考一些实 际扭矩分析资料，一般采用： max 707.0MMe max 6 .0MMe 36 从而得： 如果取=0.9，则： 上式就是利用曲柄扭矩确定电动机功 率的简化公式，公式中的Mmax用前面 的修正公式计算。 9545 6 .0 max nM N r 14318 max nM N r （3-69） 37 分析上式可知：Nr与抽油机的冲数成正比， 而出厂时所配电动机功率是根据减速箱的允 许扭矩和抽油机的最低冲数时配备的电动机。 虽然，在高冲数下生产时，出厂所选择的电 动机限制了抽油机的最大生产能力，因此出 厂后在油田上实际使用过程中，当抽油机在 高载荷下用大冲程、大冲数生产时，就需要 更换大的电动机，其原则是加在抽油机驴头 负荷和曲柄扭矩不能超过抽油机的允许值。 38 例题：某型号抽油机（CYJ-