第3章有杆泵采油1.2.3

1、有杆抽油系统设计有杆抽油系统设计泵效计算泵效计算平衡、扭矩及功率计算平衡、扭矩及功率计算悬点运动规律及悬点载荷悬点运动规律及悬点载荷抽油装置及泵的工作原理抽油装置及泵的工作原理有杆抽油系统工况分析有杆抽油系统工况分析常规有杆泵采油常规有杆泵采油有杆泵采油有杆泵采油抽油机悬点的往复抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。递给井下柱塞泵。地面驱动螺杆泵采油地面驱动螺杆泵采油驱动头的旋转运动驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给通过抽油杆传递给井下螺杆泵。井下螺杆泵。常规有杆泵采油是目前我国最广泛应用的采油方式。常规有杆泵采油是目前我国最广泛应用的采油方式。100%50%25%75

2、%20032004200593%93%93%93%89%89%中石油近几年有杆泵采油比例中石油近几年有杆泵采油比例97323口 90868口111546口94240口98942口101108口一、抽油装置一、抽油装置抽油机抽油杆抽油泵其他附件( (一一) )抽油机抽油机有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。械能，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。游梁游梁- -连杆连杆- -曲柄机构曲柄机构减速箱减速箱动力设备动力设备辅助装置辅助装置1 1、游粱式抽油机基本参数、游粱式抽油机基本参数1.1.驴头

3、悬点（挂抽油杆处）的最大允许载荷驴头悬点（挂抽油杆处）的最大允许载荷P Pmaxmax 2.2.悬点最大冲程长度悬点最大冲程长度S Smaxmax3.3.悬点的最大冲数悬点的最大冲数n nmaxmax4.4.减速箱曲柄轴最大允许扭矩减速箱曲柄轴最大允许扭矩M Mmaxmax抽油机工作原理抽油机工作原理2 2、游粱式抽油机分类、游粱式抽油机分类（1 1）按基本参数分类）按基本参数分类重型 Pmax100kN根据悬点最大允许载荷根据悬点最大允许载荷P Pmaxmax的变化范围的变化范围根据悬点最大冲程长度根据悬点最大冲程长度S Smaxmax的变化范围的变化范围轻型 Pmax30kN中型 30kN

4、Pmax100kN短冲程 Smax1m中等冲程 lmSmax3m长冲程 3mSmax6m超长冲程Smax6m超大扭矩 Mmax60kNm根据悬点最大冲数根据悬点最大冲数n nmaxmax的变化范围的变化范围根据减速箱曲柄轴的最大允许扭矩根据减速箱曲柄轴的最大允许扭矩MmaxMmax小扭矩 Mmax10kNm大扭矩 30kNmMmax60kNm中等扭矩 10kNmMmax30kNm低冲数 nmax 6min-1中等冲数 6min-1nmax15min-1高冲数 nmax15min-1根据抽油机所需的最大功率根据抽油机所需的最大功率NmaxNmax小功率 Nmax25kW中等功率 25kWNmax

5、52kW大功率 52kWNmax100kW超大功率 Nmax100kW（2 2）按结构分类）按结构分类常规式：驴头和曲柄连杆机构分别位 于抽油机支架前后两边。前置式：驴头和曲柄连杆机构都位于 支架的前边平衡方式：多采用机械平衡平衡方式：多采用气动平衡运动规律：上冲程较下冲程慢运动规律：上下冲程的时间基本相等（3 3）其他抽油机）其他抽油机（4 4）抽油机结构简图）抽油机结构简图 游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线做固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为三个活动杆件所构成的曲柄摇杆机构 游梁用型钢组合焊成，也有用普通工字钢制成。它用一个中间短轴和两个轴承支在抽油机支架上。由于游梁负担抽油机的全

6、部载荷，所以要有一定的强度和刚度。横梁及连杆可分为两种结构：一种是将横梁及连杆制造在一起，其特点是连接件很少，结构很简单，用在小型抽油机上，它由改变后臂长度来调节冲程长度。另一种结构是单独横梁，一般用于大型抽油机中,它由改变曲柄和连杆的连接点位置来调节冲程长度。驴头用来将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运动。驴头弧面半径R应等于前臂长度。为了保证在一定冲程长度下，将圆弧运动变为直线运动，圆弧面长度应为： S弧（1.21.3) Smax式中Smax驴头悬点（挂抽油杆处）的最大冲程长度。驴头用钢板焊成。 平衡重：由于游梁式抽油机上、下冲程的载荷很不均匀，上冲程时，驴头需提起抽油杆柱和

7、液柱，而下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，这样就使发动机做功极不均匀。为了使上、下冲程发动机作功均匀，采用了平衡重的结构；游梁式抽油机平衡重分两类：一类为游梁平衡重，装在游梁尾部，一般作成片状；另一类为曲柄平衡重，装在曲柄上，类型较多。 减速箱：一般使用的减速箱多为两级齿轮式，传动比i=2540左右，在个别情况下也有使用一级齿轮减速箱或链条减速箱。由于工作载荷大，一般小功率时采用斜齿，大功率时采用人字齿。并开始采用圆弧齿轮。减速箱采用圆弧齿轮后，其承载能力比相同参数的渐开线齿轮减速箱体积有所减小，这样也给抽油机其他部分尺寸的缩小创造了条件。刹车机构：抽油机上所用的刹车机构一般为刹车型或闸瓦型

8、。支架：常用型焊钢焊成，特轻型的可用一根圆管作支架，重型的可做成三腿或四腿的行架。悬绳器：由卡瓦牙、上下支撑板及顶丝等组成，将钢丝绳及光杆连成一体。悬绳器上可以安放示功仪，测悬点示功图。（5 5）抽油机四连杆机构的循环特性）抽油机四连杆机构的循环特性 对称循环对称循环 在实际应用中，采用对称循环四杆机构的抽油机并不多 当游梁处于两极限位置B1C1(对应于悬点下死点）B2C2（对应于悬点上死点）时，曲柄与连杆分别重合于直线OA1B1，A2OB2上，并且两直线OA1B1，A2OB2共线。显然悬点上、下冲程所对应的曲柄转角相等，均为180，当曲柄匀速转动时，悬点上、下冲程所对应时间相等，即上、下冲程

9、悬点的平均速度相等。 近似对称循环近似对称循环 常规抽油机 当游梁处于上、下死点两极限位置B2C2，B1C1时，曲柄与连杆的重合线分别为A2OB2（悬点上死点）、OA1B1（悬点下死点）, 直线OA1B1，A2OB2所夹的锐角称为四连杆机构的极位夹角 设曲柄匀速转动的角速度为 ，则悬点上、下冲程所需时间分别为：上下上t上t下显然悬点上、下冲程所对应的曲柄转角分别为： 下1K 当曲柄匀速转动时，悬点上、下冲程的平均速度不等，悬点下冲程的平均速度大于上冲程时的平均速度。将V上与V下的比值K1称为四杆机构的行程速比系数，则为K1： 在近似对称循环抽油机中，一般来说: 0.05,K11.05 目前，石

10、油矿场广泛应用的常规型抽油机均属于近似对称循环。非对称循环非对称循环 异相曲柄平衡抽油机 异相曲柄平衡抽油机的游梁后臂长度缩短，减速箱相对于支架的位置后移，从而使四杆机构的极位夹角增大目前，异相机的机构极位夹角为815，行程速比系数K1在1.051.20之间，因此，异相曲柄平衡抽油机具有较快的下冲程，上冲程平均速度降低，下冲程的平均速度增大，从而使悬点上冲程的最大加速度降低，有利于减少悬点惯性负荷和减速箱输出扭矩，因而有较好的节能效果。（6 6）游梁式抽油机系列型号表示方法）游梁式抽油机系列型号表示方法CYJ 12CYJ 123.33.370(H) F(Y70(H) F(Y，B B，Q)Q)游

11、梁式抽油机系列代号游梁式抽油机系列代号CYJ-CYJ-常规型常规型CYJQ-CYJQ-前置型前置型CYJY-CYJY-异相型异相型悬点最大载荷，悬点最大载荷，10 kN10 kN光杆最大冲程，光杆最大冲程，m m减速箱曲柄轴最大允许扭矩减速箱曲柄轴最大允许扭矩,kN.m,kN.m减速箱齿轮形代号，减速箱齿轮形代号，H H为点啮合双为点啮合双圆弧齿轮，省略渐开线人字齿轮圆弧齿轮，省略渐开线人字齿轮平衡方式代号平衡方式代号F F：复合平衡：复合平衡Y Y：游梁平衡：游梁平衡B B：曲柄平衡：曲柄平衡Q Q：气动平衡：气动平衡( (二二) )抽油泵抽油泵1 1、作用作用2 2、主要主要组成组成把机械

12、能转化为压能。把机械能转化为压能。 1排出阀排出阀;2柱塞柱塞;3吸入阀吸入阀4泵筒泵筒3 3、一般要求、一般要求a.a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；b.b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长；制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长；c.c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强；d.d.便于起下；便于起下；e.e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。管式泵：管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在外筒和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内

13、，然后投入固定阀，油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。管式泵特点管式泵特点：结构简单、成本低，排量大。但检泵时必须结构简单、成本低，排量大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。较高的油井。杆式泵：杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端整体通过油管下入井内，由预杆柱的下端整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定深度先装在油管预定深度( (下泵深度下泵深度) )上的卡簧上的卡簧固定在油管上，检泵时

14、不需要起油管。固定在油管上，检泵时不需要起油管。杆式泵特点杆式泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作量小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。量小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。4 4、分类、分类A-A-管式泵管式泵B-B-杆式泵杆式泵( (三三) )抽油杆：抽油杆：能量传递工具。能量传递工具。1-1-外螺纹接头；外螺纹接头；2-2-卸荷槽；卸荷槽；3-3-推承面台肩；推承面台肩；4-4-扳手方径；扳手方径；5-5-凸缘；凸缘；6-6-圆弧过渡区圆弧过渡区抽油杆的杆体直径抽油杆的杆体直径分别为分别为1313、1616、1919、222

15、2、2525、28mm28mm，抽油杆的长度抽油杆的长度一般为一般为8000mm8000mm或或7620mm7620mm，另外，为了调节，另外，为了调节抽油杆柱的长度，还有长度不等的抽油杆短节。抽油杆柱的长度，还有长度不等的抽油杆短节。接箍接箍是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。按其结构是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。按其结构特征可分为：普通接箍、异径接箍和特种接箍。特征可分为：普通接箍、异径接箍和特种接箍。普通接箍：普通接箍：连接等直径的抽油杆连接等直径的抽油杆异径接箍：异径接箍：用于连接不同直径的抽油杆用于连接不同直径的抽油杆特种接箍：特种接箍：主要有滚轮式接箍和滚珠式接箍，用于斜主要

16、有滚轮式接箍和滚珠式接箍，用于斜井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力，井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力，减少对油管的磨损减少对油管的磨损扶正器扶正器抽油杆的强度：抽油杆的强度：C C级杆级杆(570MPa)(570MPa)、D D级杆级杆(810MPa) (810MPa) 、E E级杆级杆(980MPa)(980MPa)扶正器扶正器扶正器扶正器扶正器扶正器超高强度抽油杆超高强度抽油杆玻璃钢抽油杆玻璃钢抽油杆空心抽油杆空心抽油杆电热抽油杆电热抽油杆连续抽油杆连续抽油杆柔性抽油杆柔性抽油杆特特种种抽抽油油杆杆二、泵的工作原理二、泵的工作原理( (一一) )泵的抽汲过程泵的抽汲过

17、程冲冲 程程光杆冲程光杆冲程冲冲 次次（二（二) )泵的理论排量泵的理论排量 泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体。内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体。 每日排量每日排量: :SNkSNfQppt 1440每分钟的排量为：每分钟的排量为： SNfVpm 在理想情况下，活塞上、下一次进入和排出的液体在理想情况下，活塞上、下一次进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积：体积都等于柱塞让出的体积： SfVp 第二节第二节 抽油机悬点运动规律及载荷抽油机悬点运动规律及载荷一、抽油机悬点运动规律

18、一、抽油机悬点运动规律( (一一) )简化为简谐运动时悬点运动规律简化为简谐运动时悬点运动规律假设条件：假设条件：r/lr/l 0 0、r/br/b 0 0 游梁和连杆的连接点游梁和连杆的连接点B B的运动可的运动可看做看做简谐运动简谐运动，即认为，即认为B B点的运动规点的运动规律和律和D D点做圆运动时在垂直中心线上点做圆运动时在垂直中心线上的投影的投影(C(C点点) )的运动规律相同。的运动规律相同。则则B B点经过点经过t t时间时间( (曲柄转角曲柄转角)时时位移为：位移为：)cos1()cos1(trrSB 图图3-7 3-7 抽油机四连杆机构简图抽油机四连杆机构简图 以下死点为坐

19、标零点，以下死点为坐标零点，向上为坐标正方向向上为坐标正方向，则悬点，则悬点A A的位移为：的位移为：A A点的加速度为点的加速度为: :A A点的速度为点的速度为: :)cos1(trbaSbaSBA trbadtdSVAA sin trbadtdVaAA cos2 ( (二二) )简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律假设条件：假设条件：0r/l1/40r/l1/4 把把B B点绕游梁支点的弧线运动近似地点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线运动，则可把抽油机的运动简化看做直线运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动。为曲柄滑块运动。图图3-9 3-9 曲柄滑块机

20、构简图曲柄滑块机构简图A A点位移：点位移：barSA)sin2cos1(2 A A点速度点速度: : bardtdSVAA)2sin2(sin A A点加速度点加速度: :bardtdVaAA)2cos(cos2 ba)sin11(1)cos1(rbaXS22BA 图图3-10 3-10 悬点速度变化曲线悬点速度变化曲线图图3-11 3-11 悬点加速度变化曲线悬点加速度变化曲线二、抽油机悬点载荷计算二、抽油机悬点载荷计算1.1.静载荷静载荷( (一一) )悬点所承受的载荷悬点所承受的载荷包括包括：抽油杆柱载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没压：抽油杆柱载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没压力对

21、悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响抽油杆柱载荷抽油杆柱载荷上冲程：上冲程：（即杆柱在空气中的重力）（即杆柱在空气中的重力）gLqgLfWrsrr 下冲程：下冲程：（即杆柱在液体中的重力即杆柱在液体中的重力）LgqgLfWrlsrr )( bqqqrslsrr / )(slsb / )( 作用在柱塞上的液柱载荷作用在柱塞上的液柱载荷上冲程上冲程 游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为： 下冲程下冲程 游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。沉没压力沉没压力

22、( (泵口压力泵口压力) )对悬点载荷的影响对悬点载荷的影响上冲程上冲程 在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力作进入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力作用在柱塞底部产生用在柱塞底部产生向上向上的载荷的载荷: :下冲程下冲程 吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。gLffWlrpl )( pinpiifppfpP)( 井口回压对悬点载荷的影响井口回压对悬点载荷的影响 液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点将产液流在地面管线中的流

23、动阻力所造成的井口回压对悬点将产生附加的载荷。生附加的载荷。 2.2.动载荷动载荷( (惯性载荷、振动载荷惯性载荷、振动载荷) )惯性载荷惯性载荷( (忽略杆液弹性影响忽略杆液弹性影响) ) 抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力。因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力。)(rphhuffpP 下冲程：下冲程：减小抽油杆柱载荷减小抽油杆柱载荷: :rhhdfpP 抽油杆柱抽油杆柱的惯性力：的惯性力：ArragWI 液柱液柱的惯性力：的惯性力： AllagWI 为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数为油管过流断面

24、变化引起液柱加速度变化的系数 rtfrpffff油管直径，mm油管过流断面面积， cm2油管管壁横截面积，cm240.3 50.362.012.819.911.7上冲程上冲程: :前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而增加悬点载荷；后半冲程中加速度为负，即加速下，从而增加悬点载荷；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而减小悬点载荷。度向下，则惯性力向上，从而减小悬点载荷。悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。下冲程下冲程: :与上冲程相反，前半冲程惯性力

25、向上，减小悬点载与上冲程相反，前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程惯性力向下，将增大悬点载荷。荷；后半冲程惯性力向下，将增大悬点载荷。抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷液柱引起的悬点最大惯性载荷下冲程中液柱不随悬点运动，没有液柱惯性载荷悬点最大惯性载荷上冲程： lr130Ng2SWlr130N2SgW)lr1(2SgWI2r2r2rru )1(17902lrSNWr 取r/l=1/4时，14402SNWIrru 下冲程：)1(1790)1(222lrSNWlrSgWIrrrd 上冲程： lrSNWlrSgWIlllu11790)1(222上冲程：luruuIII 下冲程：rddII 振动载荷

26、 抽油杆柱本身为一弹性体，由于抽油杆柱作变速运动和液柱载荷周期性地作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹性振动，它所产生的振动载荷亦作用于悬点上。其数值与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关。(在考虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍)3. 摩擦载荷(1)抽油杆柱与油管的摩擦力 （杆管）上冲程主要受(1)、(2)、(4)影响，增加悬点载荷(2)柱塞与衬套之间的摩擦力 （柱塞与衬套）(3)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 （杆液）(4)液柱与油管之间的摩擦力 （管液）(5)液体通过游动阀的摩擦力 （阀阻力）下冲程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影响，减小悬点载荷上、下冲程受力分析上、下冲程受力

27、分析抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 抽油杆柱与液柱间的摩擦发生在下冲程，摩擦力方向向上。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，最大值为：主要决定因素：液体粘度和抽油杆的运动速度。把悬点看做简谐运动，则液柱与油管间的摩擦力 上冲程时，游动阀关闭，油管内的液柱随抽油杆柱和柱塞上行，液柱与油管间发生相对运动而引起的摩擦力的方向向下，故增大悬点载荷。602maxSNS max222)1(ln)1(12 mmmmLFrl 抽油杆柱载荷抽油杆柱载荷、液柱载荷液柱载荷及及惯性载荷惯性载荷是构成悬点载荷的是构成悬点载荷的三项基本载荷。稠油井内存在三项基本载荷。稠油井内存在摩擦载荷摩擦载荷及大沉没度的井及大沉没度的

28、井沉没沉没压力产生的载荷压力产生的载荷；在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，；在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，会发生柱塞与泵内液面的撞击，将产生较大会发生柱塞与泵内液面的撞击，将产生较大冲击载荷冲击载荷，从而，从而影响悬点载荷。影响悬点载荷。液体通过游动阀产生的阻力：液体通过游动阀产生的阻力： 220327291SNffghfFplplv 柱塞与衬套之间的摩擦力：柱塞与衬套之间的摩擦力：14094. 0 eppddF杆管摩擦力：杆管摩擦力：NfFrt(二)悬点最大和最小载荷1.计算悬点最大载荷和最小载荷的一般公式最大载荷发生在上冲程，最小载荷发生在下冲程，其值为：在下泵深度及沉没度不很大，

29、井口回压及冲数不高的稀油直井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略Pv、F、Pi、Ph及液柱惯性载荷，则：ivuhuulrPPFPIWWP maxvdhddrPFPIWP min)1 (1790)(2maxlrSNWgLffLqIWWPrlrprrulr 令：gLfWgLfLqWlpllrrr )(则：)1(17902maxlrSNWWWPrlr rdrIWP min)1(17902lrSNWLgqrr 2.2.考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算初变形期：初变形期：从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。悬点加载、卸载

30、过程 实际上，抽油杆柱是弹性体，在抽油过程中必然会发生不同程度的弹性振动。 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕(即所谓“初变形期”)之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起动载荷。由于抽汲液体一般都具有较大的弹性，而且液柱质量并没有集中作用在柱塞上；另外，液柱一般都不会在柱塞上(即抽油杆下端)产生明显的动载荷。因此，下面讨论中忽略了液柱对抽油杆柱动载荷的影响。2.2.考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算 初变形期之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变初变形期之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动

31、。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的速运动。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起动载荷动载荷。初变形期末抽油杆柱运动引起的自由纵振产生的初变形期末抽油杆柱运动引起的自由纵振产生的振动载荷振动载荷初变形期：初变形期：从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。过程。抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷动动载载荷荷忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响抽油杆柱自由纵振产生的振动载荷抽油杆柱自由纵振产生的振动载荷 在初变形期末激发起的抽油杆的纵向振动微分方

32、程为在初变形期末激发起的抽油杆的纵向振动微分方程为: :抽油杆柱的自由纵振在悬点上引起的振动载荷为抽油杆柱的自由纵振在悬点上引起的振动载荷为: :用分离变量法求解为：用分离变量法求解为：坐标原点坐标原点选在悬点选在悬点22222xuatu 初始条件初始条件; 00 tuLxtut 0边界条件边界条件; 00 xu0 Lxxu LxntnnVtxunnn 212sin)12sin()12()1(8),(0020 tnnaVEfxuEfFnnrxrv02020)12sin()12()1(8 悬点的的振动载悬点的的振动载荷是荷是 的周期的周期函数。函数。t0所以，最大振动载荷发生在所以，最大振动载荷

33、发生在 处，实际上处，实际上由于存在阻尼，振动将会随时间衰减，故最大振动载荷发由于存在阻尼，振动将会随时间衰减，故最大振动载荷发生在生在 处，即：处，即：.25,20 t20 tvaEfFrv maxaLtm 02 抽油杆柱的惯性载荷抽油杆柱的惯性载荷 惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的分布。悬点加速度的变化决定于抽油机的几何结构。在杆柱上的分布。悬点加速度的变化决定于抽油机的几何结构。 初变形期之后抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由于初变形期之后抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由于强迫运动而在抽油杆柱内产生附加的动载

34、荷。为了使问题简强迫运动而在抽油杆柱内产生附加的动载荷。为了使问题简化，化，把强迫运动产生的动载荷只考虑为抽油杆柱随悬点做加把强迫运动产生的动载荷只考虑为抽油杆柱随悬点做加速度运动而产生的惯性载荷速度运动而产生的惯性载荷。简谐运动时，悬点加速度为：简谐运动时，悬点加速度为：tSa cos220抽油杆柱距悬点抽油杆柱距悬点x x处的加速度为：处的加速度为：)(cos22axtSax 在在x x处单元体上的惯性力将为：处单元体上的惯性力将为：积分后可得任一时间作用在整个抽油杆柱积分后可得任一时间作用在整个抽油杆柱L L上上的总惯性力：的总惯性力：dxaxtSgqdFri)(cos22 aLttsa

35、EfdxaxtgSqFrrLi20sinsin2)(cos2 抽油杆柱的惯性力并不正比于加速度的瞬时值，而是正比于在 期间悬点速度的增量。当 时，抽油杆柱的惯性力随t而减小；当 时，抽油杆柱的惯性力等于零；当 时，惯性力改变方向，其绝对值随 t增大。 aLaLt22taLt22aLt22t悬点最大载荷悬点最大载荷 初变形期后，悬点载荷初变形期后，悬点载荷P P是抽油杆柱载荷、液柱载荷、是抽油杆柱载荷、液柱载荷、及振动、惯性载荷叠加而成，即及振动、惯性载荷叠加而成，即: :t t0 0为初变形期经历的时间为初变形期经历的时间 取最大振动载荷出现的时间为悬点出现最大载荷的时间取最大振动载荷出现的时

36、间为悬点出现最大载荷的时间, ,则得到计算悬点最大载荷的公式：则得到计算悬点最大载荷的公式：aLt02 sinsin2) 12sin() 12() 1(8000202 aLttttSaEftnnaEfWWFFWWPrnnrlrivlr sin)(sin200maxtaLtSaEfaEfWWPrrlr a.a.油管下端固定油管下端固定 在油管下端固定的情况下，初变形期末柱塞对悬点的相在油管下端固定的情况下，初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度等于悬点运动速度，即对运动速度等于悬点运动速度，即油管下端固定时悬点最大载荷为：油管下端固定时悬点最大载荷为：b.b.油管下端未固定油管下端未固定初变形期末悬

37、点运动速度：初变形期末悬点运动速度： 初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度将小于悬初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度将小于悬点运动速度，并且：点运动速度，并且：油管下端未固定时悬点最大载荷为：油管下端未固定时悬点最大载荷为： sin)1()sin(2maxaLSaEfWWPrlr sin2.S sin2S)sin(2maxaLSaEfWWPrrlr 0sin2sin2tssrr 3.3.计算悬点最大载荷的其它公式计算悬点最大载荷的其它公式一般井深及低冲数油井一般井深及低冲数油井简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷简谐运动、杆柱惯性载荷简谐运动、杆柱惯性载荷简谐运动、杆柱和液柱

38、惯性载荷简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷 1371maxSNWWPlrI 179012maxSNWWPlrII)1(17902maxlrSNbWWPrlIII )17901(2maxSNWWPrlIV )17901)(2maxSNWWPlrV 抽油机3-8-83-9-203-11-183-10-163-8-93-4-17实测(P测- P)/ P测,%4.804.754.064.254.444.67+0.25.785.565.105.055.266.42+74.534.474.684.84-2.75.525.194.844.824.925.20+0.94.604.203.803

39、.763.924.40+4.54.504.333.943.914.034.15-4.35不同公式计算的Pmax和实测结果的对比（kN) 用公式计算的结果接近于上述6口井的实际测量结果，而公式计算的结果普遍偏高，公式和公式普遍偏低 第三节第三节 抽油机平衡、扭矩与功率计算抽油机平衡、扭矩与功率计算一、一、 抽油机平衡计算抽油机平衡计算不平衡原因不平衡原因 不平衡造成的后果不平衡造成的后果 上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。做的功不相等。上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机带着上冲程中电动机承受着极大的负荷，

40、下冲程中抽油机带着电动机运转，造成电动机运转，造成功率的浪费功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；，降低电动机的效率和寿命； 由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装置的寿命。抽油装置的寿命。 破坏曲柄旋转速度的破坏曲柄旋转速度的均匀性均匀性，影响抽油杆和泵正常工作。，影响抽油杆和泵正常工作。( (一一) )平衡原理平衡原理 在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。的正

41、功。 所以，为了使抽油机平衡，在所以，为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储存的能量下冲程中需要储存的能量或或上冲程中需要释放的能量上冲程中需要释放的能量应该是悬点载荷在上下冲程中所应该是悬点载荷在上下冲程中所做功之和的一半。做功之和的一半。下冲程：下冲程：dwmdAAA 上冲程：上冲程：wumuAAA 平衡条件：平衡条件：mumdAA 2duwAAA ( (二二) )平衡方式平衡方式气动平衡：气动平衡：机械平衡机械平衡游梁平衡：游梁平衡：游梁尾部加平衡重；游梁尾部加平衡重；曲柄平衡曲柄平衡( (旋转平衡旋转平衡) )：平衡块加在曲柄上；平衡块加在曲柄上；复合平衡复合平衡( (混合平衡混合平衡)

42、)： 游梁尾部和曲柄上都有平衡重。游梁尾部和曲柄上都有平衡重。(1) (1) 气包内的气体压缩与膨胀气包内的气体压缩与膨胀(2) (2) 多用于大型抽油机；多用于大型抽油机；(3) (3) 节约钢材；节约钢材；(4) (4) 改善抽油机受力状况；改善抽油机受力状况；(5) (5) 加工质量要求高加工质量要求高( (如气包的密封性等如气包的密封性等) )。SWWAru)(1 SWArd 上冲程中悬点所做的功： 下冲程中悬点所做的功: 由于惯性载荷在上冲程和下冲程中所做的总功等于零，所以在中没有考虑Au、Ad惯性力。 SWWSWSWWAAAlrrlrduw)2(22 采用多大的平衡力才能使下冲程中

43、存储的能量，或上冲程中平衡重所做的功等于SWWlr)2( ( (三三) ) 平衡计算平衡计算?1)1)复合平衡复合平衡平衡半径公式平衡半径公式: :2)2)曲柄平衡曲柄平衡平衡半径公式：平衡半径公式： cbcccbbuccblrWWRWrbcWXWrbaWWR 2cbcccbubcblrWWRWXrWrbaWWR 2图图3-14 3-14 复合平衡复合平衡图图3-15 3-15 曲柄平衡曲柄平衡3)3)游梁平衡游梁平衡( (四四) )抽油机平衡检验方法抽油机平衡检验方法1)1)测量驴头上、下冲程的时间测量驴头上、下冲程的时间平衡条件下上、下冲程所用的时间基本相等。平衡条件下上、下冲程所用的时间

44、基本相等。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。2)2)测量上、下冲程中的电流测量上、下冲程中的电流平衡条件下上、下冲程的电流峰值相等。平衡条件下上、下冲程的电流峰值相等。如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值，说明平衡不够。如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值，说明平衡不够。达到平衡所需要的游梁平衡块重达到平衡所需要的游梁平衡块重: : uclrbXcaWWW )2(图图3-16 3-16 游梁平衡游梁平衡二、曲柄轴扭矩计算及分析二、曲柄轴扭矩计算及分析( (一一) )计算扭矩的基本公式计算扭矩的基本公式不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式不同平

45、衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式 抽油过程中减速箱输出轴抽油过程中减速箱输出轴( (曲柄轴曲柄轴) )的扭矩的扭矩M M等于等于曲柄半径曲柄半径与与作用在曲柄销处的作用在曲柄销处的切线力切线力T T的乘积，即：的乘积，即：rTM 曲柄平衡抽油机：曲柄平衡抽油机：复合平衡抽油机：复合平衡抽油机：sinsinsin)(cosrWrgaacWbcPbaMcAbcom游梁平衡抽油机：游梁平衡抽油机：sinsin)(cosrgaacWbcPbaMAbwb sinsinsinrWrPbaMccr 图图3-17 3-17 抽油机几何尺寸与曲销受力图抽油机几何尺寸与曲销受力图PrbaMp sinsin 悬点载

46、荷P在曲柄上造成的扭矩Mp,称油井负荷扭矩： sinsinrba把式中的乘积称扭矩因数，用 表示： sinsinrbaTF PMTFp 扭矩因数也就是悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩Mp与悬点载荷P的比值，即 TF复合平衡抽油机: sin)(maxcbcomMWacBPTFM 曲柄平衡抽油机： sin)(maxccrMBPTFM 简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。扭矩因数：悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。抽油机结构不平衡值B：等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。(方向向下为正)不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式)(bwbWacBP

47、TFM 游梁平衡抽油机： sinsinrbaPMTFp ( (二二) )扭矩因数计算扭矩因数计算 sinsinrbaPMTFp bLkrrkLb2)cos(2cos022221 )(3600 ( (三三) )悬点位移与曲柄转角的关系悬点位移与曲柄转角的关系扭矩曲线扭矩曲线抽油机运动规律抽油机运动规律实测示功图实测示功图悬点载荷与曲悬点载荷与曲柄转角的关系柄转角的关系扭矩因数与曲扭矩因数与曲柄转角的关系柄转角的关系冲程百分数：冲程百分数：tbbPR 驴头在下死点位置时的驴头在下死点位置时的 角角驴头在上死点位置时的驴头在上死点位置时的 角角随随角而变的角而变的b b和和K K之间的夹角之间的夹角

48、bt图图3-18 3-18 濮濮1-31-3井扭矩曲线井扭矩曲线1.1.净扭矩；净扭矩；2.2.油井负荷扭矩；油井负荷扭矩；3.3.曲柄平衡扭矩曲柄平衡扭矩只要对各种抽油机预先计算出每种冲程下的扭矩因数 ，就可以很容易利用实测悬点载荷(示功图)由公式计算曲柄轴扭矩。TF表示曲柄及其平衡重在曲柄轴上造成的扭矩Mc ，称曲柄平衡扭矩： sinrWMcc sin)(cccbRWRW 曲柄轴上的净扭矩M为悬点载荷P造成的扭矩Mp与曲柄平衡重造成的扭矩Mc之差，即：cpMMM sinmaxcMPTF 平衡条件：平衡条件：maxmaxduMM ( (四四) )扭矩曲线的应用扭矩曲线的应用1.1.检查是否超

49、扭矩及判断是否发生检查是否超扭矩及判断是否发生“背面冲突背面冲突”2.2.判断及计算平衡判断及计算平衡3.3.功率分析功率分析4.4.效率分析效率分析电机、皮带传动、减速箱的效率分析。电机、皮带传动、减速箱的效率分析。电动机输入的平均功率：电动机输入的平均功率：mmomiNN 电动机输出的平均功率：电动机输出的平均功率：cyjrmoNN 减速箱的平均输出功率：减速箱的平均输出功率： 202021)(21dMdNNr减速箱输出的瞬时功率减速箱输出的瞬时功率: : )()(MN 抽油过程中曲柄抽油过程中曲柄轴上出现负扭矩轴上出现负扭矩现象时，减速箱现象时，减速箱的主动轮变为从的主动轮变为从动轮的现

50、象。动轮的现象。 抽油机平衡是为了使电动机的负载尽可能地达到均匀。如前所述，在抽油设计中，一般都是以上、下冲程中电动机做的功相等作为平衡标准来计算平衡。在检验平衡和进行调整平衡的计算时，通常是以上、下冲程高峰扭矩相等为标准，即： 如果 ，则上重下轻，说明平衡不够，需要增大平衡扭矩；反之，则说明平衡过重，需要减小平衡扭矩。复合平衡和曲柄平衡抽油机，通常采用改变平衡半径R的方法来调节平衡扭矩。只有在调整R还不能满足要求的情况下，才改变平衡重块数。maxmaxduMM maxmaxduMM平衡分析 对上、下冲程高峰扭矩不等的抽油井，为使其达到平衡，首先要计算需要的曲柄最大平衡扭矩：dubddbuuc

51、wacBPTFwacBPTFM sinsin)()(max ud、上、下冲程高峰扭矩所对应的曲柄转角； uPu Pu、Pd与u、d对应的悬点载荷； 与u、d对应的扭矩因数；uTFdTF相应的平衡半径为：cbcccWRWMR maxR)sin(sinmaxmaxducbduWMMR 可根据上、下冲程中扭矩曲线峰值差来计算平衡半径的调整值R 为正时，将平衡块位置向外移动；为负时，则向内移动。 对实际油井调整平衡前后的扭矩曲线的统计分析结果表明：只要 ，抽油机就能保持良好的平衡状况， 8 . 0 大大小小MM( (五五) )最大扭矩计算公式最大扭矩计算公式1.1.根据扭矩曲线计算最大扭矩根据扭矩曲线

52、计算最大扭矩1 1未平衡未平衡 2 2平衡良好平衡良好)(4)(2minmaxmaxmaxPPSCPSMeI 2.2.计算最大扭矩的近似公式计算最大扭矩的近似公式(1) (1) 抽油机悬点运动简化为简谐运动抽油机悬点运动简化为简谐运动(2) (2) 忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响(3) (3) 最大峰值扭矩发生在曲柄转角为最大峰值扭矩发生在曲柄转角为9090 时时简化条件：简化条件：在平衡条件下：在平衡条件下：2)(minmaxPPCe rRWRWabWacBCcccbbe/ )( 有效平衡值有效平衡值 ：抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生的平衡力。它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。的平衡力。它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。eC3.3.计算最大扭矩的经验公式计算最大扭矩的经验公式苏联拉玛扎诺夫于苏联拉玛扎诺夫于19571957年提出：年提出：根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式：根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式：)(236. 0300minmaxmaxPPSSMII)(202. 01800minmaxmaxPPSSMIII三、电动