抽油机曲柄轴扭矩及电机功率计算课件

抽油機曲柄軸扭矩及電機功率計算

抽油機的工作要求：減速箱的許用扭矩既限制著油井生產時所採用的最大抽汲參數，也限制著保證大參數生產所需要的電動機功率。抽油機工作時，由懸點載荷及平衡重在曲柄軸上造成的扭矩與電動機輸入給曲柄軸的扭矩相平衡，因此，通過懸點載荷及平衡來計算曲柄軸扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作，而且可以用來檢查和計算電動機功率的利用情況。

一、曲柄軸扭矩的計算

1.計算扭矩的基本公式分別在曲柄連杆系統和遊梁系統中，取力矩平衡可得:曲柄連杆系統：遊梁系統：消去Fp，可求得複合平衡條件下的矩計算公式：曲柄平衡抽油機，，則扭矩計算公式為：其中：遊梁平衡抽油機，，則扭矩計算公式為：

表示懸點載荷在曲柄軸上產生的扭矩，稱之為油井負荷扭矩，用表示，可寫成：令

稱作扭矩因數或扭矩因數，即為懸點載荷在曲柄軸上造成的扭矩(負荷扭矩)與懸點載荷的比值。表示曲柄及其平衡重在曲柄軸上造成的扭矩，稱之為曲柄平衡扭矩，可寫成：把曲柄軸上的負荷扭矩與曲柄平衡扭矩之差，稱作淨扭矩，用表示為：其中：

當考慮抽油機本身的結構不平衡時：

式中B----抽油機結構不平衡值，等於連杆與曲柄銷脫開時，為了保持遊梁處於水準位置而需要加在光杆上的力。為了簡化計算，可忽略遊梁擺角及遊梁平衡重的慣性力矩產生的影響,則扭矩計算公式簡化為:複合平衡：曲柄平衡：遊梁平衡：

2.計算最大扭矩公式

由於扭矩是隨曲柄轉角的變化而變化，計算很麻煩，而在應用分析中，常常只需要知道曲柄軸的最大扭矩，因此多採用近似計算公式或經驗公式計算最大扭矩。

(1)計算最大扭矩的近似公式

當把抽油機懸點運動簡化為簡諧運動，並忽略抽油機系統的慣性和遊梁擺角的影響，以認為最大峰值扭矩發生在曲柄轉角為時，則：

令

值實際上是抽油機結構不平衡及平衡重在懸點處產生的平衡力，它表示被實際平衡掉的懸點載荷值，因此，稱之為實際有效平衡值。

為了使抽油機工作達到平衡狀態，實際所需要的有效平衡值應為：當=時，抽油機達到了平衡，即工作在平衡狀態。

一般認為，最大扭矩與最大載荷出現在同一曲柄轉角位置。當或，並且不考慮懸點載荷的變化時，達到最大值。將和

以及代入：

(2)計算最大扭矩的經驗公式

前蘇聯拉瑪紮諾夫於1957年，利用示功圖分別計算了曲柄銷處的切線力，並經回歸分析得出了計算最大扭矩的經驗公式(SI單位制)：我國一些學者根據國內油井扭矩曲線的峰值，也建立了類似的經驗公式(SI單位制)：

二、扭矩曲線的繪製及應用

反映曲柄軸扭矩隨曲柄轉角的變化曲線稱之為曲柄軸扭矩曲線，簡稱扭矩曲線。

1.扭矩因數計算

圖10-6

另外，由於，這表明，用懸點運動速度除以曲柄旋轉角速度也可得到扭矩因數的值。故可得2.懸點載荷數據的來源

懸點載荷數據通常由示功圖來獲得，可在示功圖上讀取任意一懸點位移下對應的懸點載荷值。

3.懸點位移與曲柄轉角的關係

欲繪製扭矩曲線，需先求出懸點載荷與曲柄轉角的變化關係。圖10-13

4.扭矩曲線的應用

由於懸點載荷和平衡機構造成的扭矩與電動機輸入給曲柄軸的扭矩相平衡，因此，扭矩曲線除了可用來確定最大扭矩和檢查是否超扭矩之外，還可以檢查抽油機的平衡狀況以及進行平衡計算、確定電動機輸出功率，檢查功率的利用情況及利用均方根扭矩選擇電動機功率。（1）檢查是否超扭矩

當出現負扭矩時，說明減速箱的主動輪變為從動輪。如果負扭矩值較大，將發生從動輪衝擊主動輪，從而降低齒輪壽命。這種現象常發生在不平衡、輕載荷或載荷突變的油井上。若則超扭。

(2)判斷及計算平衡在檢驗平衡和進行調整平衡的計算時，通常是以上、下衝程的峰值扭矩相等為標準，即

若即上重下輕，說明平衡不夠，需要增大平衡扭矩；反之，則說明平衡過重，需要減小平衡扭矩。

對峰值扭矩不相等的抽油井，為使其達到平衡，應首先計算需要的曲柄最大平衡扭矩。

為了簡化計算，可根據上、下衝程中扭矩曲線峰值差來計算平衡半徑的調整值：

當為正時，說明應將平衡塊位置向外移動；為負值，則向內移動。在實際生產中，油井的某些變化都會改變抽油井的平衡狀況，不可能經常保持上、下衝程扭矩峰值完全相等。一般認為，只要時，抽油機就能保持良好的平衡狀況。

(3)功率分析

減速箱輸出的暫態功率等於暫態扭矩與曲柄角速度的乘積，即因此，一個衝程中的平均功率為：

根據上式便可利用扭矩曲線求得減速箱的平均輸出功率。由於通過懸點載荷計算扭矩時忽略了從曲柄到懸點的傳動效率，因此，根據扭矩曲線計算得出的功也就是光杆功率。電機輸出平均功率：電動機效率：

三、電動機的功率計算

選擇電動機時，除了確定適合於抽油機工作特點的類型之外，還要確定適合各型抽油機工作能力的電動機容量，即功率大小。電機功率與曲柄軸扭矩關係為：

傳動比傳動效率沖次電機轉數需要的電動機功率為：

曲柄軸扭矩在工作過程中是變化的，應當按均方根取其等值電流或等值扭矩來計算，即：等值扭矩：就是用一個固定扭矩來代替變化的實際扭矩，使其電動機的發熱條件相同，則此固定扭矩稱為實際變化扭矩的等值扭矩(即均方根值)。可由扭矩曲線來計算：等值扭矩與最大扭矩之間存在一定關係，可