抽油機(jī)平衡計(jì)算本03講稿

1、1四、抽油機(jī)平衡計(jì)算問題提出： (1)為什么要研究抽油機(jī)平衡問題（或不平衡所帶來的后果）。（2）如何計(jì)算或檢查抽油機(jī)的平衡。2 從前面的懸點(diǎn)載荷計(jì)算，可知：當(dāng)抽油機(jī)不加平衡裝置時(shí)， 上沖程：懸點(diǎn)承受最大載荷，電動(dòng)機(jī)做功（正功）提升負(fù)荷。 下沖程：懸點(diǎn)在抽油桿的自重作用下克服浮力下行，即電動(dòng)機(jī)不僅不需要對(duì)外做功，反而是抽油桿帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)做負(fù)功。 這就造成了抽油機(jī)在上下沖程中的不平衡。3 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)不平衡的后果： （1）電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷不均勻，造成功率的浪費(fèi)和效率降低。 （2）由于由于這種不平衡使抽油機(jī)發(fā)生振動(dòng)，容易引起事故，影響抽油機(jī)裝置的壽命。 （3）破壞曲柄旋轉(zhuǎn)適度的均勻性，影響抽油桿

2、和泵的正常工作。 所以抽油機(jī)必須安裝平衡裝置。4 （一）平衡原理 敘：解決問題的思路： 1）假定安裝了一平衡裝置后，使得電機(jī)上、下沖程中都做正功，并且相等。即安裝的平衡裝置在下沖程中能夠把能量?jī)?chǔ)存起來，而在上沖程中利用儲(chǔ)有能量幫助電動(dòng)機(jī)一起做功提升負(fù)荷。 2）研究各種平衡方式實(shí)質(zhì)上就是如何計(jì)算所加的平衡重，假設(shè)在抽油機(jī)后梁上加一重物，在下沖程中讓抽油桿自重和電動(dòng)機(jī)一起對(duì)重物做功，則：53）平衡原理 在下沖程中能夠把能量?jī)?chǔ)存起來，而在上沖程中利用儲(chǔ)有能量幫助電動(dòng)機(jī)一起做功提升負(fù)荷，使得電機(jī)上、下沖程中都做相等的正功。 下沖程：Amd Aw Ad (AW=Ad+Amd)上沖程： AmuAuAW (

3、AuAWAm) 平衡條件 AmuAmd 即 AwAdAuAw2duwAAA3-596 Ad-抽油桿柱對(duì)重物所做的功（即懸點(diǎn) 在下沖程所做的功）； Amd-電動(dòng)機(jī)在下沖程中對(duì)重物作的功； Aw-重物增加的位能（即重物的位能升 高了） Au-重物和電動(dòng)機(jī)對(duì)懸點(diǎn)所作的 總功； Amu-上沖程電動(dòng)機(jī)作的功； 7 理解：上式說明要抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量為上沖程中懸點(diǎn)所作功之和的一半，這是平衡計(jì)算的依據(jù)。 （二）平衡方式 敘：為了把下沖程中抽油桿自重作的功和電動(dòng)機(jī)輸出的能量?jī)?chǔ)存起來，可以采用不同的形式來儲(chǔ)存能量，即所謂不同的平衡方式。目前采用的有氣動(dòng)平衡和機(jī)械平衡。8 1、氣動(dòng)平衡 如圖

4、3-50所示，下沖程中通過游梁帶動(dòng)活塞壓縮氣缸中的氣體，把下沖程中作的功儲(chǔ)存成為氣體的壓縮能；上沖程中被壓縮的氣體膨脹，將儲(chǔ)存的壓縮能轉(zhuǎn)換成膨脹能幫助電動(dòng)機(jī)做功。 氣動(dòng)平衡多采用于大型抽油機(jī)。這種平衡方式不僅可以大量節(jié)約鋼材，而且可以改善抽油機(jī)的受力系統(tǒng)，但平衡系統(tǒng)的加工系統(tǒng)的加工制造質(zhì)量要求高。9 2、機(jī)械平衡 在上沖程中，以增加平衡重塊的位能來儲(chǔ)存的能量；在上沖程重平衡重降低位能來幫助電動(dòng)機(jī)做功。機(jī)械平衡方式有三種： 1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡重，適用于小型抽油機(jī)。 2）曲柄平衡（旋轉(zhuǎn)平衡）：平衡重加在曲柄上，這種平衡方式便于調(diào)節(jié)平衡，并且避免在游梁上造成過大的慣性力，適用于大型抽油機(jī)

5、。 3）復(fù)合平衡（混合平衡）：在游梁尾部和曲柄上都加有平衡重，是上述兩種方式的組合，多用于中型抽油機(jī)。10 （三）平衡計(jì)算 上沖程中懸點(diǎn)作的功： 下沖程中懸點(diǎn)作的功： （注）：由于慣性載荷，在上下沖程中，所作的功等于零，所以在Au和Ad中沒有考慮慣性力，若按四連桿機(jī)構(gòu)分析計(jì)算，作正功和作負(fù)功正好抵消，所以為零。 將Au和Ad代入（3-59）得：22rLrdwwWSWWAAASWASWWArdlru)(11 -（5-60） 分析：也可以寫成 其中： 當(dāng)L、d、D改變后，Aw的值也變化了，所以需要重新調(diào)節(jié)平衡。SWWALrw2SLgfLgfALpLsrw2124dfr24Dfp12 1、游梁平衡

6、下沖程平衡重Wb被抬高的距離為： Sc:S=C:a 平衡重塊儲(chǔ)存的位能（對(duì)重物所做功） aCSScbbcwWacSWSA13 在平衡條件下： 則： （3-61） 式中：wb達(dá)到平衡所需要加的平衡重量。 當(dāng)考慮抽油機(jī)本身重量的不平衡時(shí)，則：SWWWScrbc2caWWWcrb)2(cLrbxcaWWW)2(14 式中： 抽油桿本身的不平衡值，是折算到游梁重心位置的附加平衡力，可查抽油機(jī)出廠說明書（具體計(jì)算見魏一書p65） 2、曲柄平衡 下沖程中儲(chǔ)存的位能：cxbBccbwXSRWRWA22平衡重位能曲柄重位能抽油機(jī)不平衡附加位能bcccbrXWRRW22215 式中： R曲柄平衡半徑，m； wc

7、b曲柄平衡塊重量，N; Rc曲柄本身的重心到曲柄軸心的距離，m; Wc曲柄自重，N; SBB點(diǎn)的最大位移，SB=2r r曲柄銷離曲柄軸心的距離稱為曲柄半徑，m（取決于采用的懸點(diǎn)沖程） xb抽油機(jī)本身的不平衡值，是折算到尾軸承處的附加平衡力，N。16 在平衡條件下： 將 代入上式，并進(jìn)行整理可得，達(dá)到平衡所需的平衡半徑的計(jì)算公式： （3-62）bLccbLrxWRRWSWW222)2(barS2cbcccbbcbLrWWRWxrWrbaWWR)2(17 表達(dá)式說明：曲柄平衡通常是通過改變平衡半徑R來調(diào)節(jié)平衡。 注：對(duì)某一型號(hào)的抽油機(jī)a、b、Wcb、Wc、Q、xb均為已知常數(shù)，將這些數(shù)值代入式（3

8、-62）就可得該型抽油機(jī)的計(jì)算公式。（見書P105例題） 3、復(fù)合平衡 如圖所示：復(fù)合平衡是上述兩種平衡方式的組合，也可用同樣的方法得到其計(jì)算公式：18 下沖程儲(chǔ)存的位能： 而： 在平衡條件下： （3-63） 式中符號(hào)同前。)(22cbcccbwxWSRWRWAbcracbaracSSc22cbcccbbuccblrWWRWrbcWXWrbaWWR)()2()(2222)2(cbcccbLrxWbcrWRRWbarWW19 提示：上面介紹的只是以上下沖程中電動(dòng)機(jī)做的功相等作為平衡標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的方法。在實(shí)際工作中都不便于按此標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)和調(diào)整平衡。為此，作為檢驗(yàn)和調(diào)整平衡時(shí)，大多采用上下沖程的扭矩或

9、電流峰值相等作為平衡條件。 （四）抽油機(jī)平衡檢驗(yàn)方法 敘：抽油機(jī)在生產(chǎn)過程中，不會(huì)一直是平衡的（平衡是指一段時(shí)間內(nèi)），因受地層情況（ps 造成 L 增加 ）油井情況（）及油井工作制度的改變（F、S、n配合）都會(huì)破壞抽油機(jī)原來的平衡，因而要定時(shí)檢查，及時(shí)調(diào)整20 1、觀察法 即用眼觀察抽油機(jī)啟動(dòng)是否順利，電動(dòng)機(jī)是否有“鳴”的怪叫聲，通常平衡的抽油機(jī)比較容易啟動(dòng)，無怪叫聲。 2、測(cè)量驢頭上下沖程的時(shí)間： Tu=Td 平衡 T一上或下沖程所用時(shí)間 TuTd 平衡過輕 則應(yīng)增大平衡重或平衡半徑R.21 3、測(cè)量上、下沖程的電流（可用鉗形電流表來測(cè)量） 抽油機(jī)在平衡條件下工作時(shí)，上、下沖程的電流峰值應(yīng)該

10、相等。 Iu=Id 平衡 IuId 平衡過輕，則應(yīng)增大平衡重或增大平衡半徑R. IuId 平衡過重，則應(yīng)減小平衡重或減小平衡半徑R. 實(shí)際中，要使上下沖程電流強(qiáng)度絕對(duì)相等是困難的，一般規(guī)定最小電流與最大電流之比大于或等于70%，即認(rèn)為抽油機(jī)是平衡的。22 五、曲柄軸扭矩計(jì)算 敘：抽油機(jī)工作時(shí)，由懸點(diǎn)負(fù)荷及平衡重在曲柄軸上造成的扭矩與電動(dòng)機(jī)輸給曲柄軸的扭矩相平衡。因此，通過懸點(diǎn)負(fù)荷及平衡重來計(jì)算曲柄軸的扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作，而且可以檢查計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率及功率的利用情況。 抽油機(jī)所配的減速箱都允許的最大扭矩，它既限制油井生產(chǎn)時(shí)所采用的最大抽汲系數(shù)Fp 、S、n及L，同時(shí)又

11、限制著為了保證大參數(shù)生產(chǎn)所需要的電動(dòng)機(jī)功率，因此了解抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的最大扭矩，是分析抽油機(jī)設(shè)備工作狀況的重要內(nèi)容。下面介紹在實(shí)際工作中所采用的扭矩計(jì)算法扭矩近似計(jì)算法。23 目的： 1）檢查抽油機(jī)減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)的工作狀況。 2）選擇合適的電動(dòng)機(jī)。 （一）基本公式 近似計(jì)算是把抽油桿的四連桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，略去抽油機(jī)幾何特性的影響，另外還忽略了游梁平衡塊所產(chǎn)生的慣性力，此時(shí)計(jì)算曲柄軸扭矩的公式為：24 式中：M-曲柄軸扭矩，Nm S-光桿沖程，m p -懸點(diǎn)負(fù)荷，N -曲柄轉(zhuǎn)角。 Ce-平衡值，表示被平衡重平衡了的懸點(diǎn)負(fù)荷。其理論需要值Ce=Wr+WL/2 （ 即是為了保持平衡，理論

12、上需要的平衡值）sin)(2ecpsM3-6425 （二）計(jì)算最大扭矩的近似公式 敘：從式（3-64）中可看出，如果上沖程和下沖程中，懸點(diǎn)載荷P若為一常數(shù)（即示功圖為一長(zhǎng)方形）時(shí)，扭矩M為隨力而邊的正弦曲線（如圖2-38所示，P105）,實(shí)際上在上沖程和下沖程中懸點(diǎn)載荷并不是常數(shù)，而是隨而變化。因此，實(shí)際扭矩雖然也隨而變，但不是正弦函數(shù)。對(duì)我們來說，感興趣的問題是求的扭矩的最大值。26 假定懸點(diǎn)最大載荷發(fā)生在=90，即p90=pmax，則由公式（3-64）可得： 考慮到動(dòng)載荷的影響時(shí)上式進(jìn)行修正： a、b為修正系數(shù)，可根據(jù)懸點(diǎn)最大負(fù)荷發(fā)生的位置（可由實(shí)測(cè)和理論計(jì)算得到），位置從下死點(diǎn)算起，用占

13、沖程長(zhǎng)度的百分?jǐn)?shù)來表示，及用沖程查表3-10，見P107 例題：見書P107。)(2maxmaxecPsM)(2maxmaxebcaPsM27例：某井在抽油機(jī)平衡工作條件下，Pmax為73520N，抽油桿柱重Wr為51234N，液柱重Wl為18346N，最大載荷位置為35%，s為1.8米，計(jì)算減速箱的最大扭矩。（a、b校正系數(shù)分別為1.05、0.9）解：已知Pmax=73520N， Nce604072183465123428604079 . 07352005. 128 . 1maxMMN 7 .2054629 六、電動(dòng)機(jī)的選擇和功率計(jì)算 敘：抽油機(jī)的動(dòng)力： 絕大多數(shù)：電動(dòng)機(jī) 正在少量試用：天然

14、氣發(fā)動(dòng)機(jī) 多數(shù)油田都是以抽油井為主，用于抽油的電能消耗就很大。因此抽油裝置的電動(dòng)機(jī)的選擇，一方面直接關(guān)系到電能的利用效率，另外一方面將關(guān)系到能否充分發(fā)揮抽油設(shè)備和油層生產(chǎn)能力的問題。30 游梁式抽油裝置的特點(diǎn)： （1）負(fù)荷是脈沖的，而且變化大； （2）啟動(dòng)條件困難，要求有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 （3）所用的電動(dòng)機(jī)功率不太大，一般不超過40千瓦，小的只有幾千瓦，但總的數(shù)量大。 （4）在露天工作，要求電動(dòng)機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠。31 類型不確定：為了滿足以上要求，目前抽油機(jī)所用電動(dòng)機(jī)都是封閉式鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)。 該電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，堅(jiān)固，易于修理。 電動(dòng)機(jī)選擇的內(nèi)容：1）確定適合于抽油機(jī)工作特點(diǎn)的類型。

15、2）確定適合于各型抽油機(jī)工作能力的電動(dòng)機(jī)的容量（即功率）。 （下面就著重討論2）問題。）32 1、電動(dòng)機(jī)功率與傳到減速箱曲柄軸的扭矩關(guān)系式為： 式中：M電動(dòng)機(jī)傳給曲柄軸上的扭矩，Nm; Nr電動(dòng)機(jī)功率，KW; 傳動(dòng)效率， = 1 2 1 皮帶輪傳動(dòng)效率 2 減速箱傳動(dòng)效率 n 曲柄轉(zhuǎn)速（沖數(shù)）（減速箱輸出軸上的轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)/分。rNM95459545MnNr（3-67）（3-67）33 2、計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般是利用抽油機(jī)等值扭矩來計(jì)算功率。 原因：在交變載荷作用下曲柄扭矩在整個(gè)工作過程中是變化的，而只是在上下沖程的某一瞬時(shí)達(dá)到最大值。因此，電動(dòng)機(jī)選擇不能根據(jù)瞬時(shí)最大扭矩來計(jì)算，否則

16、電動(dòng)機(jī)在大部分時(shí)間不能滿載工作，其效率和功率因素都不高，電能的利用就不充分，而應(yīng)該用等值扭矩來計(jì)算功率。34 等值扭矩：以一個(gè)不變化的固定扭矩，代替變化的實(shí)際扭矩，使其電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條件相同（消耗的電量相同），則此固定扭矩，即為實(shí)際變化的扭矩的等值扭矩。 式中： Nr 需要的電動(dòng)機(jī)功率（即需要選用的電動(dòng)機(jī)額定功率），千瓦（KW） Me曲柄軸上的等值扭矩。 其余符號(hào)同前。9545nMNer（3-68）35 計(jì)算抽油機(jī)等值扭矩 等值扭矩與最大扭矩之間有一定關(guān)系，設(shè)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，而使扭矩呈正弦規(guī)律變化時(shí)， 但實(shí)際扭矩不是呈正弦規(guī)律變化的，考慮到抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡性，參考一些實(shí)際扭矩分析資料，一般

17、采用：max707.0MMe max6 .0MMe 36 從而得： 如果取=0.9，則： 上式就是利用曲柄扭矩確定電動(dòng)機(jī)功率的簡(jiǎn)化公式，公式中的Mmax用前面的修正公式計(jì)算。95456 .0maxnMNr14318maxnMNr（3-69）37 分析上式可知：Nr與抽油機(jī)的沖數(shù)成正比，而出廠時(shí)所配電動(dòng)機(jī)功率是根據(jù)減速箱的允許扭矩和抽油機(jī)的最低沖數(shù)時(shí)配備的電動(dòng)機(jī)。雖然，在高沖數(shù)下生產(chǎn)時(shí)，出廠所選擇的電動(dòng)機(jī)限制了抽油機(jī)的最大生產(chǎn)能力，因此出廠后在油田上實(shí)際使用過程中，當(dāng)抽油機(jī)在高載荷下用大沖程、大沖數(shù)生產(chǎn)時(shí)，就需要更換大的電動(dòng)機(jī)，其原則是加在抽油機(jī)驢頭負(fù)荷和曲柄扭矩不能超過抽油機(jī)的允許值。38 例題：某型號(hào)