抽油機(jī)平衡計(jì)算本講稿

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。1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。2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，影響抽油桿和泵的正常工作。所以抽油機(jī)必須安裝平衡裝置。3如何計(jì)算或檢查抽油機(jī)的平衡：1、理論方法：（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)上就是如何研究計(jì)算所加的平衡重的方法（或調(diào)平衡半徑計(jì)算方法）2、實(shí)際方法：

檢查上下沖程扭矩或電流峰值相等作為判斷的依據(jù)。41）游梁平衡直接確定平衡重2）曲柄平衡則確定平衡半徑3）復(fù)合平衡一般也是確定平衡半徑5（一）平衡原理敘：解決問題的思路：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：63）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：Amu＝Au－AW

(Au＝AW＋Amu)

平衡條件

Amu＝Amd

即Aw－Ad＝Au－Aw3-59抽油桿自重和電機(jī)一起對(duì)重物作功重物和電機(jī)一起對(duì)懸點(diǎn)作功7Ad---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（即下沖程中抽油桿自重和電動(dòng)機(jī)對(duì)重物所作的功）Au----上沖程懸點(diǎn)作的功（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；

8結(jié)論：上式說明要抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量為上下沖程中懸點(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。9圖3－60氣動(dòng)平衡簡(jiǎn)圖1－氣缸；2－活塞；3－氣包1、氣動(dòng)平衡如圖所示，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。102、機(jī)械平衡衡在上沖程中，，以增加平衡衡重塊的位能能來儲(chǔ)存的能能量；在上沖沖程重平衡重重降低位能來來幫助電動(dòng)機(jī)機(jī)做功。機(jī)械械平衡方式有有三種：1）游梁平衡衡：在游梁尾尾部加平衡重重，適用于小小型抽油機(jī)。。2）曲柄平衡衡（旋轉(zhuǎn)平衡衡）：平衡重重加在曲柄上上，這種平衡衡方式便于調(diào)調(diào)節(jié)平衡，并并且避免在游游梁上造成過過大的慣性力力，適用于大大型抽油機(jī)。。3）復(fù)合平衡衡（混合平衡衡）：在游梁梁尾部和曲柄柄上都加有平平衡重，是上上述兩種方式式的組合，多多用于中型抽抽油機(jī)。11（三）平衡計(jì)計(jì)算上沖程中懸點(diǎn)點(diǎn)作的功：下沖程中懸點(diǎn)點(diǎn)作的功：（注）：由于于慣性載荷，，在上下沖程程中，所作的的功等于零，，所以在Au和Ad中沒有考慮慣慣性力，若按按四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)分析計(jì)算，，作正功和作作負(fù)功正好抵抵消，所以為為零。將Au和Ad代入（3-59）得：12--------（5-60）分析：也可以以寫成其中：當(dāng)L、d、D、S改變后后，Aw的值值也變化了，，所以需要重重新調(diào)節(jié)平衡衡。131、游梁平衡衡下沖程平衡重重Wb被抬高的距離離為：Sc:S=C:a平衡重塊儲(chǔ)存存的位能（對(duì)對(duì)重物所做功功）圖3－61游游梁平衡衡14在平衡條件下下：則：——（3-61）式中：wb—達(dá)到平衡所所需要加的平平衡重量。當(dāng)考慮抽油機(jī)機(jī)本身重量的的不平衡時(shí)，，則：15式中：—抽油桿本身身的不平衡值值，是折算到到游梁重心位位置的附加平平衡力，可查查抽油機(jī)出廠廠說明書（具具體計(jì)算見魏魏一書p65）16平衡重位能抽油機(jī)不平衡衡附加位能曲柄重位能2、曲柄平衡衡下沖程中儲(chǔ)存存的位能：圖3－62曲曲柄平衡衡17式中：R—曲柄平衡衡半徑，m；；wcb—曲柄平衡塊塊重量，N;Rc—曲柄本身的的重心到曲柄柄軸心的距離離，m;Wc—曲柄自重，，N;SB—B點(diǎn)的最大大位移，SB=2rr—曲柄銷離離曲柄軸心的的距離稱為曲曲柄半徑，m（取決于采采用的懸點(diǎn)沖沖程）xμb—抽油機(jī)本身身的不平衡值值，是折算到到尾軸承處的的附加平衡力力，N。18在平衡條件下下：將代代入上式，并并進(jìn)行整理可可得，達(dá)到平平衡所需的平平衡半徑的計(jì)計(jì)算公式：——（3-62）19表達(dá)式說明：：曲柄平衡通通常是通過改改變平衡半徑徑R來調(diào)節(jié)平平衡。[注]：對(duì)某某一型號(hào)的抽抽油機(jī)a、b、Wcb、Wc、Q、xμb均為已知常數(shù)數(shù)，將這些數(shù)數(shù)值代入式（（3-62））就可得該型型抽油機(jī)的計(jì)計(jì)算公式。（（見書P105例題）3、復(fù)合平衡衡如圖所示：復(fù)復(fù)合平衡是上上述兩種平衡衡方式的組合合，也可用同同樣的方法得得到其計(jì)算公公式：20圖3－63復(fù)復(fù)合平衡衡下沖程儲(chǔ)存的的位能：而：21在平衡條件下下：（3-63））式中符號(hào)同前前。22[提示]：上上面介紹的只只是以上下沖沖程中電動(dòng)機(jī)機(jī)做的功相等等作為平衡標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算算的方法。在在實(shí)際工作中中都不便于按按此標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)驗(yàn)和調(diào)整平衡衡。為此，作作為檢驗(yàn)和調(diào)調(diào)整平衡時(shí)，，大多采用上上下沖程的扭扭矩或電流峰峰值相等作為為平衡條件。。（四）抽油機(jī)機(jī)平衡檢驗(yàn)方方法敘：抽油機(jī)在在生產(chǎn)過程中中，不會(huì)一直直是平衡的（（平衡是指一一段時(shí)間內(nèi)）），因受地層層情況（ps造成L增加））油井情況（（見水，密度度上升，就可可能換泵）及及油井工作制制度的改變（（F、S、n配合）都會(huì)會(huì)破壞抽油機(jī)機(jī)原來的平衡衡，因而要定定時(shí)檢查，及及時(shí)調(diào)整。231、觀察法即用眼觀察抽抽油機(jī)啟動(dòng)是是否順利，電電動(dòng)機(jī)是否有有“嗚嗚”的的怪叫聲，通通常平衡的抽抽油機(jī)比較容容易啟動(dòng)，無無怪叫聲。2、測(cè)量驢頭頭上下沖程的的時(shí)間：Tu=Td平衡T一上或下下沖程所用時(shí)時(shí)間（相同或或基本相同））；Tu<Td平衡過重則則應(yīng)減少少平衡重或平平衡半徑R.Tu>Td平衡過輕則則應(yīng)增大大平衡重或平平衡半徑R.243、測(cè)量上、、下沖程的電電流（可用鉗鉗形電流表來來測(cè)量）抽油機(jī)在平衡衡條件下工作作時(shí)，上、下下沖程的電流流峰值應(yīng)該相相等。Iu=Id平衡Iu>Id平衡過輕，則則應(yīng)增大平衡衡重或增大平平衡半徑R.Iu<Id平衡過重，則則應(yīng)減小平衡衡重或減小平平衡半徑R.實(shí)際中，要使使上下沖程電電流強(qiáng)度絕對(duì)對(duì)相等是困難難的，一般規(guī)規(guī)定最小電流流與最大電流流之比大于或或等于70%，即認(rèn)為抽抽油機(jī)是平衡衡的。25五、曲柄軸扭扭矩計(jì)算方法法介紹問題提出：1、為何要研研究曲柄軸扭扭矩計(jì)算？（1）檢查減減速箱是否在在超扭矩條件件下工作。（2）可以檢檢查計(jì)算電動(dòng)動(dòng)機(jī)的功率及及功率的利用用情況。2、如何計(jì)算算扭矩?cái)ⅲ撼橛蜋C(jī)正正常工作時(shí)，，由懸點(diǎn)負(fù)荷荷及平衡重在在曲柄軸上造造成的扭矩與與電動(dòng)機(jī)輸給給曲柄軸的扭扭矩相平衡。。因此，通過過懸點(diǎn)負(fù)荷及及平衡重來計(jì)計(jì)算曲柄軸的的扭矩。261、給出三種種平衡方式計(jì)計(jì)算扭矩的精精確公式；（（但可變參數(shù)數(shù)多，難于直直接用于實(shí)際際計(jì)算）見（（3-56a/b/c)2、給出簡(jiǎn)化化式見P124;引入了扭矩矩因數(shù)3、扭矩曲線線的繪制與應(yīng)應(yīng)用上面談到的計(jì)計(jì)算方法，用用人工計(jì)算都都較復(fù)雜，現(xiàn)現(xiàn)在一般是利利用計(jì)算機(jī)計(jì)計(jì)算，并繪制制出扭矩曲線線，可以直觀觀觀察抽油機(jī)機(jī)的平衡狀況況；應(yīng)用：P126-128274、最大扭矩矩計(jì)算方法研研究雖然扭矩曲線線是目前用來來確定扭矩的的最準(zhǔn)確的方方法，但繪制制扭矩曲線仍仍然比較繁雜雜。另外在選擇抽抽油設(shè)備和預(yù)預(yù)測(cè)新抽汲參參數(shù)下的最大大扭矩時(shí)，通通常因不能預(yù)預(yù)先測(cè)的示功功圖（或懸點(diǎn)點(diǎn)載荷），也也無法繪制扭扭矩曲線。所以，在一般般分析中大多多采用直接計(jì)計(jì)算的方法。。即最大扭矩計(jì)計(jì)算方法。28抽油機(jī)所配的的減速箱都有有允許的最大大扭矩，它既既限制油井生生產(chǎn)時(shí)所采用用的最大抽汲汲系數(shù)Fp、S、n及L，，同時(shí)又限制制著為了保證證大參數(shù)生產(chǎn)產(chǎn)所需要的電電動(dòng)機(jī)功率，，因此了解抽抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生生的最大扭矩矩，是分析抽抽油機(jī)設(shè)備工工作狀況的重重要內(nèi)容。下下面介紹在實(shí)實(shí)際工作中所所采用的扭矩矩計(jì)算法———扭矩近似計(jì)計(jì)算法。29（一）計(jì)算曲曲柄軸扭矩基基本公式近似計(jì)算是把把抽油桿的四四連桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)運(yùn)動(dòng)，略去抽抽油機(jī)幾何特特性的影響，，另外還忽略略了游梁平衡衡塊所產(chǎn)生的的慣性力，此此時(shí)計(jì)算曲柄柄軸扭矩的公公式為：30式中：M---曲柄軸扭扭矩，NmS---光桿桿沖程，mp---懸懸點(diǎn)負(fù)荷，NΦ---曲曲柄轉(zhuǎn)角。3-6431Ce---平平衡值，表示示被平衡重平平衡了的懸點(diǎn)點(diǎn)負(fù)荷。其理理論需要值Ce（即是是為了保持平平衡，理論上上需要的平衡衡值）實(shí)際需要值Ce,抽油機(jī)機(jī)工作時(shí)，為為了達(dá)到平衡衡所需要的平平衡值。32（二）計(jì)算最最大扭矩的近近似公式假定懸點(diǎn)最大大載荷發(fā)生在在Φ=90°，即p90°=pmax，則由公式（（3-64））可得：例題：見書P107。其中33六、電動(dòng)機(jī)的的選擇和功率率計(jì)算敘：抽油機(jī)的的動(dòng)力：絕大多數(shù)：電電動(dòng)機(jī)正在少量試用用：天然氣發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)油田都是是以抽油井為為主，用于抽抽油的電能消消耗就很大。。因此抽油裝裝置的電動(dòng)機(jī)機(jī)的選擇，一一方面直接關(guān)關(guān)系到電能的的利用效率，，另外一方面面將關(guān)系到能能否充分發(fā)揮揮抽油設(shè)備和和油層生產(chǎn)能能力的問題。。34游梁式抽油裝裝置的特點(diǎn)：：（1）負(fù)荷是是脈沖的，而而且變化大；；（2）啟動(dòng)條條件困難，要要求有大的啟啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（3）所用的的電動(dòng)機(jī)功率率不太大，一一般不超過40千瓦，小小的只有幾千千瓦，但總的的數(shù)量大。（4）在露天天工作，要求求電動(dòng)機(jī)維護(hù)護(hù)簡(jiǎn)單，工作作可靠。35類型不確定：為了滿足以以上要求，目目前抽油機(jī)所所用電動(dòng)機(jī)都都是封閉式鼠鼠籠型異步電電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單單，堅(jiān)固，易易于修理。電動(dòng)機(jī)選擇的的內(nèi)容：1））確定適合于于抽油機(jī)工作作特點(diǎn)的類型型。2）確定適合于各各型抽油機(jī)工工作能力的電電動(dòng)機(jī)的容量量（即功率））。（下面就著重重討論2）問問題。）361、電動(dòng)機(jī)功功率與傳到減減速箱曲柄軸軸的扭矩關(guān)系系式為：式中：M—電電動(dòng)機(jī)傳給曲曲柄軸上的扭扭矩，N·m;Nr—電動(dòng)機(jī)機(jī)功率，KW;η—傳動(dòng)效效率，η=η1×η2η1—皮帶輪傳動(dòng)動(dòng)效率η2—減速箱傳動(dòng)動(dòng)效率n—曲柄轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（沖數(shù)））（減速箱輸輸出軸上的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)/分。——（3-67）——（3-67‘）372、計(jì)算電動(dòng)動(dòng)機(jī)功率實(shí)際應(yīng)用時(shí)，，一般是利用用抽油機(jī)等值值扭矩來計(jì)算算功率。原因：在交變變載荷作用下下曲柄扭矩在在整個(gè)工作過過程中是變化化的，而只是是在上下沖程程的某一瞬時(shí)時(shí)達(dá)到最大值值。因此，電電動(dòng)機(jī)選擇不不能根據(jù)瞬時(shí)時(shí)最大扭矩來來計(jì)算，否則則電動(dòng)機(jī)在大大部分時(shí)間不不能滿載工作作，其效率和和功率因素都都不高，電能能的利用就不不充分，而應(yīng)應(yīng)該用等值扭扭矩來計(jì)算功功率。38等值扭矩：以以一個(gè)不變化化的固定扭矩矩，代替變化化的實(shí)際扭矩矩，使其電動(dòng)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱條條件相同（消消耗的電量相相同），則此此固定扭矩，，即為實(shí)際變變化的扭矩的的等值扭矩。。式中：Nr—需要的電動(dòng)動(dòng)機(jī)功率（即即需要選用的的電動(dòng)機(jī)額定定功率），千千瓦（KW））Me—曲柄軸軸上的等值扭扭矩。其余符號(hào)同前前?！?-68）39計(jì)算抽油機(jī)等等值扭矩等值扭矩與最最大扭矩之間間有一定關(guān)系系，設(shè)抽油機(jī)機(jī)運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧諧運(yùn)動(dòng)，而使使扭矩呈正弦弦規(guī)律變化時(shí)時(shí)，但實(shí)際扭矩不不是呈正弦規(guī)規(guī)律變化的，，考慮到抽油油