抽油機平衡計算本講稿2

四、抽油機平衡計算問題提出：(1)為什么要研究抽油機平衡問題（或不平衡所帶來的后果）。（2）如何計算或檢查抽油機的平衡。1從前面的懸點載荷計算，可知：當抽油機不加平衡裝置時，

上沖程：懸點承受最大載荷，電動機做功（正功）提升負荷。

下沖程：懸點在抽油桿的自重作用下克服浮力下行，即電動機不僅不需要對外做功，反而是抽油桿帶動電動機轉動，電動機做負功。

這就造成了抽油機在上下沖程中的不平衡。2抽油機運動不平衡的后果：（1）電動機的負荷不均勻，造成功率的浪費和效率降低。（2）由于由于這種不平衡使抽油機發(fā)生振動，容易引起事故，影響抽油機裝置的壽命。（3）破壞曲柄旋轉適度的均勻性，影響抽油桿和泵的正常工作。所以抽油機必須安裝平衡裝置。3（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儲存起來，而在上沖程中利用儲有能量幫助電動機一起做功提升負荷。2）研究各種平衡方式實質(zhì)上就是如何計算所加的平衡重，假設在抽油機后梁上加一重物，在下沖程中讓抽油桿自重和電動機一起對重物做功，則：43）平衡原理

在下沖程中能夠把能量儲存起來，而在上沖程中利用儲有能量幫助電動機一起做功提升負荷，使得電機上、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＋Am)

平衡條件

Amu＝Amd

即Aw－Ad＝Au－Aw3-595Ad---抽油桿柱對重物所做的功（即懸點在下沖程所做的功）；Amd---電動機在下沖程中對重物作的功；Aw---重物增加的位能（即重物的位能升高了）Au----重物和電動機對懸點所作的總功；Amu----上沖程電動機作的功；

6理解：上式說明要抽油機運轉平衡，在下沖程中需要儲存的能量為上沖程中懸點所作功之和的一半，這是平衡計算的依據(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機輸出的能量儲存起來，可以采用不同的形式來儲存能量，即所謂不同的平衡方式。目前采用的有氣動平衡和機械平衡。71、氣動平衡如圖3-50所示，下沖程中通過游梁帶動活塞壓縮氣缸中的氣體，把下沖程中作的功儲存成為氣體的壓縮能；上沖程中被壓縮的氣體膨脹，將儲存的壓縮能轉換成膨脹能幫助電動機做功。氣動平衡多采用于大型抽油機。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。82、機械平衡在上沖程中，以增加平衡重塊的位能來儲存的能量；在上沖程重平衡重降低位能來幫助電動機做功。機械平衡方式有三種：1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡重，適用于小型抽油機。2）曲柄平衡（旋轉平衡）：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。3）復合平衡（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。9（三）平衡計算上沖程中懸點作的功：下沖程中懸點作的功：（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，若按四連桿機構分析計算，作正功和作負功正好抵消，所以為零。將Au和Ad代入（3-59）得：10--------（5-60）分析：也也可以寫寫成其中：當L、d、D改改變后，，Aw的的值也變變化了，，所以需需要重新新調(diào)節(jié)平平衡。111、游梁梁平衡下沖程平平衡重Wb被抬高的的距離為為：Sc:S=C:a平衡重塊塊儲存的的位能（（對重物物所做功功）12在平衡條條件下：：則：——（3-61）式中：wb—達到平平衡所需需要加的的平衡重重量。當考慮抽抽油機本本身重量量的不平平衡時，，則：13式中：—抽油桿桿本身的的不平衡衡值，是是折算到到游梁重重心位置置的附加加平衡力力，可查查抽油機機出廠說說明書（（具體計計算見魏魏一書p65）2、曲柄柄平衡下沖程中中儲存的的位能：：平衡重位位能曲柄重位位能抽油機不不平衡附附加位能能14式中：R—曲柄柄平衡半半徑，m；wcb—曲柄平平衡塊重重量，N;Rc—曲柄本本身的重重心到曲曲柄軸心心的距離離，m;Wc—曲柄自自重，N;SB—B點的的最大位位移，SB=2rr—曲柄柄銷離曲曲柄軸心心的距離離稱為曲曲柄半徑徑，m（（取決于于采用的的懸點沖沖程）xμb—抽油機機本身的的不平衡衡值，是是折算到到尾軸承承處的附附加平衡衡力，N。15在平衡條條件下：：將代代入入上式，，并進行行整理可可得，達達到平衡衡所需的的平衡半半徑的計計算公式式：——（3-62）16表達式說說明：曲曲柄平衡衡通常是是通過改改變平衡衡半徑R來調(diào)節(jié)節(jié)平衡。。[注]：：對某一一型號的的抽油機機a、b、Wcb、Wc、Q、xμb均為已知知常數(shù)，，將這些些數(shù)值代代入式（（3-62）就就可得該該型抽油油機的計計算公式式。（見見書P105例題）3、復合合平衡如圖所示示：復合合平衡是是上述兩兩種平衡衡方式的的組合，，也可用用同樣的的方法得得到其計計算公式式：17下沖程儲儲存的位位能：而：在平衡條條件下：：——（3-63）式中符號號同前。。18[提示]：上面面介紹的的只是以以上下沖沖程中電電動機做做的功相相等作為為平衡標標準進行行計算的的方法。。在實際際工作中中都不便便于按此此標準檢檢驗和調(diào)調(diào)整平衡衡。為此此，作為為檢驗和和調(diào)整平平衡時，，大多采采用上下下沖程的的扭矩或或電流峰峰值相等等作為平平衡條件件。（四）抽抽油機平平衡檢驗驗方法敘：抽油油機在生生產(chǎn)過程程中，不不會一直直是平衡衡的（平平衡是指指一段時時間內(nèi)）），因受受地層情情況（ps造成L增加加））油井情情況（））及油井井工作制制度的改改變（F、S、、n配合合）都會會破壞抽抽油機原原來的平平衡，因因而要定定時檢查查，及時時調(diào)整191、觀察察法即用眼觀觀察抽油油機啟動動是否順順利，電電動機是是否有““鳴~””的怪叫叫聲，通通常平衡衡的抽油油機比較較容易啟啟動，無無怪叫聲聲。2、測量量驢頭上上下沖程程的時間間：Tu=Td平衡T一上或或下沖程程所用時時間Tu<Td平衡過重重則則應減減少平衡衡重或平平衡半徑徑R.Tu>Td平衡過輕輕則則應增增大平衡衡重或平平衡半徑徑R.203、測量量上、下下沖程的的電流（（可用鉗鉗形電流流表來測測量）抽油機在在平衡條條件下工工作時，，上、下下沖程的的電流峰峰值應該該相等。。Iu=Id平衡Iu>Id平衡過輕輕，則應應增大平平衡重或或增大平平衡半徑徑R.Iu<Id平衡過重重，則應應減小平平衡重或或減小平平衡半徑徑R.實際中，，要使上上下沖程程電流強強度絕對對相等是是困難的的，一般般規(guī)定最最小電流流與最大大電流之之比大于于或等于于70%，即認認為抽油油機是平平衡的。。21五、曲柄柄軸扭矩矩計算敘：抽油油機工作作時，由由懸點負負荷及平平衡重在在曲柄軸軸上造成成的扭矩矩與電動動機輸給給曲柄軸軸的扭矩矩相平衡衡。因此此，通過過懸點負負荷及平平衡重來來計算曲曲柄軸的的扭矩，，不僅可以以檢查減減速箱是是否在超超扭矩條條件下工工作，而而且可以以檢查計計算電動動機的功功率及功功率的利利用情況況。抽油機所所配的減減速箱都都允許的的最大扭扭矩，它它既限制制油井生生產(chǎn)時所所采用的的最大抽抽汲系數(shù)數(shù)Fp、S、n及及L，同同時又限限制著為為了保證證大參數(shù)數(shù)生產(chǎn)所所需要的的電動機機功率，，因此了了解抽油油機在運運轉過程程中產(chǎn)生生的最大大扭矩，，是分析析抽油機機設備工工作狀況況的重要要內(nèi)容。。下面介介紹在實實際工作作中所采采用的扭扭矩計算算法———扭矩近近似計算算法。22目的：1）檢查查抽油機機減速機機和電動動機的工工作狀況況。2）選擇擇合適的的電動機機。（一）基基本公式式近似計算算是把抽抽油桿的的四連桿桿運動簡簡化為簡簡諧運動動，略去去抽油機機幾何特特性的影影響，另另外還忽忽略了游游梁平衡衡塊所產(chǎn)產(chǎn)生的慣慣性力，，此時計計算曲柄柄軸扭矩矩的公式式為：23式中：M---曲柄軸軸扭矩，，NmS---光桿沖沖程，mp---懸點點負荷，，NΦ---曲柄柄轉角。。Ce---平衡衡值，表表示被平平衡重平平衡了的的懸點負負荷。其其理論需需要值Ce=Wr`+WL`/2（（即即是為了了保持平平衡，理理論上需需要的平平衡值））3-6424（二）計計算最大大扭矩的的近似公公式敘：從式式（3-64））中可看看出，如如果上沖沖程和下下沖程中中，懸點點載荷P若為一一常數(shù)（（即示功功圖為一一長方形形）時，，扭矩M為隨力力而邊的的正弦曲曲線（如如圖2-38所所示，P105）,實實際上在在上沖程程和下沖沖程中懸懸點載荷荷并不是是常數(shù)，，而是隨隨Φ而變變化。因因此，實實際扭矩矩雖然也也隨Φ而而變，但但不是正正弦函數(shù)數(shù)。對我我們來說說，感興興趣的問問題是求求的扭矩矩的最大大值。25假定懸點點最大載載荷發(fā)生生在Φ=90°，即p90°=pmax，則由公公式（3-64）可得得：考慮到動動載荷的的影響時時上式進進行修正正：a、b為為修正系系數(shù)，可可根據(jù)懸懸點最大大負荷發(fā)發(fā)生的位位置（可可由實測測和理論論計算得得到），，位置從從下死點點算起，，用占沖沖程長度度的百分分數(shù)來表表示，及及用沖程程查表3-10，見P107例題：見見書P107。。26例：某井井在抽油油機平衡衡工作條條件下，，Pmax為73520N，抽油油桿柱重重Wr為51234N，液柱柱重Wl為18346N，最大大載荷位位置為35%，，s為1.8米米，計算算減速箱箱的最大大扭矩。。（a、、b校正正系數(shù)分分別為1.05、0.9）解：已知知Pmax=73520N，2728六、電動動機的選選擇和功功率計算算敘：抽油油機的動動力：絕大多數(shù)數(shù)：電動動機正在少量量試用：：天然氣氣發(fā)動機機多數(shù)油田田都是以以抽油井井為主，，用于抽抽油的電電能消耗耗就很大大。因此此抽油裝裝置的電電動機的的選擇，，一方面面直接關關系到電電能的利利用效率率，另外外一方面面將關系系到能否否充分發(fā)發(fā)揮抽油油設備和和油層生生產(chǎn)能力力的問題題。29游梁式抽抽油裝置置的特點點：（1）負負荷是脈脈沖的，，而且變變化大；；（2）啟啟動條件件困難，，要求有有大的啟啟動轉矩矩。（3）所所用的電電動機功功率不太太大，一一般不超超過40千瓦，，小的只只有幾千千瓦，但但總的數(shù)數(shù)量大。。（4）在在露天工工作，要要求電動動機維護護簡單，，工作可可靠。30類型不確確定：為了滿滿足以上上要求，，目前抽抽油機所所用電動動機都是是封閉式式鼠籠型型異步電電動機。。該電動機機特點：：構造簡簡單，堅堅固，易易于修理理。電動機選選擇的內(nèi)內(nèi)容：1）確定定適合于于抽油機機工作特特點的類類型。2）確定定適合于于各型抽抽油機工工作能力力的電動動機的容容量（即即功率））。（下面就就著重討討論2））問題。。）311、電動動機功率率與傳到到減速箱箱曲柄軸軸的扭矩矩關系式式為：式中：M—電動動機傳給給曲柄軸軸上的扭扭矩，N·m;Nr—電電動機功功率，KW;η—傳傳動效率率，ηη=ηη1×η2η1—皮帶輪輪傳動效效率η2—減速箱箱傳動效效率n—曲曲柄轉速速（沖數(shù)數(shù)）（減減速箱輸輸出軸上上的轉速速），轉轉/分。?！?-67）——（3-67‘）322、計算算電動機機功率實際應用用時，一一般是利利用抽油油機等值值扭矩來來計算功功率。原因：在在交變載載荷作用用下曲柄柄扭矩在在整個工工作過程程中是變變化的，，而只是是在上下下沖程的的某一瞬瞬時達到到最大值值。因此此，電動動機選擇擇不能根根據(jù)瞬時時最大扭扭矩來計計算，否否則電動動機在大大部分時時間不能能滿載工工作，其其效率和和功率因因素都不不高，電電能的利利用就不不充分，，而應該該用等值值扭矩來來計算功功率。33等值扭矩矩：以一一個不變變化的固固定扭矩矩，代替替變化的的實際扭扭矩，使使其電動動機的發(fā)發(fā)熱條件件相同（（消耗的的電量相相同），，則此固固定扭矩矩，即為為實際變變化的扭扭矩的等等值扭矩矩。式中：Nr—需要的的電動機機功率（（即需要要選用的的電動機機額定功功率），，千瓦（（KW））Me—曲曲柄軸上上的等值值扭矩。。其余符號號同前。?！?-68））34計算抽油油機等值值扭矩等值扭矩矩與最大大扭矩之之間有一一定關系系，設抽抽油機運運動為簡簡諧運動動，而使使扭矩呈呈正弦規(guī)規(guī)律變化化時，但實際扭扭矩不是是呈正弦弦規(guī)律變變化的，，考慮到到抽油機機運轉不不平衡性性，參考考一些實實際扭矩矩分析資資料，一一般采用用：35從而得：：如果取ηη=0.9，則則：上式就是是利用曲