3.3抽油機(jī)平衡計(jì)算本03講稿用

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，即電動機(jī)不僅不需要對外做功，反而是抽油桿帶動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(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)動不平衡的后果： （1）電動機(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，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儲存起來，而在上沖程中利用儲有能量幫助電動機(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)。5cLrbxcaWWW)2(1）游梁平衡直接確定平衡重2）曲柄平衡則確定平衡半徑cbcccbbcbLrWWRWxrWrbaWWR)2(3）復(fù)合平衡一般也是確定平衡半徑cbcccbbuccblrW

3、WRWrbcWXWrbaWWR)()2(6 （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機(jī)一起對重物做功，則：73）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(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 (AuAW Amu) 平衡條件 AmuAmd 即 AwAdAuAw2duwAAA3-59抽油桿自重和電機(jī)一起對重物作功重物和電機(jī)一起對懸點(diǎn)作功8Ad-抽油桿柱對重物所做的功（即懸點(diǎn)

4、 在下沖程所做的功）；Amd-電動機(jī)在下沖程中對重物作的功；Aw-重物增加的位能（即下沖程中抽油桿自重和電動機(jī)對重物所作的功）Au-上沖程懸點(diǎn)作的功（重物和電動機(jī)對懸點(diǎn)所作的總功；）Amu-上沖程電動機(jī)作的功； 9 結(jié)論：上式說明要抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，在在下沖程中需要儲存的能量為上下沖程中下沖程中需要儲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)算懸點(diǎn)所作功之和的一半，這是平衡計(jì)算的依據(jù)。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(jī)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(jī)械平衡。10圖360 氣動平衡簡圖 1氣

5、缸；2活塞；3氣包1、氣動平衡 如圖所示，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(zhuǎn)換成膨脹能幫助電動機(jī)做功。 氣動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。112、機(jī)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(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

6、慣性力，適用于大型抽油機(jī)。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)。12 （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)(13 -（5-60） 分析：也可以寫成 其中： 當(dāng)L、d、D、S改變后，Aw的值也變化了，所以需要重新調(diào)節(jié)平衡。SWWALrw2SLgfLgfALpLsrw2124dfr24

7、Dfp141、游梁平衡 下沖程平衡重Wb被抬高的距離為： Sc:S=C:a平衡重塊儲存的位能（對重物所做功） aCSScbbcwWacSWSA圖361 游梁平衡 15 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(16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）cx17bBccbwXSRWRWA22平衡重位能抽油機(jī)不平衡附加位能曲柄重位能bcccbrXWRRW2222、曲柄平衡 下沖程中儲存的位能

8、：圖362 曲柄平衡18 式中： R曲柄平衡半徑，m； wcb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。19 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(20 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：對某一型號的抽油機(jī)a、

9、b、Wcb、Wc、Q、xb均為已知常數(shù)，將這些數(shù)值代入式（3-62）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：21圖363 復(fù)合平衡)(22cbcccbwxWSRWRWA下沖程儲存的位能：bcracbaracSSc22而：22 在平衡條件下： （3-63） 式中符號同前。cbcccbbuccblrWWRWrbcWXWrbaWWR)()2()(2222)2(cbcccbLrxWbcrWRRWbarWW23 提示：上面介紹的只是以上下沖程中電動機(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

10、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（見水，密度上升，就可能換泵）及油井工作制度的改變（F、S、n配合）都會破壞抽油機(jī)原來的平衡，因而要定時(shí)檢查，及時(shí)調(diào)整。24 1、觀察法 即用眼觀察抽油機(jī)啟動是否順利，電動機(jī)是否有“嗚嗚”的怪叫聲，通常平衡的抽油機(jī)比較容易啟動，無怪叫聲。 2、測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（相同或基本相同）； TuTd 平衡過輕 則應(yīng)增

11、大平衡重或平衡半徑R.25 3、測量上、下沖程的電流（可用鉗形電流表來測量） 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。26五、曲柄軸扭矩計(jì)算方法介紹問題提出：1、為何要研究曲柄軸扭矩計(jì)算？（1）檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作。（2）可以檢查計(jì)算電動機(jī)的功率及功率的利用情況。2、如何計(jì)算扭矩?cái)ⅲ撼橛蜋C(jī)正常工作時(shí)，由懸點(diǎn)負(fù)荷及平衡重在曲柄軸

12、上造成的扭矩與電動機(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。271、給出三種平衡方式計(jì)算扭矩的精確公式；（但可變參數(shù)多，難于直接用于實(shí)際計(jì)算）見（3-56a/b/c)2、給出簡化式見P124;引入了扭矩因數(shù)3、扭矩曲線的繪制與應(yīng)用 上面談到的計(jì)算方法，用人工計(jì)算都較復(fù)雜，現(xiàn)在一般是利用計(jì)算機(jī)計(jì)算，并繪制出扭矩曲線，可以直觀觀察抽油機(jī)的平衡狀況； 應(yīng)用：P126-128284、最大扭矩計(jì)算方法研究 雖然扭矩曲線是目前用來確定扭矩的最準(zhǔn)確的方法，但繪制扭矩曲線仍然比較繁雜。 另外在選擇抽油設(shè)備和預(yù)測新抽汲參數(shù)下的最大扭矩時(shí)，通常因不能預(yù)先測的示功圖（或懸點(diǎn)載荷），也無

13、法繪制扭矩曲線。 所以，在一般分析中大多采用直接計(jì)算的方法。 即最大扭矩計(jì)算方法。29 抽油機(jī)所配的減速箱都有允許的最大扭矩，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)又限制著為了保證大參數(shù)生產(chǎn)所需要的電動機(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。30 （一）計(jì)算曲柄軸扭矩基本公式 近似計(jì)算是把抽油桿的四連桿運(yùn)動簡化為簡諧運(yùn)動，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：31式中：M-曲柄軸扭矩，Nm S-光桿沖程，m p -懸點(diǎn)

14、負(fù)荷，N -曲柄轉(zhuǎn)角。 sin)(2ecpsM3-6432Ce-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（ 即是為了保持平衡，理論上需要的平衡值）2lreWWC實(shí)際需要值Ce,抽油機(jī)工作時(shí)，為了達(dá)到平衡所需要的平衡值。)(21minmaxPPCe33（二）計(jì)算最大扭矩的近似公式 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：例題：見書P107。 )(4)(2minmaxmaxmaxPPscPsMe)(21minmaxPPCe其中34 六、電動機(jī)的選擇和功率計(jì)算 敘：抽油機(jī)的動力： 絕大多數(shù)：電動機(jī) 正在少量試用：天然氣發(fā)動機(jī) 多數(shù)油田都是以抽油井為主

15、，用于抽油的電能消耗就很大。因此抽油裝置的電動機(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。35 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）啟動條件困難，要求有大的啟動轉(zhuǎn)矩。 （3）所用的電動機(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，要求電動機(jī)維護(hù)簡單，工作可靠。36 類型不確定：為了滿足以上要求，目前抽油機(jī)所用電動機(jī)都是封閉式鼠籠型異步電動機(jī)。 該電動機(jī)特點(diǎn)：構(gòu)造簡單，堅(jiān)固，易于修理。 電動機(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。2）確定適合于各型抽油機(jī)工作能力的

16、電動機(jī)的容量（即功率）。 （下面就著重討論2）問題。）37 1、電動機(jī)功率與傳到減速箱曲柄軸的扭矩關(guān)系式為： 式中：M電動機(jī)傳給曲柄軸上的扭矩，Nm; Nr電動機(jī)功率，KW; 傳動效率， = 1 2 1 皮帶輪傳動效率 2 減速箱傳動效率 n 曲柄轉(zhuǎn)速（沖數(shù)）（減速箱輸出軸上的轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)/分。mrrniNnNM954995499549MnNr（3-67）（3-67）38 2、計(jì)算電動機(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，電動機(jī)選擇不能根據(jù)瞬時(shí)最大扭矩來計(jì)算，否則電動機(jī)在大部分

17、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。39 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 需要的電動機(jī)功率（即需要選用的電動機(jī)額定功率），千瓦（KW） Me曲柄軸上的等值扭矩。 其余符號同前。9549nMNer（3-68）40 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)動為簡諧運(yùn)動，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，一般采用：max707.0MMe max6 .0MMe max6.0MMe 41 從而得： 如果取=0.9，則： 上式就是利用曲柄扭矩確定電動機(jī)功率的簡化公式，公式中的Mmax用前面的修正公式計(jì)算。95496 .0maxnMNr14388maxnMNr（3-69）42 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)配備的電動機(jī)。雖然，在高沖數(shù)下生產(chǎn)時(shí)，出廠所選擇的電動機(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)