抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析

1、 東 北 石 油 大 學(xué)力 學(xué) 技 能 訓(xùn) 練題 目CYJ12-3.6-73HB游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng) 分析及其載荷分析 院 系 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 工程力學(xué)11級(jí)1班 學(xué)生姓名 董日治 學(xué)生學(xué)號(hào) 110403240128 指導(dǎo)教師 邢海燕 唐友福 2015 年3月29日東北石油大學(xué)力學(xué)技能訓(xùn)練任務(wù)書課程 力學(xué)技能訓(xùn)練 題目 CYJ12-3.6-73HB游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析及其載荷分析 專業(yè) 工程力學(xué) 姓名 董日治 學(xué)號(hào) 110403240128 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等將要進(jìn)行的力學(xué)技能訓(xùn)練具體的內(nèi)容、要求、參考資料如下：1.主要內(nèi)容：（1）深入學(xué)習(xí)和研究常規(guī)型游梁式抽

2、油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析及其載荷分析方面理論知識(shí)。（2）利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)獨(dú)立完成編寫出計(jì)算機(jī)程序并且上機(jī)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。（3）對(duì)于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，通過反復(fù)計(jì)算，得到正確的計(jì)算結(jié)果。（4）對(duì)于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得到相應(yīng)的正確結(jié)論。2.基本要求：（1）獨(dú)立思考，刻苦鉆研，掌握理論研究方法和熟練計(jì)算機(jī)操作技巧；（2）繪制出正確的指定型號(hào)游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線及理論示功圖；（3）撰寫一份規(guī)范的2萬字左右的力學(xué)技能訓(xùn)練報(bào)告。 3.主要參考資料：（1）東北石油大學(xué)電化教學(xué)中心.采油工藝實(shí)習(xí)用光盤. 1999.（2）董世民.抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)M.石油工業(yè)出版社.1987：11-21.（3）

3、萬仁博，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)（第四分冊(cè)）M.石油工業(yè)出版社.1993:36-52.完成期限 2015.3.9-2015.3.29 教師負(fù)責(zé)人 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2015 年 3 月 5 日摘要采油是石油工程中重要的組成部分它的重要性不亞于鉆井，鉆井把石油和地面連通了，而采油才是把石油送到了地面。而直接影響采油質(zhì)量和進(jìn)度的就是采油技術(shù)和設(shè)備。隨著抽油機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，自20世紀(jì)90年代后，陸續(xù)開發(fā)了不同形式的以節(jié)能為目的的抽油機(jī)，節(jié)能抽油機(jī)仍然屬于普通式游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)。抽油機(jī)是抽油機(jī)深井泵抽油系統(tǒng)中的主要地面設(shè)備。游梁式抽油機(jī)主要由游梁-連桿-曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備、輔助設(shè)備等四大部份組

4、成。工作時(shí)，動(dòng)力機(jī)將高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)通過皮帶和減速箱傳給曲柄軸，帶動(dòng)曲柄軸做低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲柄通過連桿經(jīng)橫梁帶動(dòng)游梁作上下往擺動(dòng)，掛在驢頭上的懸繩器便帶動(dòng)抽油桿作上下往復(fù)動(dòng)動(dòng)。掌握抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（懸點(diǎn)的位移、速度和加速度）是研究抽油裝置動(dòng)力學(xué)、確定抽油裝置的基本參數(shù)及運(yùn)行抽油裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此本文運(yùn)用了三種方法分析了懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還有懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確分析。關(guān)鍵詞：采油計(jì)算，采油設(shè)備，載荷計(jì)算目錄第1章概述11.1抽油機(jī)的發(fā)展及研究目的11.2抽油機(jī)的介紹11.3采油方法31.4本文研究?jī)?nèi)容5第2章抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律6

5、2.1懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律62.2簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律72.3懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確分析9第3章 游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算123.1懸點(diǎn)靜載荷的大小和變化規(guī)律123.2懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律14結(jié)論16參考文獻(xiàn)17附錄18第1章概述1.1抽油機(jī)的發(fā)展及研究目的近幾年來，抽油機(jī)節(jié)能問題己日益引起人們的重視，國(guó)內(nèi)的許多生產(chǎn)廠家正在不斷地應(yīng)用新技術(shù)，通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)平衡方式等，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能的目的，己經(jīng)有一大批新型的抽油機(jī)相繼投入油田開采。在開發(fā)新產(chǎn)品的同時(shí)，也要對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造，不斷地推廣節(jié)能技術(shù)。進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，許多科研人員、各大科研院所、抽油機(jī)制造廠家做了大

6、量的研究上作，研制出10多種不同類型的新型抽油機(jī)。數(shù)控抽油機(jī)雖然采用了全新的技術(shù)，屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，但其對(duì)游梁式抽油機(jī)沒有任何繼承，因而價(jià)格昂貴，且控制系統(tǒng)的可靠性還存在一定問題，不能推廣使用。以偏輪抽油機(jī)為代表的幾種六連桿抽油機(jī)，雖然節(jié)能效果顯著，但其活動(dòng)件較多，制造、安裝、調(diào)整、維護(hù)復(fù)雜，現(xiàn)己基本停止了生產(chǎn)，擺桿抽油機(jī)的節(jié)能效果也較明顯，但由于采用了開式滾輪傳動(dòng)，鋼軌磨損嚴(yán)重，而且與常規(guī)機(jī)相比增加大量鋼材和多個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，可靠性大打折扣，其發(fā)展前景也不容樂觀。雙驢頭抽油機(jī)采用柔性四連桿結(jié)構(gòu)，節(jié)能效果較好，結(jié)構(gòu)上與常規(guī)抽油機(jī)相比，減少了尾軸承座連接，增加了后驢頭和軟連接，重量增加較少。其主要

7、問題就是鋼絲繩的折斷問題，但通過合理選用材料和弧面參數(shù)，這一問題將得到解決。隨著數(shù)控切割設(shè)備的出現(xiàn)，其制造難度降低，成本下降，其發(fā)展前景看好，目前國(guó)內(nèi)節(jié)能型抽油機(jī)的應(yīng)用上也證明了這一點(diǎn)。為此，本文在分析目前國(guó)內(nèi)外在用抽油機(jī)的情況基礎(chǔ)上，對(duì)異相曲柄抽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面提高其節(jié)能效果，另一方面提高其系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步進(jìn)行抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。1.2抽油機(jī)的介紹 抽油機(jī)是開采石油的一種機(jī)器設(shè)備，俗稱“磕頭機(jī)”，通過加壓的辦法使石油出井。 當(dāng)抽油機(jī)上沖程時(shí)，油管彈性收縮向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械解堵采油器向上運(yùn)動(dòng)，撞擊滑套產(chǎn)生振動(dòng)；同時(shí)，正向單流閥關(guān)閉，變徑活塞總成封堵油當(dāng)抽油機(jī)下沖程時(shí)，油管彈性伸長(zhǎng)向

8、下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械解堵采油器向下運(yùn)動(dòng)，撞擊滑套產(chǎn)生振動(dòng)；同時(shí)，反向單流閥部分關(guān)閉，變徑活塞總成仍然封堵油套環(huán)形油道，使反向單流閥下方區(qū)域形成高壓區(qū)，這一運(yùn)動(dòng)又對(duì)地層內(nèi)的油流通道產(chǎn)生一種反向的沖擊力。 油井內(nèi)的機(jī)械解堵采油器就是利用油管柱周期性的彈性變形來產(chǎn)生周期性的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)地層產(chǎn)生抽吸擠壓頻繁交替變換的活塞作用。油層內(nèi)“粘連”的液滴和堵塞顆粒物受到這種頻繁地抽吸力和擠壓力擾動(dòng)后，被迫脫離原位，最終，使不易移動(dòng)的液滴開始流動(dòng)，使“粘連”的堵塞顆粒物脫離油道，實(shí)現(xiàn)疏通油道、擴(kuò)大油流增加原油產(chǎn)量的目的。套環(huán)形油道，使正向單流閥下方區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，相當(dāng)于對(duì)地層產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)大的抽吸力。在一個(gè)沖

9、次內(nèi)，隨著抽油桿的上升/下降，而使電機(jī)工作在電動(dòng)/發(fā)電狀態(tài)。上升過程電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量電動(dòng)運(yùn)行；下降過程電機(jī)的負(fù)載性質(zhì)為位勢(shì)負(fù)載，加之井下負(fù)壓等使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，把機(jī)械能量轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。 然而，井下油層的情況特別復(fù)雜，有富油井、貧油井之分，有稀油井、稠油井之別。恒速應(yīng)用問題顯而易見。如拋卻這些不談，就抽油機(jī)油泵本身而言，磨損后的活塞與襯套的間隙漏失等都是很難解決的問題，況且變化的地層因素如油中含砂、蠟、水、氣等復(fù)雜情況也對(duì)每沖次抽出的油量有很大的影響?？磥恚挥姓{(diào)速驅(qū)動(dòng)才能達(dá)到最佳控制。引進(jìn)調(diào)速傳動(dòng)后，可根據(jù)井下狀態(tài)調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖程頻次及分別調(diào)節(jié)上、下行程的速度，在提高泵的充滿系數(shù)的

10、同時(shí)減少泵的漏失，以獲得最大出油量。尤其是采用變頻調(diào)速既無啟動(dòng)沖擊，又可解決選型保守、線路較長(zhǎng)等所致的功率因數(shù)偏低等問題，獲得節(jié)能增效的同時(shí)又能提高整機(jī)壽命。尤其是油泵的壽命，減少機(jī)械故障提高可靠性. 3、管理 一般都是劃分區(qū)域,然后有一個(gè)管理站集中管理，通常只是作些檢查記錄以及維護(hù)等. 抽油機(jī)其實(shí)和我們平時(shí)家里自己打的水井抽水的原理一樣，也是通過一個(gè)活塞拉桿（抽油桿）的抽汲作用把油抽上來，然后通過地下埋的管道送走。唯一不同的地方就是這個(gè)拉桿的動(dòng)作是通過一個(gè)電機(jī)來帶動(dòng)的。 抽油機(jī)目前國(guó)內(nèi)有很多中形式，一般常見的就是電視上看到的那種帶有一個(gè)大大的扇形鐵塊那種，來回運(yùn)動(dòng)，形象地成為“磕頭機(jī)”。也有

11、直線電機(jī)帶動(dòng)的，體積小，據(jù)說節(jié)能效果好些，但是成本比較高。 抽油機(jī)這樣的外形設(shè)計(jì)不是為了節(jié)能，而是從減少對(duì)電網(wǎng)影響的角度來考慮的，因?yàn)槲覀冎喇?dāng)抽油桿下落是，電機(jī)是不做功的，相反還有電能回潰電網(wǎng)，油田的抽油機(jī)比較多，這些回潰的電能是電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變，所以現(xiàn)在有的抽油機(jī)就帶了回潰制動(dòng)或者回潰逆變等多種處理方式。經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)，我國(guó)先后研制了多種游梁式抽油機(jī)，包括前置型、異相型、旋轉(zhuǎn)驢頭式、大輪式以及六桿式雙游梁、雙驢頭抽油機(jī)等。（2）無游梁式抽油機(jī)。無游梁式抽油機(jī)的種類較多，主要為了減輕抽油機(jī)重量，擴(kuò)大設(shè)備的使用范圍以及改善其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，特點(diǎn)多為長(zhǎng)沖程低沖次，適合于深井和稠油井采油。

12、無游梁式抽油機(jī)又分為機(jī)械式無游梁抽油機(jī)和液壓式無游梁抽油機(jī)。我國(guó)先后研制和應(yīng)用了鏈條式抽油機(jī)、皮帶傳動(dòng)抽油機(jī)、滾筒型無游梁式抽油機(jī)和液壓抽油機(jī)等。其中主要以鏈條式抽油機(jī)和皮帶傳動(dòng)抽油機(jī)為代表。鏈條式抽油機(jī)具有長(zhǎng)沖程、低沖次、懸點(diǎn)勻速運(yùn)動(dòng)、負(fù)荷能力大、平衡效果好等特點(diǎn),適合大多數(shù)油井的有桿抽油，尤其適合于抽稠油和深抽。1剎車裝置2電動(dòng)機(jī)3一減速器皮帶輪4一減速器5一動(dòng)力輸入軸6一中間軸7一輸出軸8一曲柄9一曲柄銷10一支架11一曲柄平衡塊12一連桿13一橫梁軸14一橫梁15一游梁平衡塊16一游梁17一支架軸18一驢頭19一懸繩器20一底座圖1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)基本機(jī)構(gòu)圖1.3采油方法采油方法主要

13、有自噴采油和人工舉升兩種。在油井的開發(fā)過程中，當(dāng)對(duì)油井試油后，會(huì)根據(jù)油井的油層物性、壓力，選擇合適的開采方式。 在實(shí)際生產(chǎn)中，油層物性好、壓力高的油井，油氣可自噴到地表，即自噴采油。油層物性差、壓力低的油井，當(dāng)?shù)貙幽芰坎蛔阋詫⒂蜌馀e升到底表時(shí)，應(yīng)人工補(bǔ)充能量，進(jìn)行人工舉升。 一、自噴采油 自噴采油就是原油從井底舉升到井口，從井口流到集油站，全部都是依靠油層自身的能量來完成的。自噴采油的能量來源主要包括兩個(gè)方面，第一是井底油流所具有的壓力，這個(gè)井底壓力來源于油層壓力；第二是隨同原油一起進(jìn)入井底的溶解氣所具有的彈性膨脹能量。就是這些能量把原油從井底連續(xù)不斷地舉升到地面。油井的自噴生產(chǎn)，一般要經(jīng)過四

14、種流動(dòng)過程，即地層滲流、井筒多相管流、嘴流和地面水平或傾斜管流。油層滲流是指原油從油層流到井底的流動(dòng)；井筒多相管流是指從井底沿著井筒上升到井口的流動(dòng)；嘴流是指原油到井口之后通過油嘴的流動(dòng)；地面水平或傾斜管流是指沿著地面管線流到分離器、計(jì)量站。油井自噴生產(chǎn)的條件是地層壓力大于油氣水混合物從地層流至計(jì)量站分離器總的壓力損失。20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)用，對(duì)自噴井的流動(dòng)過程開展了節(jié)點(diǎn)分析研究。所謂節(jié)點(diǎn)分析，就是把油井的整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)（從油層到地面分離器），分成若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)把系統(tǒng)分成若干部分，然后就其各個(gè)部分在生產(chǎn)過程中的壓力損耗進(jìn)行分析，從而比較科學(xué)地分析整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，使油井工作制

15、度更為合理?？傮w來看，自噴采油，井口設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，油井產(chǎn)量高，采油速度高，生產(chǎn)成本低，是一種最佳的采油方式。在管理上要保持合理的生產(chǎn)壓差，施行有效的管理制度，盡可能地延長(zhǎng)油井自噴期，以獲得更多的自噴產(chǎn)量。二、人工舉升 油田開發(fā)中，由于油田本身壓力低，或由于開采一段時(shí)間后油層壓力下降，使得油井不能自噴或不能保持自噴，或雖能自噴但產(chǎn)能很低，則必須借助人為能量進(jìn)行開采，即進(jìn)行人工舉升。人工舉升是指人工給井筒流體增加能量將井底原油舉升至地面的采油方式。分為氣舉采油和機(jī)械采油，其中機(jī)械采油又分為有桿泵和無桿泵采油。1、氣舉采油 氣舉采油就是當(dāng)油井停噴以后，為了使油井能夠繼續(xù)出油，利用高壓壓縮機(jī)，從

16、地面向井筒注入高壓氣體將原油舉升至地面的一種人工舉升方式。氣舉采油是基于U形管的原理，從油管與套管的環(huán)形空間，通過裝在油管上的氣舉閥，將高壓氣體連續(xù)不斷地注入油管內(nèi)，使油管內(nèi)的液體與注入的高壓氣體混合，降低液柱的密度，減少液柱對(duì)井底的回壓，從而使油層與井底之間形成足夠的生產(chǎn)壓差，油層內(nèi)的原油不斷地流入井底，并被舉升到地面。氣舉采油的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）井口和井下設(shè)備比較簡(jiǎn)單；（2）在不停產(chǎn)的情況下，通過不斷加深氣舉，使油井維持較高的產(chǎn)量；（3）可進(jìn)行小直徑工具和儀器的油層補(bǔ)孔、生產(chǎn)測(cè)井和封堵底水并減少井下作業(yè)次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。缺點(diǎn)是需壓縮機(jī)和高壓管線，地面系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，投資大，氣利用率低。主要適

17、用于海上采油、斜井、高產(chǎn)量的深井；氣油(液)比高的油井；定向井和水平井等。氣舉采油必備條件是：（1）必須有單獨(dú)的氣層作為氣源，或可靠的天然氣供氣管網(wǎng)供氣；（2）油田開發(fā)初期，要建設(shè)高壓壓縮機(jī)站和高壓供氣管線，一次性投資大。目前國(guó)內(nèi)采用氣舉采油的油田有：海上珠江口的惠州21-1油田，以及陸上中原油田等，這些油田都有獨(dú)立的氣田或氣層作為氣源供氣。按注氣方式，氣舉又分為連續(xù)氣舉和間歇?dú)馀e。連續(xù)氣舉是將高壓氣體連續(xù)地注入井內(nèi)，使其和地層流入井底的流體一同連續(xù)從井口噴出的氣舉方式。它適用于采油指數(shù)高和因井深造成井底壓力較高的井。間歇?dú)馀e是將高壓氣間歇地注入井中，將地層流入井底的流體周期性地舉升到地面的氣

18、舉方式。間歇?dú)馀e既可用于低產(chǎn)井，也可用于采油指數(shù)高、井底壓力低，或者采油指數(shù)與井底壓力都低的井。 2、有桿泵采油有桿泵采油是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最廣泛應(yīng)用的采油方法，國(guó)內(nèi)有桿泵采油約占人工舉升采油總井?dāng)?shù)的90左右，它設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，管理方便，適應(yīng)性強(qiáng)，從200300米的淺井到3000米的深井，產(chǎn)油量從日產(chǎn)幾噸到日產(chǎn)100200噸都可以應(yīng)用。在設(shè)備制造方面，從地面抽油機(jī)、井下抽油桿到抽油泵，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品早已系列化、成套化，能夠滿足油田生產(chǎn)需要。抽油泵的不足之處是排量不夠大，對(duì)于日產(chǎn)量達(dá)到200噸以上的油井，不能滿足要求。 另一種有桿泵采油方式是地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油。其工作原理是動(dòng)力設(shè)備帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)頭、抽油桿柱旋轉(zhuǎn)

19、，使螺桿泵轉(zhuǎn)子隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，地層產(chǎn)出流體經(jīng)螺桿泵下部吸入，由上端排出，實(shí)現(xiàn)增壓，并沿油管柱向上流動(dòng)。這種采油方法簡(jiǎn)便，實(shí)際使用時(shí)井下也不需要再裝泄油裝置。由于螺桿泵轉(zhuǎn)子隨抽油桿柱下入或起出，剎車裝置電動(dòng)機(jī)減速箱皮帶輪減速箱輸入軸中間軸輸出軸曲柄 曲柄銷支架曲柄平衡塊連桿橫梁尾軸橫梁游梁平衡塊游梁軸游梁驢頭毛辮子底座螺桿泵轉(zhuǎn)子一旦脫離定子（泵筒），油套管之間便連通，于是起到了泄油的作用。同時(shí)可在生產(chǎn)過程中測(cè)量動(dòng)液面，使用費(fèi)用也較低，是較理想的采油方法之一。 3、無桿泵采油 無桿泵采油主要包括潛油電動(dòng)離心泵采油和水力活塞泵采油。 潛油電動(dòng)離心泵是由地面電源、通過變壓器、控制屏和電纜，將電能輸送給井

20、下潛油電機(jī)，使?jié)撚碗姍C(jī)帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，把原油舉升到地面上來。主要由三部分組成：井下部分、地面部分和聯(lián)結(jié)井下與地面的中間部分。井下部分是潛油電動(dòng)離心泵的主要機(jī)組，它由多級(jí)離心泵、油氣分離器、保護(hù)器和潛油電機(jī)四部分組成，是抽油主要設(shè)備；地面部分由控制屏、變壓器和輔助設(shè)備（電纜滾筒、導(dǎo)向輪和井口支座等）組成；輔助設(shè)備包括潛油電動(dòng)離心泵的運(yùn)輸、安裝及操作用的輔助工具和設(shè)備；中間部分由特殊結(jié)構(gòu)的電纜和油管組成，電流從地面輸送到井下，采用特殊結(jié)構(gòu)的電纜，電纜有圓電纜和扁電纜兩種，水力活塞泵是利用地面高壓泵，將動(dòng)力液（水或油）泵入井內(nèi)，井下泵是由一組成對(duì)的往復(fù)式柱塞組成，其中一個(gè)柱塞被動(dòng)力液驅(qū)動(dòng)，從而帶

21、動(dòng)另一個(gè)柱塞將井內(nèi)液體升舉到地面。其優(yōu)點(diǎn)是：揚(yáng)程范圍較大，起下泵操作簡(jiǎn)單。可用于斜井、定向井和稠油井采油。缺點(diǎn)是：地面泵站設(shè)備多、規(guī)模大，動(dòng)力液計(jì)量誤差未能完全解決。1.4本文研究?jī)?nèi)容 主要內(nèi)容：（1）深入學(xué)習(xí)和研究常規(guī)型游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析及其載荷分析方面理論知識(shí)。（2）利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)獨(dú)立完成編寫出計(jì)算機(jī)程序并且上機(jī)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。（3）對(duì)于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，通過反復(fù)計(jì)算，得到正確的計(jì)算結(jié)果。（4）對(duì)于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得到相應(yīng)的正確結(jié)論。第2章抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.1懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖2.1抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 若及，即認(rèn)為曲柄半徑比連桿長(zhǎng)度及游

22、梁后臂長(zhǎng)度小得多，以至于它與和的比值可以忽略。此時(shí)游梁和連桿的連接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以可以看成簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)在垂直中心線上的投影(點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，則任意時(shí)刻(曲柄轉(zhuǎn)過角)點(diǎn)的位移為 (2-2)式中：曲柄轉(zhuǎn)角，； 曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度； 時(shí)間。當(dāng)懸點(diǎn)以下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)，向上為位移正方向，則任意時(shí)刻懸點(diǎn)位移為 (2-3)點(diǎn)的速度為 (2-4)點(diǎn)的加速度為 (2-5)由此可知，抽油機(jī)的一個(gè)沖程中，懸點(diǎn)的速度和加速度不僅大小在變化，而且方向也在變化。上沖程的前半沖程為加速運(yùn)動(dòng)，加速度為正；后半沖程為減速運(yùn)動(dòng)。下沖程只改變了運(yùn)動(dòng)方向，前半沖程仍加速運(yùn)動(dòng)；后半沖程仍為減速運(yùn)動(dòng)

23、。在上、下死點(diǎn)處，懸點(diǎn)加速度的值最大，其值為 (2-6)2.2簡(jiǎn)化為曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所得的結(jié)果，只能在做不太精確的計(jì)算和分析中應(yīng)用。因?yàn)閷?shí)際抽油機(jī)的值是不可忽略的，特別是沖程較大時(shí)，忽略會(huì)引起很大誤差。因此，在分析抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，通常把點(diǎn)繞游梁支點(diǎn)的弧線運(yùn)動(dòng)近似地看做直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)，游梁與連桿的連接點(diǎn)處于上死點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)；當(dāng)時(shí)，點(diǎn)處于下死點(diǎn)；相對(duì)應(yīng)的懸點(diǎn)處于上死點(diǎn)。此時(shí)，任意時(shí)刻(曲柄轉(zhuǎn)過角) 點(diǎn)的位移為 (2-7)則點(diǎn)速度、加速度為 (2-8) (2-9)則可得懸點(diǎn)的位移、速度和加速度分別為 (2-10) (2-11) (2-12)圖2.2懸

24、點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線（簡(jiǎn)化解）圖2.3懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線（簡(jiǎn)化解）2.3懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的精確分析四桿機(jī)構(gòu)的四個(gè)桿件、可以用、四個(gè)矢量來表示，則有 (2-13)上述矢量方程用復(fù)變矢量可表示為將上式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得令方程兩邊實(shí)部和虛部對(duì)應(yīng)相等，則可得如下方程組聯(lián)立求解上述方程，可得連桿及游梁運(yùn)動(dòng)的角速度、為 (2-14)將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得連桿及游梁運(yùn)動(dòng)的角加速度、為 (2-15)當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則、為 (2-16)懸點(diǎn)速度及加速度可由下式計(jì)算 (2-17)當(dāng)懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)及上死點(diǎn)兩極限位置時(shí)，游梁后臂和基桿之間的最大夾角及最小夾角分別為 (2-18)懸點(diǎn)沖程長(zhǎng)度為 (2-22)

25、以下死點(diǎn)為位移的零點(diǎn)，向上為位移正方向，則任意時(shí)刻懸點(diǎn)位移為 (2-19)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律精確解（最大值為24的為加速度，最大值為13的為位移，最大值為7的為速度）圖2.4懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線（精確解）第3章 游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷計(jì)算3.1懸點(diǎn)靜載荷的大小和變化規(guī)律當(dāng)懸點(diǎn)從下死點(diǎn)往上移動(dòng)時(shí)，游動(dòng)閥在柱塞上部油柱壓力作用下關(guān)閉，而固定閥在柱塞下面泵筒內(nèi)、外壓力差作用下打開。由于游動(dòng)閥關(guān)閉，使懸點(diǎn)承受抽油桿自重和柱塞上油柱重,這兩個(gè)載荷的作用方向都是向下的。同時(shí)，由于固定閥打開，使油管外一定沉沒度的油柱對(duì)柱塞下表面產(chǎn)生方向向上的壓力。因此，上沖程時(shí)，懸點(diǎn)的靜載荷等于 (3-1)式中：抽油桿材料

26、的密度，； 原油的密度，； 抽油桿橫截面面積，； 泵柱塞橫截面面積，； 抽油桿長(zhǎng)度或下泵深度，； 泵的沉沒度，； 油井中動(dòng)液面以上(即段液柱)，斷面積等于柱塞面積油柱重,。當(dāng)懸點(diǎn)從上死點(diǎn)往下移動(dòng)時(shí)，游動(dòng)閥由于柱塞上、下壓力差打開，而固定閥在泵筒內(nèi)外壓力差作用下關(guān)閉。游動(dòng)閥打開，使懸點(diǎn)只承受抽油桿柱在油中重量。而固定閥關(guān)閉，使油柱重量移到固定閥和油管上。這樣一來，下沖程時(shí)懸點(diǎn)的靜載荷等于 (3-2)對(duì)抽油柱來說，靜載荷由上沖程的變到下沖程的，減少了油柱重，抽油桿因而縮短。因此當(dāng)懸點(diǎn)往下走了時(shí)，由于抽油桿柱的縮短，柱塞在井下原地不動(dòng)，它對(duì)泵筒不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、因而不能排油。而對(duì)油管柱來說，因?yàn)榧虞d而

27、伸長(zhǎng)了，油管(或泵筒)好像跟著柱塞往下走。所以，在懸點(diǎn)再走完以前，柱塞和泵筒還不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)排油。因此，在排油過程中、柱塞的有效沖程長(zhǎng)度比懸點(diǎn)沖程長(zhǎng)度減少了一個(gè)同樣的靜變形值。這時(shí)，對(duì)抽油桿柱或油管柱來說，載荷都發(fā)生了變化：(1)對(duì)抽油桿來說，在這一瞬間，懸點(diǎn)載荷發(fā)生了變化，由下沖程的變到上沖程的，增加了一個(gè)載荷(油柱重)，載荷增加就使抽油桿伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)的大小等于 (3-3)式中：鋼材的彈性模數(shù)，它等于。(2)對(duì)油管柱來說，下沖程時(shí)，由于游動(dòng)閥打開和固定閥關(guān)閉，油柱重壓在固定閥上，也就是壓在泵筒和油管的下部。而當(dāng)轉(zhuǎn)到上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，整個(gè)油柱的重量都由柱塞和抽油桿柱承擔(dān)，而油管柱上

28、就沒有這個(gè)載荷作用。因此，在抽油桿柱加載的同時(shí)、油管柱卻卸載。卸載引起油管長(zhǎng)度的縮短，直到縮短變形完畢以后，油管柱的載荷才全部卸掉。油管柱的縮短的大小等于 (3-4)式中：油管管壁的橫截面面積，。圖3.1靜力示功圖3.2懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和變化規(guī)律 慣性載荷包括抽油桿柱和油柱兩部分，即和。如果略去抽油桿柱和油柱的彈性影響，可以認(rèn)為，抽油桿柱以及油柱各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和懸點(diǎn)完全一致。所以，和的大小和懸點(diǎn)加速度大小成正比，而作用方向和后者相反 (3-7)式中：考慮油管過流斷面擴(kuò)大引起油柱加速度降低的系數(shù)上式中的表示油管過流斷面的面積，它和式(3-7)中采用的符號(hào)是不的，是表示油管管壁的橫截面面積。1、慣

29、性載荷對(duì)懸點(diǎn)總載荷的影響上沖程時(shí)，柱塞(或抽油桿)帶著油柱運(yùn)動(dòng)，所以上沖程的慣性載荷等于 (3-8)式中：表示油柱慣性載荷與抽油柱載荷的比值。利用式(3-8)可得下沖程時(shí)，柱塞(或抽油桿)不帶動(dòng)油柱運(yùn)動(dòng)，所以下沖程的慣性載荷等于 (3-9)2、慣性載荷對(duì)抽油泵柱塞有效沖程長(zhǎng)度的影響 在上死點(diǎn)，即上沖程的終點(diǎn)處，慣性載荷向上，減小抽油桿柱重量，使抽油桿柱受壓縮，柱塞因而產(chǎn)生附加沖程長(zhǎng)度。在下死點(diǎn)即下沖程的終點(diǎn)處，慣性載荷向下，增加抽油桿的重量，抽油桿柱伸長(zhǎng)，又給柱塞一個(gè)附加沖程長(zhǎng)度，因此柱塞的有效沖程長(zhǎng)度 就由式(3-5)變?yōu)橄率?(3-10)圖3.2考慮慣性載荷下的示功圖結(jié)論 本文研究的抽油機(jī)

30、序號(hào)為55型號(hào)為CYJ10-4.2-53HB將抽油機(jī)簡(jiǎn)化成模型，用力學(xué)的相關(guān)知識(shí)理論計(jì)算和分析抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況和節(jié)點(diǎn)的受力情況。將理論計(jì)算的公式輸入到MATLAB中，分析出應(yīng)用MATLAB的結(jié)果與理論結(jié)果基本相符。 （1）懸點(diǎn)的最大加速度發(fā)生在下死點(diǎn)附近；當(dāng)抽油機(jī)使用沖數(shù)一定時(shí)，懸點(diǎn)最大加速度只取決于抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)尺寸，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，可以改善抽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能。 （2）從懸點(diǎn)在靜載荷慣性載荷作用下的示功圖可以看出，所做的總共基本相等，但由于慣性載荷作用下有加速度，使得在畫示功圖時(shí)斜率有所變化。 （3）從懸點(diǎn)最大載荷的運(yùn)算過程中可以看出，懸點(diǎn)最大載荷有兩個(gè)表達(dá)式，一個(gè)是最大載荷等于

31、抽油桿柱在空氣中的重力，加上柱塞以上抽油桿柱與油管環(huán)形空間的液柱重力，再加上抽油桿柱的慣性載荷；另一個(gè)最大載荷等于抽油管柱在液體中的重力加上柱塞以上相當(dāng)柱塞橫截面積的液體重力，再加上抽油桿柱慣性載荷，其結(jié)果是一樣的。 （4）當(dāng)實(shí)際抽油機(jī)R/P的值不可忽略時(shí)，特別是沖程較大時(shí)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)求解懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)后的結(jié)果在一定的誤差允許范圍內(nèi)可用于一般的計(jì)算和分析。 （5）動(dòng)力示功圖中由于慣性載荷的作用，示功圖變成了扭歪的四邊形。這是由于在上沖程前半段，加速度向上，慣性載荷就向下，這時(shí)懸點(diǎn)的總載荷應(yīng)該等于靜載荷加上慣性載荷。而上沖程后半段，加速度向下，慣性載荷就變?yōu)橄蛏?/p>

32、，所以這時(shí)懸點(diǎn)的總載荷應(yīng)該等于靜載荷減去慣性載荷。下沖程情況剛好相反。 參考文獻(xiàn)（1）東北石油大學(xué)電化教學(xué)中心.采油工藝實(shí)習(xí)用光盤. 1999.（2）董世民，抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)M.石油工業(yè)出版社.1987.11-21.（3）萬仁博，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)（第四分冊(cè)）M.石油工業(yè)出版社.1993:36-52.（4）張建軍,李向齊,游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算M.石油工業(yè)出版社.2005（5）張德豐，MATLAB數(shù)值計(jì)算方法北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2010.1（6）張志涌，精通MATLAB 6.5，北京航空航天大學(xué)出版社.2003（7）孫桓，陳作摸，葛文杰,機(jī)械原理M.高等教育出版社.2006（8）張

33、曉玲,于海迎,抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)概述J.機(jī)械工程師.2006（08）（9）于會(huì)良，提高游梁式抽油機(jī)節(jié)能效果途徑J.內(nèi)江科技.2003（05） 附錄懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)化解1a=4.36;b=2.85;r=2.4;n=31.886;s=740;w=s*6.28/60/n;TT=6.28/w;t=0:TT/100:TT;X=a*r*(1-cos(w*t)/b;plot(t,X);hold on;V=a*r*w*sin(w*t)/b;plot(t,V);aa=a*r*w*w*cos(w*t)/b;plot(t,aa)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)化解2a=4.36;b=2.85;r=2.4;l=3.8;n=31.886;s=

34、740;g=r/l;w=s*6.28/60/n;TT=6.28/w;t=0:TT/100:TT;X=a*r*(1-cos(w*t)+g*sin(w*t).* sin(w*t)/2)/b;plot(t,X);hold on;V=a*r*w*(sin(w*t)+ g*sin(2*w*t)/2)/b;plot(t,V);ac=a*r*w*w*(cos(w*t)+ g*cos(2*w*t)/2)/b;plot(t,ac)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律-精確解A=4.36; C=2.85; R=1.65;P=2.92; n=31.886; s=740;I=2.525; H1=3.8; H2=2.525;K=sqrt(I*

35、I+(H1-H2)* (H1-H2);w=s*6.28/60/n;TT=6.28/w;t=0:TT/100:TT;q0=asin(I/K);q2=6.28-w*t+q0;L=sqrt(R*R+K*K-2*R*K*cos(q2);B=asin(R*sin(q2)./L);q3=acos(P*P+L.*L-C*C)./(2*P*L)-B;q4=acos(P*P-L.*L-C*C)/(2*C*L)-B;X=acos(C*C+L.*L-P*P)./(2*C*L);F=X+B;q21=-w;q22=0;q31=R*q21*sin(q4-q2)./sin(q3-q4) /P;q41= R*q21/C*si

36、n(q3-q2)./sin(q3-q4);q32=q31.*(q22/q21-(q31-q41).*cot(q3-q4)+(q41-q21).*cot(q4-q2);q42=q41.*(q22/q21-(q31-q41).*cot(q3-q4)+(q21-q31).*cot(q2-q3);XX=q4*A;plot(t,XX);hold on;V=q41*A;plot(t,V);aa=q42*A; plot(t,aa)靜載示功圖：f=3.14*0.024*0.024/4;L=2200; P11=7850; P22=950;g=9.8; E=2.1*1011;F=3.14*0.056*0.056/4;H=1200;P1=f*L*(P11-P22)*g;P2=F*(L-H)*P22*g;Y=P2*L/(E*f)/0.7;SS=4.2;YY=SS-Y;t1=0:Y/100:Y;P111=P1+P2*t1/Y;t2=Y:YY/1000:SS;P222=P1+P2;t3=SS:-Y/100:YY;P333=P1+P2-P2/Y*(SS-t3);t4=YY:-YY/1000:0;P444=P1;plot(t1,P111,-);hold