抽油機(jī)平衡計算本講稿用

四、抽油機(jī)平衡計算問題提出：(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）如何計算或檢查抽油機(jī)的平衡。1從前面的懸點載荷計算，可知：當(dāng)抽油機(jī)不加平衡裝置時，

上沖程：懸點承受最大載荷，電動機(jī)做功（正功）提升負(fù)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(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。2抽油機(jī)運動不平衡的后果：（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質(zhì)上就是如何研究計算所加的平衡重的方法（或調(diào)平衡半徑計算方法）2、實際方法：

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質(zhì)上就是如何計算所加的平衡重，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：63）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：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)一起對重物作功重物和電機(jī)一起對懸點作功7Ad---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(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----上沖程懸點作的功（重物和電動機(jī)對懸點所作的總功；）Amu----上沖程電動機(jī)作的功；

8結(jié)論：上式說明要抽油機(jī)運轉(zhuǎn)平衡，在下沖程中需要儲存的能量為上下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(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。9圖3－60氣動平衡簡圖1－氣缸；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。102、機(jī)機(jī)械平平衡在上沖沖程中中，以以增加加平衡衡重塊塊的位位能來來儲存存的能能量；；在上上沖程程重平平衡重重降低低位能能來幫幫助電電動機(jī)機(jī)做功功。機(jī)機(jī)械平平衡方方式有有三種種：1）游游梁平平衡：：在游游梁尾尾部加加平衡衡重，，適用用于小小型抽抽油機(jī)機(jī)。2）曲曲柄平平衡（（旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平衡衡）：：平衡衡重加加在曲曲柄上上，這這種平平衡方方式便便于調(diào)調(diào)節(jié)平平衡，，并且且避免免在游游梁上上造成成過大大的慣慣性力力，適適用于于大型型抽油油機(jī)。。3）復(fù)復(fù)合平平衡（（混合合平衡衡）：：在游游梁尾尾部和和曲柄柄上都都加有有平衡衡重，，是上上述兩兩種方方式的的組合合，多多用于于中型型抽油油機(jī)。。11（三））平衡衡計算算上沖程程中懸懸點作作的功功：下沖程程中懸懸點作作的功功：（注））：由由于慣慣性載載荷，，在上上下沖沖程中中，所所作的的功等等于零零，所所以在在Au和Ad中沒有有考慮慮慣性性力，，若按按四連連桿機(jī)機(jī)構(gòu)分分析計計算，，作正正功和和作負(fù)負(fù)功正正好抵抵消，，所以以為零零。將Au和Ad代入（（3-59）得得：12--------（（5-60）分析：：也可可以寫寫成其中：：當(dāng)L、、d、、D、、S改改變后后，Aw的的值也也變化化了，，所以以需要要重新新調(diào)節(jié)節(jié)平衡衡。131、游游梁平平衡下沖程程平衡衡重Wb被抬高高的距距離為為：Sc:S=C:a平衡重重塊儲儲存的的位能能（對對重物物所做做功））圖3－－61游游梁梁平衡衡14在平衡衡條件件下：：則：——（（3-61）式中：：wb—達(dá)到到平衡衡所需需要加加的平平衡重重量。。當(dāng)考慮慮抽油油機(jī)本本身重重量的的不平平衡時時，則則：15式中：：—抽油油桿本本身的的不平平衡值值，是是折算算到游游梁重重心位位置的的附加加平衡衡力，，可查查抽油油機(jī)出出廠說說明書書（具具體計計算見見魏一一書p65）16平衡重重位能能抽油機(jī)機(jī)不平平衡附附加位位能曲柄重重位能能2、曲曲柄平平衡下沖程程中儲儲存的的位能能：圖3－－62曲曲柄柄平衡衡17式中：：R—曲曲柄平平衡半半徑，，m；；wcb—曲柄柄平衡衡塊重重量，，N;Rc—曲柄柄本身身的重重心到到曲柄柄軸心心的距距離，，m;Wc—曲柄柄自重重，N;SB—B點點的最最大位位移，，SB=2rr—曲曲柄銷銷離曲曲柄軸軸心的的距離離稱為為曲柄柄半徑徑，m（取取決于于采用用的懸懸點沖沖程））xμb—抽油油機(jī)本本身的的不平平衡值值，是是折算算到尾尾軸承承處的的附加加平衡衡力，，N。。18在平衡衡條件件下：：將代代入上上式，，并進(jìn)進(jìn)行整整理可可得，，達(dá)到到平衡衡所需需的平平衡半半徑的的計算算公式式：——（（3-62）19表達(dá)式式說明明：曲曲柄平平衡通通常是是通過過改變變平衡衡半徑徑R來來調(diào)節(jié)節(jié)平衡衡。[注]：對對某一一型號號的抽抽油機(jī)機(jī)a、、b、、Wcb、、Wc、Q、xμb均為已已知常常數(shù)，，將這這些數(shù)數(shù)值代代入式式（3-62））就可可得該該型抽抽油機(jī)機(jī)的計計算公公式。。（見見書P105例題））3、復(fù)復(fù)合平平衡如圖所所示：：復(fù)合合平衡衡是上上述兩兩種平平衡方方式的的組合合，也也可用用同樣樣的方方法得得到其其計算算公式式：20圖3－－63復(fù)復(fù)合合平衡衡下沖程程儲存存的位位能：：而：21在平衡衡條件件下：：（3-63）式中符符號同同前。。22[提示示]：：上面面介紹紹的只只是以以上下下沖程程中電電動機(jī)機(jī)做的的功相相等作作為平平衡標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)進(jìn)行計計算的的方法法。在在實際際工作作中都都不便便于按按此標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)檢檢驗和和調(diào)整整平衡衡。為為此，，作為為檢驗驗和調(diào)調(diào)整平平衡時時，大大多采采用上上下沖沖程的的扭矩矩或電電流峰峰值相相等作作為平平衡條條件。。（四））抽油油機(jī)平平衡檢檢驗方方法敘：抽抽油機(jī)機(jī)在生生產(chǎn)過過程中中，不不會一一直是是平衡衡的（（平衡衡是指指一段段時間間內(nèi)）），因因受地地層情情況（（ps造成L增增加））油油井情情況（（見水水，密密度上上升，，就可可能換換泵））及油油井工工作制制度的的改變變（F、S、n配合合）都都會破破壞抽抽油機(jī)機(jī)原來來的平平衡，，因而而要定定時檢檢查，，及時時調(diào)整整。231、觀觀察法法即用眼眼觀察察抽油油機(jī)啟啟動是是否順順利，，電動動機(jī)是是否有有“嗚嗚嗚””的怪怪叫聲聲，通通常平平衡的的抽油油機(jī)比比較容容易啟啟動，，無怪怪叫聲聲。2、測測量驢驢頭上上下沖沖程的的時間間：Tu=Td平衡T一上上或下下沖程程所用用時間間（相相同或或基本本相同同）；；Tu<Td平衡過過重則則應(yīng)應(yīng)減少少平衡衡重或或平衡衡半徑徑R.Tu>Td平衡過過輕則則應(yīng)應(yīng)增大大平衡衡重或或平衡衡半徑徑R.243、測測量上上、下下沖程程的電電流（（可用用鉗形形電流流表來來測量量）抽油機(jī)機(jī)在平平衡條條件下下工作作時，，上、、下沖沖程的的電流流峰值值應(yīng)該該相等等。Iu=Id平衡Iu>Id平衡過過輕，，則應(yīng)應(yīng)增大大平衡衡重或或增大大平衡衡半徑徑R.Iu<Id平衡過過重，，則應(yīng)應(yīng)減小小平衡衡重或或減小小平衡衡半徑徑R.實際中中，要要使上上下沖沖程電電流強(qiáng)強(qiáng)度絕絕對相相等是是困難難的，，一般般規(guī)定定最小小電流流與最最大電電流之之比大大于或或等于于70%，，即認(rèn)認(rèn)為抽抽油機(jī)機(jī)是平平衡的的。25五、曲曲柄軸軸扭矩矩計算算方法法介紹紹問題提提出：：1、為為何要要研究究曲柄柄軸扭扭矩計計算？？（1））檢查查減速速箱是是否在在超扭扭矩條條件下下工作作。（2））可以以檢查查計算算電動動機(jī)的的功率率及功功率的的利用用情況況。2、如如何計計算扭扭矩敘：抽抽油機(jī)機(jī)正常常工作作時，，由懸懸點負(fù)負(fù)荷及及平衡衡重在在曲柄柄軸上上造成成的扭扭矩與與電動動機(jī)輸輸給曲曲柄軸軸的扭扭矩相相平衡衡。因因此，，通過過懸點點負(fù)荷荷及平平衡重重來計計算曲曲柄軸軸的扭扭矩。。261、給給出三三種平平衡方方式計計算扭扭矩的的精確確公式式；（（但可可變參參數(shù)多多，難難于直直接用用于實實際計計算））見（（3-56a/b/c)2、、給給出出簡簡化化式式見P124;引引入入了了扭扭矩矩因因數(shù)數(shù)3、、扭扭矩矩曲曲線線的的繪繪制制與與應(yīng)應(yīng)用用上面面談?wù)劦降降牡挠嬘嬎闼惴椒椒ǚ?，，用用人人工工計計算算都都較較復(fù)復(fù)雜雜，，現(xiàn)現(xiàn)在在一一般般是是利利用用計計算算機(jī)機(jī)計計算算，，并并繪繪制制出出扭扭矩矩曲曲線線，，可可以以直直觀觀觀觀察察抽抽油油機(jī)機(jī)的的平平衡衡狀狀況況；；應(yīng)用用：：P126-128274、、最最大大扭扭矩矩計計算算方方法法研研究究雖然然扭扭矩矩曲曲線線是是目目前前用用來來確確定定扭扭矩矩的的最最準(zhǔn)準(zhǔn)確確的的方方法法，，但但繪繪制制扭扭矩矩曲曲線線仍仍然然比比較較繁繁雜雜。。另外外在在選選擇擇抽抽油油設(shè)設(shè)備備和和預(yù)預(yù)測測新新抽抽汲汲參參數(shù)數(shù)下下的的最最大大扭扭矩矩時時，，通通常常因因不不能能預(yù)預(yù)先先測測的的示示功功圖圖（（或或懸懸點點載載荷荷）），，也也無無法法繪繪制制扭扭矩矩曲曲線線。。所以以，，在在一一般般分分析析中中大大多多采采用用直直接接計計算算的的方方法法。。即最最大大扭扭矩矩計計算算方方法法。。28抽油油機(jī)機(jī)所所配配的的減減速速箱箱都都有有允允許許的的最最大大扭扭矩矩，，它它既既限限制制油油井井生生產(chǎn)產(chǎn)時時所所采采用用的的最最大大抽抽汲汲系系數(shù)數(shù)Fp、、S、、n及及L，，同同時時又又限限制制著著為為了了保保證證大大參參數(shù)數(shù)生生產(chǎn)產(chǎn)所所需需要要的的電電動動機(jī)機(jī)功功率率，，因因此此了了解解抽抽油油機(jī)機(jī)在在運運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過過程程中中產(chǎn)產(chǎn)生生的的最最大大扭扭矩矩，，是是分分析析抽抽油油機(jī)機(jī)設(shè)設(shè)備備工工作作狀狀況況的的重重要要內(nèi)內(nèi)容容。。下下面面介介紹紹在在實實際際工工作作中中所所采采用用的的扭扭矩矩計計算算法法————扭扭矩矩近近似似計計算算法法。。29（一一））計計算算曲曲柄柄軸軸扭扭矩矩基基本本公公式式近似似計計算算是是把把抽抽油油桿桿的的四四連連桿桿運運動動簡簡化化為為簡簡諧諧運運動動，，略略去去抽抽油油機(jī)機(jī)幾幾何何特特性性的的影影響響，，另另外外還還忽忽略略了了游游梁梁平平衡衡塊塊所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的慣慣性性力力，，此此時時計計算算曲曲柄柄軸軸扭扭矩矩的的公公式式為為：：30式中中：：M---曲曲柄柄軸軸扭扭矩矩，，NmS---光光桿桿沖沖程程，，mp---懸懸點點負(fù)負(fù)荷荷，，NΦ---曲曲柄柄轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角。。3-6431Ce---平平衡衡值值，，表表示示被被平平衡衡重重平平衡衡了了的的懸懸點點負(fù)負(fù)荷荷。。其其理理論論需需要要值值Ce（（即即是是為為了了保保持持平平衡衡，，理理論論上上需需要要的的平平衡衡值值））實際際需需要要值值Ce,抽抽油油機(jī)機(jī)工工作作時時，，為為了了達(dá)達(dá)到到平平衡衡所所需需要要的的平平衡衡值值。。32（二二））計計算算最最大大扭扭矩矩的的近近似似公公式式假定定懸懸點點最最大大載載荷荷發(fā)發(fā)生生在在ΦΦ=90°，，即即p90°°=pmax，則則由由公公式式（（3-64））可可得得：：例題題：：見見書書P107。。其中33六、電動動機(jī)的選選擇和功功率計算算敘：抽油油機(jī)的動動力：絕大多數(shù)數(shù)：電動動機(jī)正在少量量試用：：天然氣氣發(fā)動機(jī)機(jī)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(jī)的的選擇，，一方面面直接關(guān)關(guān)系到電電能的利利用效率率，另外外一方面面將關(guān)系系到能否否充分發(fā)發(fā)揮抽油油設(shè)備和和油層生生產(chǎn)能力力的問題題。34游梁式抽抽油裝置置的特點點：（1）負(fù)負(fù)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(zhuǎn)矩矩。（3）所所用的電電動機(jī)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(jī)維護(hù)護(hù)簡單，，工作可可靠。35類型不確確定：為了滿滿足以上上要求，，目前抽抽油機(jī)所所用電動動機(jī)都是是封閉式式鼠籠型型異步電電動機(jī)。。該電動機(jī)機(jī)特點：：構(gòu)造簡簡單，堅堅固，易易于修理理。電動機(jī)選選擇的內(nèi)內(nèi)容：1）確定定適合于于抽油機(jī)機(jī)工作特特點的類類型。2）確定適合合于各型型抽油機(jī)機(jī)工作能能力的電電動機(jī)的的容量（（即功率率）。（下面就就著重討討論2））問題。。）361、電動動機(jī)功率率與傳到到減速箱箱曲柄軸軸的扭矩矩關(guān)系式式為：式中：M—電動動機(jī)傳給給曲柄軸軸上的扭扭矩，N·m;Nr—電電動機(jī)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(zhuǎn)速速（沖數(shù)數(shù)）（減減速箱輸輸出軸上上的轉(zhuǎn)速速），轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分。?！?-67）——（3-67‘）372、計算算電動機(jī)機(jī)功率實際應(yīng)用用時，一一般是利利用抽油油機(jī)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(dá)到到最大值值。因此此，電動動機(jī)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(jī)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(yīng)該該用等值值扭矩來來計算功功率。38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(jī)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(jī)機(jī)功率（（即需要要選用的的電動機(jī)機(jī)額定功功率），，千瓦（（KW））Me—曲曲柄軸上上的等值值扭矩。。其余