抽油桿柱慣性載荷

第二節(jié)抽油機懸點運動規(guī)律及載荷

教學(xué)目的：教學(xué)重點、難點：

教學(xué)重點了解抽油機懸點的運動規(guī)律，抽油機懸點靜載和動載的計算方法以及最大載荷、最小載荷的位置及其計算值。1、懸點運動規(guī)律2、載荷計算

教學(xué)難點教法說明：教學(xué)內(nèi)容：最大載荷和最小載荷的計算

課堂講授并輔助以多媒體課件展示相關(guān)的圖形和動畫。抽油機懸點運動規(guī)律抽油機懸點載荷計算一、抽油機懸點運動規(guī)律(一)簡化為簡諧運動時懸點運動規(guī)律假設(shè)條件：r/l0、r/b0圖3-7抽油機四連桿機構(gòu)簡圖游梁和連桿的連接點B的運動可看做簡諧運動，即認為B點的運動規(guī)律和D點做圓運動時在垂直中心線上的投影(C點)的運動規(guī)律相同。則B點經(jīng)過t時間(曲柄轉(zhuǎn)角φ)時位移為：以下死點為坐標零點，向上為坐標正方向，則懸點A的位移為：A點的加速度為:A點的速度為:圖3-8簡諧運動時懸點位移、速度、加速度曲線(二)簡化為曲柄滑塊機構(gòu)時懸點運動規(guī)律假設(shè)條件：

把B點繞游梁支點的弧線運動近似地看做直線運動，則可把抽油機的運動簡化為曲柄滑塊運動。圖3-9曲柄滑塊機構(gòu)簡圖A點加速度:A點位移：A點速度:圖3-10懸點速度變化曲線1-按簡諧運動計算；2-精確計算；3-按曲柄滑塊機構(gòu)計算圖3-11懸點加速度變化曲線1-按簡諧運動計算；2-精確計算；3-按曲柄滑塊機構(gòu)計算二、抽油機懸點載荷計算1.靜載荷(一)懸點所承受的載荷包括：抽油桿柱載荷；作用在柱塞上的液柱載荷；沉沒壓力對懸點載荷的影響；井口回壓對懸點載荷的影響①抽油桿柱載荷上沖程（即桿柱在空氣中的重力）下沖程（即桿柱在液體中的重力）失重系數(shù)②作用在柱塞上的液柱載荷上沖程:下沖程:A-上沖程B-下沖程游動閥關(guān)閉，作用在柱塞上的液柱載荷為：游動閥打開，液柱載荷作用于油管，而不作用于懸點。③沉沒壓力(泵口壓力)對懸點載荷的影響上沖程

在沉沒壓力作用下，井內(nèi)液體克服泵入口設(shè)備的阻力進入泵內(nèi)，此時液流所具有的壓力即吸入壓力。吸入壓力作用在柱塞底部產(chǎn)生向上的載荷:下沖程

吸入閥關(guān)閉，沉沒壓力對懸點載荷沒有影響。④井口回壓對懸點載荷的影響液流在地面管線中的流動阻力所造成的井口回壓對懸點將產(chǎn)生附加的載荷。上沖程：增加懸點載荷:下沖程：減小抽油桿柱載荷:2.動載荷(慣性載荷、振動載荷)①慣性載荷(忽略桿液彈性影響)抽油機運轉(zhuǎn)時，驢頭帶著抽油桿柱和液柱做變速運動，因而產(chǎn)生抽油桿柱和液柱的慣性力。慣性力與質(zhì)量有關(guān)，與懸點加速度的大小成正比，其方向與加速度方向相反。抽油桿柱的慣性力：液柱的慣性力：為油管過流斷面變化引起液柱加速度變化的系數(shù)上沖程:前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，從而增加懸點載荷；后半沖程中加速度為負，即加速度向下，則慣性力向上，從而減小懸點載荷。懸點加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。下沖程:與上沖程相反，前半沖程慣性力向上，減小懸點載荷；后半沖程慣性力向下，將增大懸點載荷。圖3-10懸點速度變化曲線1-按簡諧運動計算；2-精確計算；3-按曲柄滑塊機構(gòu)計算圖3-11懸點加速度變化曲線1-按簡諧運動計算；2-精確計算；3-按曲柄滑塊機構(gòu)計算抽油桿柱的慣性力：液柱的慣性力：為油管過流斷面變化引起液柱加速度變化的系數(shù)上沖程:前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，從而增加懸點載荷；后半沖程中加速度為負，即加速度向下，則慣性力向上，從而減小懸點載荷。懸點加速度在上、下沖程中大小和方向是變化的。下沖程:與上沖程相反，前半沖程慣性力向上，減小懸點載荷；后半沖程慣性力向下，將增大懸點載荷。抽油桿柱引起的懸點最大慣性載荷上沖程：取r/l=1/4時，下沖程：液柱引起的懸點最大慣性載荷上沖程：下沖程中液柱不隨懸點運動，沒有液柱慣性載荷懸點最大慣性載荷上沖程：下沖程：②振動載荷抽油桿柱本身為一彈性體，由于抽油桿柱作變速運動和液柱載荷周期性地作用于抽油桿柱，從而引起抽油桿柱的彈性振動，它所產(chǎn)生的振動載荷亦作用于懸點上。其數(shù)值與抽油桿柱的長度、載荷變化周期及抽油機結(jié)構(gòu)有關(guān)。(在考慮抽油桿柱彈性時最大載荷計算時介紹)3.摩擦載荷(1)抽油桿柱與油管的摩擦力（桿管）上沖程主要受(1)、(2)、(4)影響，增加懸點載荷(2)柱塞與襯套之間的摩擦力（柱塞與襯套）(3)液柱與抽油桿柱之間的摩擦力（桿液）(4)液柱與油管之間的摩擦力（管液）(5)液體通過游動閥的摩擦力（閥阻力）下沖程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影響，減小懸點載荷①抽油桿柱與液柱之間的摩擦力抽油桿柱與液柱間的摩擦發(fā)生在下沖程，摩擦力方向向上。阻力的大小隨抽油桿柱的下行速度而變化，最大值為：主要決定因素：液體粘度和抽油桿的運動速度。把懸點看做簡諧運動，則②液柱與油管間的摩擦力上沖程時，游動閥關(guān)閉，油管內(nèi)的液柱隨抽油桿柱和柱塞上行，液柱與油管間發(fā)生相對運動而引起的摩擦力的方向向下，故增大懸點載荷。下沖程液柱與抽油桿柱間的摩擦力約為上沖程中油管與液柱間摩擦力的1.3倍。即：③液體通過游動閥產(chǎn)生的阻力：圖3-12標準型凡爾的流量系數(shù)

fp

柱塞面積fo

閥孔面積④桿管摩擦力：⑤柱塞與襯套之間的摩擦力：

抽油桿柱載荷、液柱載荷及慣性載荷是構(gòu)成懸點載荷的三項基本載荷。稠油井內(nèi)摩擦載荷及大沉沒度井的沉沒壓力產(chǎn)生的載荷突出；在低沉沒度井內(nèi)，由于泵的充滿程度差，會發(fā)生柱塞與泵內(nèi)液面的撞擊，將產(chǎn)生較大沖擊載荷，從而影響懸點載荷。(二)懸點最大和最小載荷1.計算懸點最大載荷和最小載荷的一般公式最大載荷發(fā)生在上沖程，最小載荷發(fā)生在下沖程，其值為：在下泵深度及沉沒度不很大、井口回壓及沖數(shù)不高的稀油直井內(nèi)，在計算最大和最小載荷時，通常可以忽略Pv、F、Pi、Ph及液柱慣性載荷，則：令：則：2.考慮抽油桿柱彈性時懸點最大載荷的計算初變形期之后，抽油桿柱帶著活塞隨懸點做變速運動。在此過程中，除了液柱和抽油桿柱產(chǎn)生的靜載荷之外，還會在抽油桿柱上引起動載荷。初變形期末抽油桿柱運動引起的自由縱振產(chǎn)生的振動載荷初變形期：從上沖程開始到液柱載荷加載完畢的過程。抽油桿柱做變速運動所產(chǎn)生的慣性載荷動載荷忽略液柱對抽油桿柱動載荷的影響①抽油桿柱自由縱振產(chǎn)生的振動載荷在初變形期末激發(fā)起的抽油桿的縱向振動微分方程為:邊界條件初始條件抽油桿柱的自由縱振在懸點上引起的振動載荷為:用分離變量法求解為：坐標原點選在懸點圖3-13隨的變化懸點的的振動載荷是的周期函數(shù)。所以，最大振動載荷發(fā)生在處，實際上由于存在阻尼，振動將會隨時間衰減，故最大振動載荷發(fā)生在處，即：②抽油桿柱的慣性載荷慣性載荷的大小取決于抽油桿柱的質(zhì)量、懸點加速度及其在桿柱上的分布。懸點加速度的變化決定于抽油機的幾何結(jié)構(gòu)。簡諧運動時，懸點加速度為：抽油桿柱距懸點x處的加速度為：初變形期之后抽油桿柱隨懸點做變速運動，必然會由于強迫運動而在抽油桿柱內(nèi)產(chǎn)生附加的動載荷。為了使問題簡化，把強迫運動產(chǎn)生的動載荷只考慮為抽油桿柱隨懸點做加速度運動而產(chǎn)生的慣性載荷。在x處單元體上的慣性力將為：積分后可得任一時間作用在整個抽油桿柱L上的總慣性力：③懸點最大載荷初變形期后，懸點載荷P是抽油桿柱載荷、液柱載荷、及振動、慣性載荷疊加而成，即:t0為初變形期經(jīng)歷的時間取最大振動載荷出現(xiàn)的時間tm為懸點出現(xiàn)最大載荷的時間,則得到計算懸點最大載荷的公式：a.油管下端固定在油管下端固定的情況下，初變形期末柱塞對懸點的相對運動速度等于懸點運動速度，即油管下端固定時懸點最大載荷為：b.油管下端未固定初變形期末懸點運動速度：初變形期末柱塞對懸點的相對運動速度將小于懸點運動速度，并且：油管下端未固定時懸點最大載荷為：3.計算懸點最大載荷的其它公式一般井深及低沖數(shù)油井簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷簡諧運動、桿柱慣性載荷簡諧運動、桿柱和液柱慣性載荷曲柄滑塊運