CYJW游梁式抽油機平衡計算

楊胡坤，張　巖

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318)

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CYJW游梁式抽油機平衡計算

楊胡坤，張巖

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318)

摘要：通過對CYJW9-3-37HY游梁式抽油機進行運動特性分析、動力特性分析以及扭矩分析，基于游梁式抽油機平衡原理(下沖程中需要儲存的能量為懸點在上、下沖程中所作功之和的一半)，以游梁平衡重靜載等效為懸點的載荷為平衡計算方法，推導出了CYJW9-3-37HY游梁式抽油機曲柄軸凈扭矩計算公式。此計算方法相對簡單方便，提供了一種抽油機平衡計算的新思路，為抽油機的平衡計算提供借鑒。

關(guān)鍵詞：抽油機；扭矩分析；平衡原理；平衡計算

0引言

游梁式抽油機是油田主要的機采設(shè)備之一，由于其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、安裝維修方便，至今在國內(nèi)外抽油機井系統(tǒng)仍占據(jù)很重要的位置[1,2]。但游梁式抽油機耗電量所占油田總耗電量的比重也非常大，所以，游梁式抽油機的節(jié)能問題也日益突出，成為急需解決的主要問題之一[3～5]。而游梁式抽油機平衡效果的好壞，對抽油機的能耗影響很大。如果不對游梁式抽油機進行平衡，當電動機帶動抽油機運轉(zhuǎn)時，上沖程中懸點承受著最大載荷，此時要使驢頭上行，電動機必須作很大的功；而下沖程中，抽油桿依靠自身重力下行，這時電機不需對外做功，反而接受外來的能量做負功。這會使抽油機在上下沖程中不平衡。抽油機不平衡會造成功率的浪費，降低電動機的效率和壽命，影響抽油桿和泵的正常工作[6～8]。因而，使抽油機在較好的平衡狀態(tài)下工作，具有重要意義。

了解抽油機的運動與動力特性以及曲柄軸扭矩曲線變化規(guī)律，對研制開發(fā)新型節(jié)能抽油機與抽油機節(jié)能改造非常重要[9]。

1抽油機運動分析

1.1探索抽油機懸點運動規(guī)律

要正確使用抽油系統(tǒng)和設(shè)計、分析抽油系統(tǒng)工作狀況，就必須對抽油機懸點運動規(guī)律進行深入系統(tǒng)的研究，即必須求出懸點的加速度、速度、位移隨時間的變化規(guī)律，為轉(zhuǎn)矩計算和載荷分析提供基礎(chǔ)。

CYJW游梁式抽油機運動機構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　抽油機運動機構(gòu)示意圖

對圖中各角度正方向做如下規(guī)定以便于分析：

(1)曲柄轉(zhuǎn)角θ在12點鐘位置算起，并規(guī)定沿順時針方向為正值；

(2)各桿件的參考角 θ2、θ4等角度均從基桿OO1算起，并規(guī)定沿逆時針方向為正值。

(3)各桿件的幾何尺寸規(guī)定為：

R——曲柄半徑；P——連桿長度；C——游梁后臂長度；K——基桿長度；g(x,y)=f(x,y)+h(x,y)——游梁前臂長度；I——基桿的水平投影。

圖中幾何關(guān)系為：

θ2=2π-θ+a

ψ=x+β

(1)

(2)

當懸點處于下死點時，游梁后臂與基桿之間夾角最大取Ψmax，當懸點處于上死點時，游梁后臂與基桿之間夾角最小取Ψmin，Ψmax、Ψmin分別為：

(3)

懸點沖程長度S為：

S=(ψmax-ψmin)A

(4)

規(guī)定位移的零點為下死點，位移正方向為向上，則任意時刻的位移Sc為：

Sc=(ψmax-ψ)A

(5)

懸點位移、速度、加速度曲線如圖2所示。

(a)懸點位移曲線　　　　　　(b)懸點速度曲線　　　　　　(c)懸點加速度曲線

1.2游梁平衡重運動分析

如圖1中的結(jié)構(gòu)尺寸幾何關(guān)系，游梁平衡重質(zhì)心至中軸中心的距離為

(6)

當抽油機游梁平衡重副游梁相對于游梁位置確定后，游梁平衡重的運動軌跡曲線是以中軸為中心，半徑Kk的圓弧曲線。平衡重的沿圓弧曲線軌跡的切線速度為：

(7)

沿圓弧曲線軌跡的切線加速度為：

(8)

2抽油機動力特性分析

做為抽油機工作能力重要參數(shù)的游梁式抽油機的驢頭懸點載荷是抽油機運動規(guī)律分析的重要基礎(chǔ)。游梁式抽油機在采油過程中，作用抽油機驢頭懸點上的載荷有靜載荷、動載荷和摩擦載荷三類，下面將重點對靜載荷的計算進行介紹。

抽油機懸點運行的上、下沖程抽油桿柱重量一直作用在懸點上，但其所造成載荷大小不同。

上沖程時：游動閥關(guān)閉，抽油桿與柱塞以上液體一同向上動，抽油桿不受液體浮力的作用，此時懸點受到桿柱作用的載荷為桿柱在空氣中的重量，即：

P桿=f桿ρ桿gL=q桿L

(9)

下沖程時：游動閥開啟，抽油桿浸泡在油液中，受到液體浮力的作用，此時懸點受到桿柱作用的載荷為桿柱的重量減去桿柱所受液體浮力，即：

(10)

L——抽油桿的長度，m；

f桿——抽油桿橫截面積，m2；

ρ桿，ρ液——分別為抽油桿和抽汲液體的密度，kg/m3

上沖程時，游動閥關(guān)閉，液柱重量直接作用在柱塞上，此時增加的懸點載荷為：

P液=(f柱-f桿)Lρ液g

(11)

式中 P液——作用在柱塞上的液柱重量，N；

f柱、f桿——柱塞和抽油桿的面積，m2；

下沖程時，游動閥開啟，液柱的重量通過固定閥作用在油管上，柱塞不承受液柱重量。

上沖程：

(12)

下沖程：

(13)

式中：h沉——泵的沉沒度，m；

懸點靜力示功圖如圖3所示：

圖3　懸點靜力示功圖

考慮慣性載荷與振動載荷的理論示功圖如圖4所示：

圖4　考慮慣性和振動后的理論示功圖

3抽油機平衡和轉(zhuǎn)矩計算

3.1平衡原理

由上、下沖程中懸點載荷的不同導致抽油機運轉(zhuǎn)不平衡，使電動機在上、下沖程中所作的功不相等。要達到抽油機平衡運轉(zhuǎn)的目的，需要電動機在上、下沖程中都作正功：在下沖程中儲存能量；在上沖程中利用下沖程所儲存的能量來幫助電動機作功。

CYJW抽油機在抽油機游梁后臂上加一重物，在下沖程中讓電動機和抽油桿自重一起對重物作功，則：

W下=W桿+W電下

(14)

式中：W下—下沖程所儲存的能量：電動機和抽油桿自重對重物所作的功；

W桿—抽油桿柱對重物所作的功；

W電下—電動機在下沖程中對重物作的功，即電動機在下沖程作的功。

由上式可得：

W下=W桿+W電下

(15)

重物儲存的能量在上沖程中釋放出來和電動機一起對懸點作功，則：

W上=W下+W電上W電上=W上-W下

式中：W上—懸點在上沖程中所作的功；

W電上—電動機在上沖程中所作的功。

要使抽油機在平衡條件下運轉(zhuǎn)，首先在上、下沖程中電動機作的功相等，即：

W電上=W電下

所以：

W上-W下=W下-W桿

(16)

為了達到抽油機平衡運轉(zhuǎn)的目的，在上沖程重物釋放的功和下沖程需要對重物作的功需滿足如下關(guān)系：

(17)

式(17)說明：為了使抽油機在平衡狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，在下沖程中需要儲存的能量等于懸點在上、下沖程中所作功之和一半。式(17)是進行平衡計算的基本公式。

3.2平衡計算

3.2.1懸點載荷對曲柄軸扭矩計算

抽油機運轉(zhuǎn)時，由懸點載荷及游梁平衡重在曲柄軸(減速箱輸出軸)上形成的轉(zhuǎn)矩與電動機輸給曲柄的轉(zhuǎn)矩相作用形成抽油機曲柄合轉(zhuǎn)矩。通過懸點載荷及平衡來計算曲柄軸轉(zhuǎn)矩，不僅可以檢查減速箱是否在超轉(zhuǎn)矩條件下工作，而且可以用來檢查和計算電動機功率及功率利用情況。

以圖5中受力關(guān)系，分析CYJW-3-37HY抽油機各載荷對減速器曲柄軸的扭矩計算方法。

圖5　CYJW抽油機受力示意圖

P懸—懸點載荷，N；

R曲—曲柄平衡塊重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；

q曲—曲柄自重，N；

r曲—曲柄重心到曲柄旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；

PL—連桿所受的拉力，N；

T—連桿力PL在曲柄切向上的分力，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向為正值，N；

M—減速箱曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向為正值，N﹒m。

首先以游梁為研究對象，各力對游梁旋轉(zhuǎn)中心取力矩，可求出連桿力PL為：

(18)

則連桿力PL在曲柄切向上的分力T為：

(19)

取曲柄為研究對象，為提升油井內(nèi)的抽油桿柱和油柱，減速箱曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩M、曲柄自重q曲所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩共同克服切向力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，由力矩平衡條件：

M1+TR-q曲r曲sin(2π-θ)=0

則：

(20)

式(20)中的第一項表示懸點載荷在曲柄上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為油井負荷轉(zhuǎn)矩：

(21)

(22)

由上述簡化后，式(18)可寫成：

(23)

3.2.2游梁平衡重對曲柄軸扭矩的計算

與常規(guī)抽油機曲柄平衡重計算不同，在本文中，由于游梁平衡重質(zhì)量大，在研究分析中把游梁平衡重在運動過程中的靜載與動載等效為懸點載荷進行處理。結(jié)合圖1和圖5，游梁平衡重G的靜載等效為懸點的載荷為

(24)

抽油機在運行過程中，游梁平衡重對中軸的角加速度與前臂的角加速度等值反向，因此游梁平衡重沿Kk方向的切向動載荷等效為懸點載荷為

(25)

因此，游梁平衡重對曲柄軸的扭矩為

(26)

根據(jù)扭矩疊加原理，CYJW抽油機作用在曲柄軸上的凈扭矩為

M=M1+M2

(27)

4結(jié)語

通過研究，對抽油機懸點運動特性、動力特性、懸點靜載荷以及曲柄軸扭矩進行了詳細的分析與計算，將游梁平衡重靜載等效為懸點的載荷進行平衡計算，為抽油機平衡計算提供一種新思路。了解抽油機運動特性以及曲柄軸扭矩計算，對抽油機節(jié)能問題的研究有重要意義。

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CYJW Beam Type Pumping Unit Balance Calculation

YANG Hu-kun，ZHANG Yan

(Institude of mechanical science and engineering, Northeast Petroleum University,Daqing 163318, China)

Abstract：Analysis on CYJW9-3-37HY beam type pumping unit for movement characteristics, power characteristics and torque, based on beam type pumping unit balance principle (energy to be stored in the down stroke is half of the total energy that hanging points needed in the up and down stroke), using static load which is equivalent to the suspension point as the balance load to calculate, deduced the CYJW9-3-37HY crankshaft net torque calculation formula of beam pumping units. This calculation method is relatively simple, provides a new way of thinking and reference for the balance of pumping unit calculation.

Key words:pumping unit; torque analysis；balance principal; balance calculation;

作者簡介：楊胡坤(1975-)，男，安徽宿松人，副教授,從事機械工程研究。

基金項目：黑龍江省教育廳科學技術(shù)資助項目“游梁抽油機與電機耦合運行及合理匹配理論研究”(12541099)；東北石油大學校培育基金(NEPUPY-1-12)。

中圖分類號：TE933

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0063(2016)03-0051-06

收稿日期：2016-01-12

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.03.014