CYJW游梁式抽油機(jī)平衡計(jì)算

楊胡坤，張　巖

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318)

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CYJW游梁式抽油機(jī)平衡計(jì)算

楊胡坤，張巖

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318)

摘要：通過對CYJW9-3-37HY游梁式抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析、動(dòng)力特性分析以及扭矩分析，基于游梁式抽油機(jī)平衡原理(下沖程中需要儲(chǔ)存的能量為懸點(diǎn)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(diǎn)的載荷為平衡計(jì)算方法，推導(dǎo)出了CYJW9-3-37HY游梁式抽油機(jī)曲柄軸凈扭矩計(jì)算公式。此計(jì)算方法相對簡單方便，提供了一種抽油機(jī)平衡計(jì)算的新思路，為抽油機(jī)的平衡計(jì)算提供借鑒。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；扭矩分析；平衡原理；平衡計(jì)算

0引言

游梁式抽油機(jī)是油田主要的機(jī)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(jī)井系統(tǒng)仍占據(jù)很重要的位置[1,2]。但游梁式抽油機(jī)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(jī)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(jī)平衡效果的好壞，對抽油機(jī)的能耗影響很大。如果不對游梁式抽油機(jī)進(jìn)行平衡，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上沖程中懸點(diǎn)承受著最大載荷，此時(shí)要使驢頭上行，電動(dòng)機(jī)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(shí)電機(jī)不需對外做功，反而接受外來的能量做負(fù)功。這會(huì)使抽油機(jī)在上下沖程中不平衡。抽油機(jī)不平衡會(huì)造成功率的浪費(fèi)，降低電動(dòng)機(jī)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(jī)在較好的平衡狀態(tài)下工作，具有重要意義。

了解抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)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(jī)與抽油機(jī)節(jié)能改造非常重要[9]。

1抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)分析

1.1探索抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

要正確使用抽油系統(tǒng)和設(shè)計(jì)、分析抽油系統(tǒng)工作狀況，就必須對抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，即必須求出懸點(diǎn)的加速度、速度、位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，為轉(zhuǎn)矩計(jì)算和載荷分析提供基礎(chǔ)。

CYJW游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)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(diǎn)鐘位置算起，并規(guī)定沿順時(shí)針方向?yàn)檎担?/p>

(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(shí)針方向?yàn)檎怠?/p>

(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(dāng)懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)時(shí)，游梁后臂與基桿之間夾角最大取Ψmax，當(dāng)懸點(diǎn)處于上死點(diǎn)時(shí)，游梁后臂與基桿之間夾角最小取Ψmin，Ψmax、Ψmin分別為：

(3)

懸點(diǎn)沖程長度S為：

S=(ψmax-ψmin)A

(4)

規(guī)定位移的零點(diǎn)為下死點(diǎn)，位移正方向?yàn)橄蛏?，則任意時(shí)刻的位移Sc為：

Sc=(ψmax-ψ)A

(5)

懸點(diǎn)位移、速度、加速度曲線如圖2所示。

(a)懸點(diǎn)位移曲線　　　　　　(b)懸點(diǎn)速度曲線　　　　　　(c)懸點(diǎn)加速度曲線

1.2游梁平衡重運(yùn)動(dòng)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(dāng)抽油機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jī)動(dòng)力特性分析

做為抽油機(jī)工作能力重要參數(shù)的游梁式抽油機(jī)的驢頭懸點(diǎn)載荷是抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析的重要基礎(chǔ)。游梁式抽油機(jī)在采油過程中，作用抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)上的載荷有靜載荷、動(dòng)載荷和摩擦載荷三類，下面將重點(diǎn)對靜載荷的計(jì)算進(jìn)行介紹。

抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)行的上、下沖程抽油桿柱重量一直作用在懸點(diǎn)上，但其所造成載荷大小不同。

上沖程時(shí)：游動(dòng)閥關(guān)閉，抽油桿與柱塞以上液體一同向上動(dòng)，抽油桿不受液體浮力的作用，此時(shí)懸點(diǎn)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(shí)：游動(dòng)閥開啟，抽油桿浸泡在油液中，受到液體浮力的作用，此時(shí)懸點(diǎn)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(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，液柱重量直接作用在柱塞上，此時(shí)增加的懸點(diǎn)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(shí)，游動(dòng)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(diǎn)靜力示功圖如圖3所示：

圖3　懸點(diǎn)靜力示功圖

考慮慣性載荷與振動(dòng)載荷的理論示功圖如圖4所示：

圖4　考慮慣性和振動(dòng)后的理論示功圖

3抽油機(jī)平衡和轉(zhuǎn)矩計(jì)算

3.1平衡原理

由上、下沖程中懸點(diǎn)載荷的不同導(dǎo)致抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，使電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中所作的功不相等。要達(dá)到抽油機(jī)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)的目的，需要電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中都作正功：在下沖程中儲(chǔ)存能量；在上沖程中利用下沖程所儲(chǔ)存的能量來幫助電動(dòng)機(jī)作功。

CYJW抽油機(jī)在抽油機(jī)游梁后臂上加一重物，在下沖程中讓電動(dòng)機(jī)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(chǔ)存的能量：電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在下沖程中對重物作的功，即電動(dòng)機(jī)在下沖程作的功。

由上式可得：

W下=W桿+W電下

(15)

重物儲(chǔ)存的能量在上沖程中釋放出來和電動(dòng)機(jī)一起對懸點(diǎn)作功，則：

W上=W下+W電上W電上=W上-W下

式中：W上—懸點(diǎn)在上沖程中所作的功；

W電上—電動(dòng)機(jī)在上沖程中所作的功。

要使抽油機(jī)在平衡條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，首先在上、下沖程中電動(dòng)機(jī)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(dá)到抽油機(jī)平衡運(yùn)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(jī)在平衡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，在下沖程中需要儲(chǔ)存的能量等于懸點(diǎn)在上、下沖程中所作功之和一半。式(17)是進(jìn)行平衡計(jì)算的基本公式。

3.2平衡計(jì)算

3.2.1懸點(diǎn)載荷對曲柄軸扭矩計(jì)算

抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由懸點(diǎn)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(dòng)機(jī)輸給曲柄的轉(zhuǎn)矩相作用形成抽油機(jī)曲柄合轉(zhuǎn)矩。通過懸點(diǎn)載荷及平衡來計(jì)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(jì)算電動(dòng)機(jī)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(jī)各載荷對減速器曲柄軸的扭矩計(jì)算方法。

圖5　CYJW抽油機(jī)受力示意圖

P懸—懸點(diǎn)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?yàn)檎?，N；

M—減速箱曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩，沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎担琋﹒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(xiàng)表示懸點(diǎn)載荷在曲柄上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為油井負(fù)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(jì)算

與常規(guī)抽油機(jī)曲柄平衡重計(jì)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(yùn)動(dòng)過程中的靜載與動(dòng)載等效為懸點(diǎn)載荷進(jìn)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(diǎn)的載荷為

(24)

抽油機(jī)在運(yùn)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(dòng)載荷等效為懸點(diǎn)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(jī)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(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性、懸點(diǎn)靜載荷以及曲柄軸扭矩進(jìn)行了詳細(xì)的分析與計(jì)算，將游梁平衡重靜載等效為懸點(diǎn)的載荷進(jìn)行平衡計(jì)算，為抽油機(jī)平衡計(jì)算提供一種新思路。了解抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性以及曲柄軸扭矩計(jì)算，對抽油機(jī)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(jī)械工程研究。

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

中圖分類號(hào)：TE933

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0063(2016)03-0051-06

收稿日期：2016-01-12

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