第三节-抽油机平衡、扭矩与功率计算

第三节抽油机平衡、扭矩与功率计算教学目的：教学重点、难点：教学重点掌握抽油机的平衡原理、平衡方式；熟悉机械平衡的计算方法、抽油机平衡的检验方法以及曲柄轴扭矩计算及分析方法；根据电动机的功率计算合理选用电动机。1、抽油机平衡的原理及其计算方法2、曲柄轴扭矩的计算及分析教学难点教法说明：教学内容：1、扭矩因数的计算2、电动机功率的计算及选择课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的图形和曲线。1.抽油机平衡计算2.曲柄轴扭矩计算及分析3.电动机的选择和功率计算一、抽油机平衡计算不平衡原因不平衡造成的后果上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。①上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机带着电动机运转，造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；②由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装置的寿命。③破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正常工作。(一)平衡原理在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。所以，为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储存的能量或上冲程中需要释放的能量应该是悬点在上下冲程中所做功之和的一半。下冲程：dwmdAAA上冲程：wumuAAA平衡条件：mumdAA2duwAAA(二)平衡方式气动平衡机械平衡游梁平衡：游梁尾部加平衡重；曲柄平衡(旋转平衡)：平衡块加在曲柄上；复合平衡(混合平衡)：游梁尾部和曲柄上都有平衡重。(1)气包内的气体压缩与膨胀(2)多用于大型抽油机；(3)节约钢材；(4)改善抽油机受力状况；(5)加工质量要求高(如气包的密封性等)。(三)平衡计算1)复合平衡图3-14复合平衡cbcccbbubcblrWWRWrbcWXWrbaWWR2平衡半径公式:2)曲柄平衡平衡半径公式：cbcccbubcblrWWRWXrWrbaWWR2图3-15曲柄平衡3)游梁平衡ubrbXca)2(1达到平衡所需要的游梁平衡块重:图3-16游梁平衡(四)抽油机平衡检验方法1)测量驴头上、下冲程的时间平衡条件下上、下冲程所用的时间基本相等。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。2)测量上、下冲程中的电流平衡条件下上、下冲程的电流峰值相等。如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值，说明平衡不够。二、曲柄轴扭矩计算及分析(一)计算扭矩的基本公式抽油过程中减速箱输出轴(曲柄轴)的扭矩M等于曲柄半径与作用在曲柄销处的切线力T的乘积，即：rTMsinsinsin)](cos['rWrgaacWbcPbaMcAbcom复合平衡抽油机：sinsinsinrWrPbaMccr曲柄平衡抽油机：sinsin)](cos[rgaacWbcPbaMAbwb游梁平衡抽油机：不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式推导要点：力矩平衡、三角几何关系sinsinrbaPMTFp简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。sin)]([maxcbcomMWacBPTFM复合平衡抽油机:sin)(maxccrMBPTFM曲柄平衡抽油机：)]([bwbWacBPTFM游梁平衡抽油机：扭矩因数：悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。抽油机结构不平衡值B：等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。(方向向下为正)不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式(二)扭矩因数计算sinsinrbaPMTFpψ图3-17抽油机几何尺寸与曲销受力图bLkrrkLb2)cos(2cos022221)]([3600(三)悬点位移与曲柄转角的关系扭矩曲线b—驴头在下死点位置时的角t—驴头在上死点位置时的角—随φ角而变的b和K之间的夹角tbbPR冲程百分数：抽油机运动规律实测示功图悬点载荷与曲柄转角的关系扭矩因素与曲柄转角的关系图3-18濮1-3井扭矩曲线1.净扭矩；2.油井负荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩(四)扭矩曲线的应用1.检查是否超扭矩及判断是否发生“背面冲突”2.判断及计算平衡maxmaxduMM平衡条件：3.功率分析)()(MN减速箱输出的瞬时功率:202021)(21dMdNNr平均功率：4.效率分析)(4)(2minmaxmaxmaxPPSCPSMeI(五)最大扭矩计算公式1.计算最大扭矩的近似公式(1)抽油机悬点运动简化为简谐运动(2)忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响(3)最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90时简化条件：有效平衡值：抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生的平衡力。它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。eC在平衡条件下：2)(minmaxPPCerRWRWabWacBCcccbbe/)(2.计算最大扭矩的经验公式苏联拉玛扎诺夫于1957年提出：)(236.0300minmaxmaxPPSSMII根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式：)(202.01800minmaxmaxPPSSMIII三、电动机选择和功率计算(一)电动机功率计算电动机的选择关系到电能的利用效率和能否充分发挥抽油设备与油层生产能力。a.负荷是脉冲的，而且变化大；游梁式抽油装置的特点：目前国产抽油机所选配的电动机大多是高起动转矩系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机。b.启动条件困难，要求有大的启动转矩；c.所用的电动机功率不太大，但总的数量大；d.在露天工作，要求电动机维护简单、工作可靠。9549nMNer)(2iieMM9549MnNr电动机功率与曲柄轴上的扭矩关系式为：由于抽油机悬点载荷是变化的，所以电动机功率与传到曲柄轴上的扭矩也是变化的，因此在变负荷条件下，电动机选择的一般是根据扭矩的变化规律，按等值扭矩来计算，即：等值扭矩Me：用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭矩，使其电动机的发热条件相同，则此固定扭矩即为实际变化的扭矩的等值扭矩。等值扭矩与最大扭矩之间的关系max707.0MMe作简谐运动时，扭矩呈正弦规律变化：max54.0MMe真实运动规律：max6.0MMe考虑到不平衡等因素，实际计算时建议采用：95496.0maxnMNr电动机功率：8640086400LgQQLgHPltH（二）抽油效率计算100060SnWHPlPR(3)光杆功率计算的近似计算：水力功率：在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率。光杆功率：通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。100060100lAsncHPPR(1)根据实测示功图准确计算：(2)根据示功图绘制扭矩曲线准确计算光杆平均功率。rPRNHP地面地面效率：电动机效率皮带和减速箱效率四连杆机构效率盘根盒效率抽油杆效率抽油泵效率管柱效率PRHHPHP井下井下效率：rHNHP井下地面抽油抽油效率：(END)复习思考题1、抽油杆平衡准则是什么？对不同机械平衡如何确定平衡半径或平衡重？2、抽油机按扭矩平衡，其准则是什么？如何确定平衡半径或调整ΔR？3、抽油机平衡检查的方法有哪些？4、何谓扭矩因数？物理意义是什么？用扭矩因数如何确定扭矩？扭矩曲线有何用途？5、无因次光杆位移、光杆扭矩、平衡扭矩、净扭矩、等值扭矩、光杆马力、水马力的定义。6、所需电机最小全名牌功率如何确定？