-游梁式抽油机运动学分析

游梁式抽油机的工作原理游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面驱动装置，它由动力机、减速器、机架和连杆机构等部分组成。减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动;曲柄轴的低速旋转圆周运动由连杆机构变为驴头悬绳器的上下往复直线运动，从而带动抽油泵进行抽油工作。游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种，基本结构如图1所示：图1常规游梁式抽油机基本机构图1-刹车装置2-电动机3-减速器皮带轮4-减速器5-动力输入轴6-中间轴7-输出轴8-曲柄9-曲柄销10-支架11-曲柄平衡块12-连杆13-横梁轴14-横梁15-游梁平衡块16-游梁17-支架轴18-驴头19-悬绳器20-底座常规游梁式抽油机的运动分析（下图为ppt演示文稿，请双击打开相关内容）常规游梁式抽油机的运动分析常规游梁式抽油机的悬点载荷计算一、抽油机悬点载荷简介当游梁式抽油机通过抽油杆的上下往复运动带动井下抽油泵工作时，在抽油机的驴头悬点上作用有下列几类载荷：(1)静载荷包括抽油杆自重以及油管内外的液体静压作用于抽油泵柱塞上的液柱静载荷。(2)动载荷由于抽油杆柱和油管内的液体作非匀速运动而产生的抽油杆柱动载荷以及作用于抽油泵柱塞上的液柱动载荷。(3)各种摩擦阻力产生的载荷包括光杆和盘根盒间的摩擦力、抽油杆和油液间的摩擦力、抽油杆(尤其是接箍)和油管间的摩擦力、油液在杆管所形成的环形空间中的流动阻力、油液通过泵阀和柱塞内孔的局部水力阻力，还有柱塞和泵筒之间的摩擦阻力。抽油机有杆泵运动1个周期内的4个阶段1—抽油杆;2—油管;3—泵筒有杆泵的具体运行过程：1.电机提供动力给齿轮箱。齿轮箱降低输出角速度同时提高输出转矩。2.曲柄逆时针转动同时带动配重块。曲柄是通过联接杆连接游梁的，游梁提升和沉降活塞。驴头在最低位置的时候，标志着下冲程的止点。可以注意到曲柄和连接杆此时在一条直线上。3.上冲程提升驴头和活塞，随之油背举升。在上止点，所有的铰链在一条直线。这种几种结构局限了连接杆的长度。4.活塞和球阀。球阀是液体流动驱动开闭的。上冲程中，动阀关闭静阀开启。活塞上部的和内部的液体从套管中被提升出去，同时外部液体补充进来。下冲程，动阀开启阀法关闭。液体流入活塞而且没有液体回流油井。二、悬点载荷计算jdjW---悬点静载荷;dW---悬点动载荷;（1）悬点静载荷1.抽油杆自重计算在上下冲程中，抽油杆自重始终作用于抽油机驴头悬点上，是一个不变的载荷，它可以用下列式子计算:'/1000rrrprpWAgLqL'rW-抽油杆自重，kN;pL-抽油杆总长度，m;rA-抽油杆的截面积，m2;g重力加速度，9.81N/kg2;r-抽油杆的密度，kg/m3;rq-每米抽油杆自重，kN/m。对于组合杆柱,如果级数为K,则可用下式计算:rq=1kriiiqriq---第i级抽油杆住每米自重,KN/m;i----第i级杆柱长度与总长之比值;由于抽油杆全部沉没在油管内的液体之中，所以在计算悬点静载荷时，要考虑液体浮力的影响。用rW代表抽油杆柱在液体中的自重，则它可以用下式计算:'()(1)frrfrprrWALgW=(1-0.127f)**rpqL其中，f---井液密度,t/3m;rW---液体中抽油杆自重;2.作用于柱塞的液柱静载荷计算作用于柱塞上的液柱载荷随着抽油泵阀门开闭状态的不同而变化。下冲程时，柱塞上的游动阀是打开的，柱塞上下连通。若不计井液通过游动阀和柱塞孔的阻力，则柱塞上下的井液压力相等，作用于柱塞上的液柱载荷等于零。上冲程时，游动阀关闭而固定阀打开，柱塞上下不再连通。柱塞上面的液体压力等于油管内液体静压力，而柱塞下面的液体压力，忽略液体通过固定阀时的阻力，等于油管外动液面以下液柱的静压力。这一压力差在柱塞上产生液柱载荷fW（单位kN）：fW=f*g*(pL-h)*pA=f*g*0H*pA式中，fW---作用于柱塞的液柱载荷;f---井液密度,t/3m;g----重力加速度,g=9.81m/2s;pL---抽油杆总长或挂泵深度,m;h---泵的沉没深度,m;0H---油井动液面深度,mpA---泵的柱塞面积，2m3.悬点静载荷计算上冲程时，悬点静载荷等于上述两项载荷之和，则有:jW=rW+fW下冲程时,悬点静载荷等于抽油杆柱在液体中的自重,则有：jW=rW（2）悬点动载荷1.抽油杆柱动载荷抽油杆和液柱在非匀速运动过程中产生惯性力而作用于抽油机悬点上的载荷称为动载荷。惯性力的方向与加速度方向相反。在抽油机系统中，我们规定取向上加速度为正，即取向下的载荷为正。忽略抽油杆的弹性，将其视为一集中质量，则抽油杆柱动载荷就等于抽油杆质量与加速度的乘积。rdWjW×ag=jWg×（2***dTFdTFdd）=rprLAardW---抽油杆柱动载荷；jW---悬点静载荷;a---悬点加速度(驴头圆弧切向加速度);g----重力加速度,g=9.81m/2s;---曲柄角速度;----曲柄转角;pL-抽油杆总长度，m;rA-抽油杆的截面积，m2;r-抽油杆的密度，kg/m3;TF--扭矩因数,m;代表单位悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩.TF=v；v----悬点速度;---曲柄角速度;2.油液柱动载荷忽略液体的可压缩性。则液柱动载荷就等于液柱质量与液柱运动加速度的乘积。但由于油管内径与抽油泵直径不同，故抽油杆与油管形成的环形空间中液体的运动速度和加速度不等于抽油泵柱塞的运动速度和加速度(当忽略抽油杆的弹性时，柱塞泵的运动速度和加速度等于悬点运动速度和加速度)，为此引入加速度修正系数。'/ffdWWag其中，prirAAAA，pA---泵的柱塞面积，2m；rA-抽油杆的截面积，m2;iA—用油管内径计算的流通面积，m2;'fW—作用下柱塞环形面积上的液柱重量，kN;'()ffpprWgLAA3.悬点动载荷计算上冲程时悬点的动载荷等于抽油杆的动载荷和液柱动载荷之和。()/drdfdrf下冲程时，液体的运动速度和加速度很小，其动载荷可以忽略不计，故/drdr常规游梁式抽油机减速器扭矩计算一、抽油机减速器扭矩计算减速器扭矩指的是游梁式抽油机在减速器输出轴(也称曲柄轴)上实际产生的扭矩。其大小和悬点载荷、冲程长度、抽油机四杆机构杆长比值以及抽油机的平衡状况有关。现以曲柄平衡的游梁式抽油机为例来推导曲柄轴扭矩的一般计算公式(见下图所示)。按照习惯，当曲柄连杆机构施加于输出轴上的扭矩方向与曲柄轴的旋转方向一致时(主动力矩)，扭矩为负值;相反时，扭矩为正值(阻力矩)。抽油机扭矩计算图为便于计算，现将下列符号设定为:0Q—摆动部件自重(游梁、驴头、横梁等)，kN;0l—摆动部件重心至游梁支承的距离，m;bJ—摆动部件的转动惯量，103kg·m2;W—作用于驴头悬点的载荷，kN;'—游梁与水平线之间的夹角;b—游梁转动的角加速度，2S;M—曲柄处于水平位置时平衡重与曲柄自重对减速器输出轴中心的力矩，kNm;—平衡相位角，即曲柄轴中心到平衡重重心之连线与曲柄半径R的夹角，由R到连线按旋转方向度量;b—四杆机构的传动效率，b=0.92—0.96。摆动部件自重可以转化为作用于悬点处的载荷B，B称为游梁式抽油机的结构不平衡重。00QlBA在抽油机中规定:当摆动部件重心位于游梁后臂上时，B为正值;重心位于前臂上时，B为负值。B值可以用以下方法测定:将连杆曲柄销从曲柄上脱开，在悬点处施加一铅垂方向的力，使游梁保持水平位置;测量所施加的力，即为B值，单位是kN如果该力向下，B为正值;该力向上，B为负值。悬点载荷与结构不平衡重的差值cos'WB称为纯光杆载荷。根据虚位移原理，当忽略四连杆中的摩擦损失以及摆动部件的转动惯性时，纯光杆载荷在曲柄轴上产生的扭矩wnT为:cos'/cos'wnTWBvwWBTF式中，wnT—纯光杆载荷扭矩，kN·m;v—悬点速度，m/S;w—曲柄角速度，1/s;TF—扭矩因数，m;代表单位悬点载荷在曲柄上产生的扭矩。sinsinvARTFC因=常数，TF故随曲柄转角的变化规律与悬点速度的变化规律一致。如果计及四连杆机构的摩擦损失和摆动部件的转动惯性，再加上曲柄平衡扭矩，则在曲柄上的净扭矩nT的一般计算公式为:cos'sinmbbnbJTWBTFMA式中:m为指数;TF0时，m=-1;TF0时，m=l。上式虽是针对曲柄平衡的游梁式抽油机的，但也可适用于复合平衡梁平衡和曲柄平衡组合)以及纯油梁平衡抽油机。对于复合平衡抽油机，可将游梁平衡重的效应纳入结构不平衡重之中。bbooQlQlBAA式中，bQ—游梁平衡重重量，kN;bl—游梁平衡重重心到游梁支承中心的距离，m。对于纯游梁平衡重，可令式中的M=0。利用公式计算nT时，需要知道转动惯量bJ的数据。实际计算时，动惯量在曲柄轴上产生的扭矩对净扭矩的影响不大，工程计算时可以忽略。在大多数有关抽油机的文献中，均不计四连杆机构摩擦的影响而取b=1;净扭矩的计算公式进一步简化为:sinnTWBTFM但是，四杆机构的效率b，对净扭矩的影响相当大。b=0.93与b=1相比较，最大扭矩增加了21%。因此，在计算减速器扭矩时，还是考虑抽油机四连杆机构效率为好。由减速器扭矩计算的一般公式可知:在曲柄旋转一周的过程中，减速器扭矩随曲柄转角作周期性的变化，其变化规律可用扭矩曲线来表示。曲柄平衡的游梁式抽油机的减速器净扭矩是由载荷扭矩与曲柄平衡扭矩两部分组成，所以在扭矩曲线图上往往绘有3条扭矩曲线:载荷扭矩曲线、平衡扭矩曲线及净扭矩曲线。对于纯游梁平衡的游梁式抽油机，由于在扭矩计算的一般公式中没有曲柄平衡扭矩sinM这一项，在扭矩曲线上只有一条净扭矩曲线。利用扭矩计算的一般公式，作出nT-数据表，即可绘制出扭矩曲线。常规机曲柄轴净扭矩曲线二、抽油机扭矩特性参数可以用一组数据来描述游梁式抽油机减速器的扭矩特性，称为扭矩特性参数。主要的扭矩特性参数有以下几个:平均扭矩mT；最大扭矩maxT；最小扭矩minT；均方根扭矩eT和周期载荷系数clF。1.平均扭矩mT曲柄转动一周中的平均扭矩可以用下式求得:201112nmnniiTTdTN其中，N-等分区间数;niT-瞬时扭矩值。由于曲柄平衡扭矩sin()M在曲柄旋转一周中的平均值为零，所以它对平均扭矩不发生丝毫影响，也就是说，曲柄平衡抽油机的减速器平均扭矩与抽油机的平衡程度无关，是一个不变量(当抽油机工况一定时)。不论是上冲程还是下冲程，其起始状态和终了状态的速度均为零，因摆动体的惯性所产生的惯性扭矩在一个冲程内的平均扭矩亦必然等到于零，所以曲柄轴的平均扭矩与惯性扭矩无关。这样，曲柄轴的平均扭矩可用下列式计算:201(cos')2mmbTWBTFd2.最大扭矩maxT曲柄转动一周中净扭矩的最大值称为最大扭矩maxT。与平均扭矩几不同，最大扭矩一般发生在上冲程或下冲程的中部。但由于载荷扭矩变化规律的复杂性，最大扭矩也可能发生在冲程的其它任一位置上。没有一般的分析表达式可以计算各种不同平衡程度下的maxT及其所处的曲柄转角，只能根据nT数据表或净扭矩曲线确定。maxT是一个很重要的扭矩特性参数。无论是进行游梁式抽油机选型，还是在运转过程中对抽油机进行诊断都要用到这个参数。3.最小扭矩minT曲柄转动一周中净扭矩的最小值称为最小扭矩minT。它同样既受载荷扭矩的影响，也受到平衡扭矩的影响。在许多情况下，minT往往小于零。小于零的净扭矩称为负扭矩。负扭矩一般出现在冲程的末尾。minT的数值及其发生时的曲柄转角也只能根据nT数据表或净扭矩曲线来确定。负扭矩的存在意味着能量传递发生倒流，即能量不是由电动机向曲柄轴传输，而是由曲柄轴向电动机传输，使电动机处于发电运行状态。负扭矩一方面使电动机的平均效率和功率因数降低，另一方面使齿轮传动