曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算
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！ 绳盘整篮矍∈三！｛鬟一动机 ／］厂Ｚｉ磊平衡重
Ｋ澈严嘿动机 。，绳杆连接器卜·：钢绳／／ｌｌ
篡纠㈧，矗毒 １５机架／１７ ｌ｜＼＼Ｉ ７减速器
２机构的运动及动力性能参数
２．１运动参数 抽油机的运动和动力性能参数主要包括：悬点的
速度、加速度、转矩因素、悬点载荷、曲柄轴净转矩、曲
柄轴均方根转矩和电动机功率等。 图２为导杆式六杆机构抽油机运动简图。图中机
幽２机构运动简图
２．１．２悬点加速度
（１）导杆的角加速度ｅ，将唧对时间求一阶导 数，即为ｅ。
￡ｐ：一卷（面“ｐ一一ＡＢ＇ｅｏｓｐ）
（４）
（２）游梁的角加速度￡。ｌ 将ＯＪｐｌ对时间求一阶导 数，即为％ｌ
啊－ｅＰ（１＋等斧）＋器№州舻
０１ Ｂｌ’ｅｏｓｌ９０２）
（５）
（３）悬点加速度口
口＝Ｐｌ×ｅ口ｌ
文章编号：１００４—２５３９（２０１０｝０３一００４６—０４
机械传动
２０１０焦
曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算
任涛
（西安石油大学机械工程学院， 陕西西安７１００６５）
摘要普通异步电动机的输出转矩基本恒定不变，而抽油机曲柄轴净转矩确是交变载荷，两者的载 荷特性无法达到“和谐”的匹配，直接导致抽油机运行效率低下、能耗增高。利用游梁结构和导杆机构设 计的曲柄导杆式六杆机构抽油机，实现了曲柄轴净转矩曲线呈小波动形态变化，大大提高了电动机的负 荷率和电动机功率利用率，实现了抽油机节能降耗。根据设计方案，建立了导杆式六杆机构抽油机在复 合平衡方式下的运动和动力学模型，并以Ｍａｔｌａｂ优化工具箱为平台，对设计方案进行全参数优化设计， 以实际载荷工况对导杆式六杆机构抽油机节能效果进行了对比分析。
ｏｐｔｉｍｕｍ ｅｎｃｅ ｔｈｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ ｌｉｎｅ—ｓｈａｐｅ ａｌｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｍａｔｌａｂ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｂｏｘｅｓ，ａｌｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｄｅ·
ｓｉｇｎ ｗａｓ ｍａｄｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．
（１）
（２）游梁的角速度ｔｏｐｌ 由速度瞬心法可求得游 梁的角速度
矿加＋等斧］
（２）
（３）悬点的速度移ｔ，＝Ｐ１×ｃＵｐｌ
（３）
图１导杆式六杆机构抽油机总体结构示意图
导杆式六杆机构的主要特点： （１）较大的极位夹角 由于导杆机构固有的结构 特征，使导杆式六杆机构具有较大的极位夹角，机构满 足“慢提快放”的抽油机工况要求。 （２）独特的变矩结构随着曲柄轴的转动，曲柄滚 轮在导杆导轨内滚动，使得曲柄对导杆的作用力的力 臂随滚轮的滚动而变化，同时，导杆滚轮在游梁导轨内 滚动，使得导杆对游梁作用力的力臂也随滚轮的滚动 而变化，两次变矩，可使游梁力矩随悬点载荷的变化而 自动调整力矩，使曲柄轴净转矩始终处于最佳工况，经 过复合平衡后的净转矩曲线呈小波动形态。 １．２工作原理 当曲柄转动时，曲柄轴滚轮在导杆的导轨内滚动， 带动导杆以机架为支点做上下摆动，导杆前端的滚轮 同时在游梁的导轨内滚动，驱动游梁以机架为支点做 上下摆动，游梁前端设置的驴头带动钢绳、绳杆连接器 和抽油杆做上下往复运动。
有功节 电率
偏置机 双驴头 摆杆机 偏轮机 导杆机
４７．１６ ２９．４３ ３４．４４ ２５．５３ １８．３５
—１２．５２ ５．９７ ５．９１６ １．∞ ４．９８
２６．２６ １７．６７ ２０．加 ２０．４６ １４．１ｌ
１．４６ １．１ １．０８ １．０ｒ７ １．０３
Ｏ ３２．７２％ ２３．０７％ ２２．∞％ ４６．２５％
1较大的极位夹角由于导杆机构固有的结构特征使导杆式六杆机构具有较大的极位夹角机构满2独特的变矩结构随着曲柄轴的转动曲柄滚轮在导杆导轨内滚动使得曲柄对导杆的作用力的力臂随滚轮的滚动而变化同时导杆滚轮在游梁导轨内滚动使得导杆对游梁作用力的力臂也随滚轮的滚动而变化两次变矩可使游梁力矩随悬点载荷的变化而自动调整力矩使曲柄轴净转矩始终处于最佳工况经过复合平衡后的净转矩曲线呈小波动形态
（８）
其中Ⅳ——抽油机的输入功率，ｋＷ
形——悬点载荷，ｌ【Ｎ
ｗｋ——游梁结构不平衡重等效载荷，ｋＮ
移２——导杆重心的线速度，ｍ／ｓ
％——导杆自重等效载荷，ｌ【Ｎ
坞——最大平衡转矩，ｋＮ·ｍ
Ｑ——游梁平衡重等效载荷，ｌ【Ｎ 口，——游梁平衡重的线速度，ｍ／ｓ ｒ——曲柄平衡重相位角，（ｏ） ２．３．１曲柄轴的净转矩坂
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｂｒａｃｅ ａｘｉｓ ｎｅｇａｔｉｖｅ
ｔｏｒｑｕｅ ｉＳ ａｌｔｅｒｎａｔｅ ｌｏａｄ，∞ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｌｅ ｎｏｔ ａｂｌｅ ｔｏ“ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ”ｍａｔｃｈ，ｌｅａｄ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｌａｔｅ ｅｆｆｉ．
ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ．Ａ ｃｒａｎｋ ｇｕｉｄｅ ｓｉｘ ｂａｒ
ｕｎｉｔ ｔｈａｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｇｕｉｄｅ ｂａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｒｅａｌｉｚｅｓ ａ ｓｍａｌｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｃｅ ａｘｉｓ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ，ａｎｄ ｏｂｖｉ·
坂＝ｖ∞（ｗ＋觋）＋詈％ｃｏｓ（口１一ｐ）一
＝ＶｌＱｃｏｓＰｌ—ＭＡｓｉｎ（０＋ｒ）
（９）
帆＝即（形＋％）＋詈％ｃｏｓ（口１一卢）一
詈Ｑｃｏｓ妒ｌ—ＭＡｓｉｎ（０＋ｒ）
（１０）
其中，研一曲柄轴转矩因素。
２．３．２曲柄轴均方根转矩
厂７１：五■—一
帆＝√刍Ｊ。％２ｄ０
（１１）
２．４电动机的功率札
电动机有效输出功率札为
关键词 导杆式抽油机设计计算 净转矩形态 节能分析优化设计
Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｒａｎｋ Ｇｕｉｄｅ Ｓｉｘ Ｂａｒ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｕｎｉｔ
Ｒｅｎ Ｔａｏ
ＥＩｌｇｉｎ咖，Ｘｉ’∞Ｓｈｉｙｏｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’锄７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
抽油机的能耗主要由三部分构成：举升液体所做 的有效机械功、抽油机传动系统的摩擦损失功、电动机 的热损失功。减小传动系统摩擦损失功，对提高抽油
机系统效率是非常有限的，意义不是很大；因此，最大 限度的降低电动机的热损失功，才是解决抽油机系统 效率低下的重要途径。造成电动机热损失过大的主要 原因是什么呢？众所周知，普通异步电动机具有硬外 特性，适宜拖动均匀载荷，而抽油机曲柄轴的净转矩恰 恰不是均匀载荷，在一个工作周期内净转矩是一个随 时间变化的交变载荷，载荷的波动是非常巨大的，不但 有很高的“峰值”载荷，而且有很深的“谷值”载荷，甚至 还会出现负值载荷。因此，为了满足“峰值”载荷的要 求，抽油机不得不选配较大功率的电动机，在运行时有 足够的过载能力，以克服交变载荷的最大转矩。这样 就造成了抽油机正常工作时的平均转矩要远远低于最 大转矩，在绝大部分时间内，电动机的输入功率仅为额 定功率的三分之一左右旧Ｊ，即“大马拉小车”，造成电动 机的负荷率平均仅有２０％一３０％Ｌ４Ｊ，使电动机输入功
在计算负载功率时，除了悬点载荷功率外，还应该考 虑游梁和导杆自重产生的负载功率，游梁自重可以等效
到悬点处的载荷，导杆自重可以等效到导杆重心处的集 中载荷［６］坳一１７３。按抽油机的输入功率等于输出功率 得Ｅ６Ｎｏ一１７３
Ｎ＝ｔ７（形＋ｗ；１）＋Ｖ２形ｋｃｏｓ（１／１一卢）一移ｌＱｃｏｓｑｏｌ
—Ｍａｍｓｉｎ（０＋ｒ）
构的主要基本尺寸为：曲柄长为Ｒ，导杆长为Ｐ，游梁
长为Ｐ．，机架支点Ｂ和曲柄轴线０之间的距离为ｃ，
曲柄轴线Ｄ和机架支点０，之间的距离为ｃｌ，曲柄转
角为目，曲柄初始位置与机架之间的夹角为９，其余参 数如图２所示。 ２．１．１悬点的速度
（１）导杆的角速度叫。 由速度瞬心法可求得导杆
的角速度
唧＝∞（１－等）
ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｏｎｓｕｍｐ— ｏｕｓｌｙ ｒａｉｓｅｓ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ
ｕｎｉｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｅｎｅｒｇｙ
ｆｉｏｎ．Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｂｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｐｏｓａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｍｍｎｅｔｅｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕ—
杆径２５ｒａｍ，油管直径７５ｍｍ，含水率８０％。 实例２【１０Ｊ：设计工况为光杆最大冲程Ｓ＝５ｍ，冲次
ｎ＝６次／ｍｉｎ，泵挂１０００ｍ，沉没度３００ｍ，泵径７０ｍｍ，杆 径２２ｍｍ，油管直径６２ｍｍ，含水率９２％。
实例１对比抽油机为目前油田上在用的节能型抽 油机【９Ｊ：偏置式抽油机（ＣＹＪＹｌｏ＿－４．２＿－５３ＨＢ）、双驴头
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｇｕｉｄｅ ｂａｒ ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
Ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ ｆｏｒｍ
Ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ
０引言
我国目前抽油机保有量在１０万台以上，电动机总 装机容量在３５００ＭＷ以上，年耗电超过１００亿千瓦时， 相当于三峡电站电负荷最大时期一个月的发电量总 和，占油田生产总电能消耗的４０％以上［１ Ｊ２４一研，电费开 支超过４０亿元…２。如此高的能耗是由于抽油机系统 的运行效率过低造成的，在我国抽油机平均运行效率 仅为２５．９６％，国外平均水平为３０．０５％…２４—２７，因此， 抽油机的节能是全世界所关注的问题，对于我国来讲， 节能具有更大的现实意义。因此，开发一种新型高效 节能抽油机，具有重大的现实意义。
（６）
２．２悬点载荷计算
悬点载荷由下式计算［５］
万方数据
机械传动
２０１０拄
肜＝Ｅｒｒ瓦ｄｕ ｌ删＋舡（ｎ—ｎ）
（７）
其中ｎ——抽油杆柱任意截面积算处的位移，ｍ
Ｅ——抽油杆材料的弹性模量，Ｎ／ｍ２
．‘——抽油杆的截面积，舒
￡——下泵深度，ｍ
Ｂ、以——分别为抽油杆和井液的密度，ｋｓ／ｍｓ ２．３曲柄轴的净转矩和均方根转矩
抽油机（ＹＣＹＪｌ卜５叫８ＨＢ）、偏轮式抽油机（ＣＹＪＰｌ２．－
４．８－５３ＨＢ）、摆杆式抽油机（ＣＹＪＢｌ２＿４．８－－３７ＨＦ）。
实例２对比抽油机为渐开线节能抽油机［Ｉ ｏＩ。
农１五种抽油机主要性能参数
最大净转矩 最小净转矩 均方根转矩 机型
／（ｋＮ·ｍ） ／（ｋＮ·ｍ） ／（ｋＮ·ｍ）
载荷波动 系数ＣＬＦ
Ｎ，－罴
（１２）
其中，叩——抽油机效率。
３设计实例及结论分析
３．１实例计算 根据给定的曲柄导杆式六杆机构方案，应用自主开
发的《基于ＭＡＴＬＡＢ优化工具箱‘７１的抽油机仿真优化系
统》…对导杆式六杆机构抽油机进行仿真优化设计。 实例１１９Ｊ，设计工况为光杆最大冲程Ｉｓ＝４．２ｍ，冲
次ｒｔ＝９次／ｍｉｎ，泵挂９００ｍ，沉没度３５０ｍ，泵径８３ｍｍ，
冒
室 ∞如∞如加ｍ 墩
耋
０
＿
Ｖ
：双驴如黼．
ｍ加 ０
５０ ｌｏｏ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０
曲柄转角，（。）
图３抽油机曲柄轴净转矩曲线 表２导杆式、渐开线抽油机主要性能参数
最大净转矩 最小净转矩 均方根转矩 机型
／（ｋＮ·ｍ） ／（ｉＮ·ｍ） ／（ｋＮ·ｍ）
载荷波动 系数ＣＬＦ
有功节 电率
万方数据
第３４卷第３期
曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算
４７
率的波动幅度非常巨大，负载率低于４０％是国家规定 的电动机非经济运行区。由于电动机工作时的热损失 是电流和功率波动量的函数，而这种波动量与抽油机 曲柄轴净转矩的波动量成正比，在其他条件不变时，曲 柄轴净转矩曲线越平缓，波动越小，则电流均方根值就 越接近电流平均值，消耗于热损失的功就越小。因此， 曲柄轴净转矩曲线呈小波动形态，是提高电动机负荷 率、减小电动机热损失功的最佳方案。
渐开线 导杆机
３１．０５ ２３．４４
０．４８ １１．∞
２１．５７ １７．１３
１．１０ １．０２
Ｏ ２０．５８％
图３为偏置式、双驴头、偏轮式和摆杆式抽油机曲 柄轴净转矩曲线【９Ｊ４卜躬，图４为相同工况下的导杆式 六杆机构抽油机转矩曲线。图５为渐开线节能抽油机 曲柄轴转矩曲线［１０】１∞。１舛，图６为相同工况下的导杆 式六杆机构抽油机转矩曲线。表１为实例１工况下导 杆式六杆机构抽油机仿真优化设计结果和偏置式、双 驴头、偏轮式、摆杆式抽油机设计结果［９］４１－４３。表２为 实例２工况下导杆式六杆机构抽油机仿真优化设计结 果和渐开线节能抽油机设计结构［１０Ｊ№一１０４。 ３．２结论分析
Ｋ澈严嘿动机 。，绳杆连接器卜·：钢绳／／ｌｌ
篡纠㈧，矗毒 １５机架／１７ ｌ｜＼＼Ｉ ７减速器
２机构的运动及动力性能参数
２．１运动参数 抽油机的运动和动力性能参数主要包括：悬点的
速度、加速度、转矩因素、悬点载荷、曲柄轴净转矩、曲
柄轴均方根转矩和电动机功率等。 图２为导杆式六杆机构抽油机运动简图。图中机
幽２机构运动简图
２．１．２悬点加速度
（１）导杆的角加速度ｅ，将唧对时间求一阶导 数，即为ｅ。
￡ｐ：一卷（面“ｐ一一ＡＢ＇ｅｏｓｐ）
（４）
（２）游梁的角加速度￡。ｌ 将ＯＪｐｌ对时间求一阶导 数，即为％ｌ
啊－ｅＰ（１＋等斧）＋器№州舻
０１ Ｂｌ’ｅｏｓｌ９０２）
（５）
（３）悬点加速度口
口＝Ｐｌ×ｅ口ｌ
文章编号：１００４—２５３９（２０１０｝０３一００４６—０４
机械传动
２０１０焦
曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算
任涛
（西安石油大学机械工程学院， 陕西西安７１００６５）
摘要普通异步电动机的输出转矩基本恒定不变，而抽油机曲柄轴净转矩确是交变载荷，两者的载 荷特性无法达到“和谐”的匹配，直接导致抽油机运行效率低下、能耗增高。利用游梁结构和导杆机构设 计的曲柄导杆式六杆机构抽油机，实现了曲柄轴净转矩曲线呈小波动形态变化，大大提高了电动机的负 荷率和电动机功率利用率，实现了抽油机节能降耗。根据设计方案，建立了导杆式六杆机构抽油机在复 合平衡方式下的运动和动力学模型，并以Ｍａｔｌａｂ优化工具箱为平台，对设计方案进行全参数优化设计， 以实际载荷工况对导杆式六杆机构抽油机节能效果进行了对比分析。
ｏｐｔｉｍｕｍ ｅｎｃｅ ｔｈｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ ｌｉｎｅ—ｓｈａｐｅ ａｌｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｍａｔｌａｂ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｂｏｘｅｓ，ａｌｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｄｅ·
ｓｉｇｎ ｗａｓ ｍａｄｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．
（１）
（２）游梁的角速度ｔｏｐｌ 由速度瞬心法可求得游 梁的角速度
矿加＋等斧］
（２）
（３）悬点的速度移ｔ，＝Ｐ１×ｃＵｐｌ
（３）
图１导杆式六杆机构抽油机总体结构示意图
导杆式六杆机构的主要特点： （１）较大的极位夹角 由于导杆机构固有的结构 特征，使导杆式六杆机构具有较大的极位夹角，机构满 足“慢提快放”的抽油机工况要求。 （２）独特的变矩结构随着曲柄轴的转动，曲柄滚 轮在导杆导轨内滚动，使得曲柄对导杆的作用力的力 臂随滚轮的滚动而变化，同时，导杆滚轮在游梁导轨内 滚动，使得导杆对游梁作用力的力臂也随滚轮的滚动 而变化，两次变矩，可使游梁力矩随悬点载荷的变化而 自动调整力矩，使曲柄轴净转矩始终处于最佳工况，经 过复合平衡后的净转矩曲线呈小波动形态。 １．２工作原理 当曲柄转动时，曲柄轴滚轮在导杆的导轨内滚动， 带动导杆以机架为支点做上下摆动，导杆前端的滚轮 同时在游梁的导轨内滚动，驱动游梁以机架为支点做 上下摆动，游梁前端设置的驴头带动钢绳、绳杆连接器 和抽油杆做上下往复运动。
有功节 电率
偏置机 双驴头 摆杆机 偏轮机 导杆机
４７．１６ ２９．４３ ３４．４４ ２５．５３ １８．３５
—１２．５２ ５．９７ ５．９１６ １．∞ ４．９８
２６．２６ １７．６７ ２０．加 ２０．４６ １４．１ｌ
１．４６ １．１ １．０８ １．０ｒ７ １．０３
Ｏ ３２．７２％ ２３．０７％ ２２．∞％ ４６．２５％
1较大的极位夹角由于导杆机构固有的结构特征使导杆式六杆机构具有较大的极位夹角机构满2独特的变矩结构随着曲柄轴的转动曲柄滚轮在导杆导轨内滚动使得曲柄对导杆的作用力的力臂随滚轮的滚动而变化同时导杆滚轮在游梁导轨内滚动使得导杆对游梁作用力的力臂也随滚轮的滚动而变化两次变矩可使游梁力矩随悬点载荷的变化而自动调整力矩使曲柄轴净转矩始终处于最佳工况经过复合平衡后的净转矩曲线呈小波动形态
（８）
其中Ⅳ——抽油机的输入功率，ｋＷ
形——悬点载荷，ｌ【Ｎ
ｗｋ——游梁结构不平衡重等效载荷，ｋＮ
移２——导杆重心的线速度，ｍ／ｓ
％——导杆自重等效载荷，ｌ【Ｎ
坞——最大平衡转矩，ｋＮ·ｍ
Ｑ——游梁平衡重等效载荷，ｌ【Ｎ 口，——游梁平衡重的线速度，ｍ／ｓ ｒ——曲柄平衡重相位角，（ｏ） ２．３．１曲柄轴的净转矩坂
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｂｒａｃｅ ａｘｉｓ ｎｅｇａｔｉｖｅ
ｔｏｒｑｕｅ ｉＳ ａｌｔｅｒｎａｔｅ ｌｏａｄ，∞ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｌｅ ｎｏｔ ａｂｌｅ ｔｏ“ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ”ｍａｔｃｈ，ｌｅａｄ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｌａｔｅ ｅｆｆｉ．
ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ．Ａ ｃｒａｎｋ ｇｕｉｄｅ ｓｉｘ ｂａｒ
ｕｎｉｔ ｔｈａｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｇｕｉｄｅ ｂａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｒｅａｌｉｚｅｓ ａ ｓｍａｌｌ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｃｅ ａｘｉｓ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ，ａｎｄ ｏｂｖｉ·
坂＝ｖ∞（ｗ＋觋）＋詈％ｃｏｓ（口１一ｐ）一
＝ＶｌＱｃｏｓＰｌ—ＭＡｓｉｎ（０＋ｒ）
（９）
帆＝即（形＋％）＋詈％ｃｏｓ（口１一卢）一
詈Ｑｃｏｓ妒ｌ—ＭＡｓｉｎ（０＋ｒ）
（１０）
其中，研一曲柄轴转矩因素。
２．３．２曲柄轴均方根转矩
厂７１：五■—一
帆＝√刍Ｊ。％２ｄ０
（１１）
２．４电动机的功率札
电动机有效输出功率札为
关键词 导杆式抽油机设计计算 净转矩形态 节能分析优化设计
Ｄｅｓｉｇｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｒａｎｋ Ｇｕｉｄｅ Ｓｉｘ Ｂａｒ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｕｎｉｔ
Ｒｅｎ Ｔａｏ
ＥＩｌｇｉｎ咖，Ｘｉ’∞Ｓｈｉｙｏｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’锄７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
抽油机的能耗主要由三部分构成：举升液体所做 的有效机械功、抽油机传动系统的摩擦损失功、电动机 的热损失功。减小传动系统摩擦损失功，对提高抽油
机系统效率是非常有限的，意义不是很大；因此，最大 限度的降低电动机的热损失功，才是解决抽油机系统 效率低下的重要途径。造成电动机热损失过大的主要 原因是什么呢？众所周知，普通异步电动机具有硬外 特性，适宜拖动均匀载荷，而抽油机曲柄轴的净转矩恰 恰不是均匀载荷，在一个工作周期内净转矩是一个随 时间变化的交变载荷，载荷的波动是非常巨大的，不但 有很高的“峰值”载荷，而且有很深的“谷值”载荷，甚至 还会出现负值载荷。因此，为了满足“峰值”载荷的要 求，抽油机不得不选配较大功率的电动机，在运行时有 足够的过载能力，以克服交变载荷的最大转矩。这样 就造成了抽油机正常工作时的平均转矩要远远低于最 大转矩，在绝大部分时间内，电动机的输入功率仅为额 定功率的三分之一左右旧Ｊ，即“大马拉小车”，造成电动 机的负荷率平均仅有２０％一３０％Ｌ４Ｊ，使电动机输入功
在计算负载功率时，除了悬点载荷功率外，还应该考 虑游梁和导杆自重产生的负载功率，游梁自重可以等效
到悬点处的载荷，导杆自重可以等效到导杆重心处的集 中载荷［６］坳一１７３。按抽油机的输入功率等于输出功率 得Ｅ６Ｎｏ一１７３
Ｎ＝ｔ７（形＋ｗ；１）＋Ｖ２形ｋｃｏｓ（１／１一卢）一移ｌＱｃｏｓｑｏｌ
—Ｍａｍｓｉｎ（０＋ｒ）
构的主要基本尺寸为：曲柄长为Ｒ，导杆长为Ｐ，游梁
长为Ｐ．，机架支点Ｂ和曲柄轴线０之间的距离为ｃ，
曲柄轴线Ｄ和机架支点０，之间的距离为ｃｌ，曲柄转
角为目，曲柄初始位置与机架之间的夹角为９，其余参 数如图２所示。 ２．１．１悬点的速度
（１）导杆的角速度叫。 由速度瞬心法可求得导杆
的角速度
唧＝∞（１－等）
ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｏｎｓｕｍｐ— ｏｕｓｌｙ ｒａｉｓｅｓ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ
ｕｎｉｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｅｎｅｒｇｙ
ｆｉｏｎ．Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｂｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｐｏｓａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｍｍｎｅｔｅｒｓ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕ—
杆径２５ｒａｍ，油管直径７５ｍｍ，含水率８０％。 实例２【１０Ｊ：设计工况为光杆最大冲程Ｓ＝５ｍ，冲次
ｎ＝６次／ｍｉｎ，泵挂１０００ｍ，沉没度３００ｍ，泵径７０ｍｍ，杆 径２２ｍｍ，油管直径６２ｍｍ，含水率９２％。
实例１对比抽油机为目前油田上在用的节能型抽 油机【９Ｊ：偏置式抽油机（ＣＹＪＹｌｏ＿－４．２＿－５３ＨＢ）、双驴头
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｇｕｉｄｅ ｂａｒ ｐｕｍｐｉｎｇ ｕｎｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
Ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｏｒｑｕｅ ｆｏｒｍ
Ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ
０引言
我国目前抽油机保有量在１０万台以上，电动机总 装机容量在３５００ＭＷ以上，年耗电超过１００亿千瓦时， 相当于三峡电站电负荷最大时期一个月的发电量总 和，占油田生产总电能消耗的４０％以上［１ Ｊ２４一研，电费开 支超过４０亿元…２。如此高的能耗是由于抽油机系统 的运行效率过低造成的，在我国抽油机平均运行效率 仅为２５．９６％，国外平均水平为３０．０５％…２４—２７，因此， 抽油机的节能是全世界所关注的问题，对于我国来讲， 节能具有更大的现实意义。因此，开发一种新型高效 节能抽油机，具有重大的现实意义。
（６）
２．２悬点载荷计算
悬点载荷由下式计算［５］
万方数据
机械传动
２０１０拄
肜＝Ｅｒｒ瓦ｄｕ ｌ删＋舡（ｎ—ｎ）
（７）
其中ｎ——抽油杆柱任意截面积算处的位移，ｍ
Ｅ——抽油杆材料的弹性模量，Ｎ／ｍ２
．‘——抽油杆的截面积，舒
￡——下泵深度，ｍ
Ｂ、以——分别为抽油杆和井液的密度，ｋｓ／ｍｓ ２．３曲柄轴的净转矩和均方根转矩
抽油机（ＹＣＹＪｌ卜５叫８ＨＢ）、偏轮式抽油机（ＣＹＪＰｌ２．－
４．８－５３ＨＢ）、摆杆式抽油机（ＣＹＪＢｌ２＿４．８－－３７ＨＦ）。
实例２对比抽油机为渐开线节能抽油机［Ｉ ｏＩ。
农１五种抽油机主要性能参数
最大净转矩 最小净转矩 均方根转矩 机型
／（ｋＮ·ｍ） ／（ｋＮ·ｍ） ／（ｋＮ·ｍ）
载荷波动 系数ＣＬＦ
Ｎ，－罴
（１２）
其中，叩——抽油机效率。
３设计实例及结论分析
３．１实例计算 根据给定的曲柄导杆式六杆机构方案，应用自主开
发的《基于ＭＡＴＬＡＢ优化工具箱‘７１的抽油机仿真优化系
统》…对导杆式六杆机构抽油机进行仿真优化设计。 实例１１９Ｊ，设计工况为光杆最大冲程Ｉｓ＝４．２ｍ，冲
次ｒｔ＝９次／ｍｉｎ，泵挂９００ｍ，沉没度３５０ｍ，泵径８３ｍｍ，
冒
室 ∞如∞如加ｍ 墩
耋
０
＿
Ｖ
：双驴如黼．
ｍ加 ０
５０ ｌｏｏ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０
曲柄转角，（。）
图３抽油机曲柄轴净转矩曲线 表２导杆式、渐开线抽油机主要性能参数
最大净转矩 最小净转矩 均方根转矩 机型
／（ｋＮ·ｍ） ／（ｉＮ·ｍ） ／（ｋＮ·ｍ）
载荷波动 系数ＣＬＦ
有功节 电率
万方数据
第３４卷第３期
曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算
４７
率的波动幅度非常巨大，负载率低于４０％是国家规定 的电动机非经济运行区。由于电动机工作时的热损失 是电流和功率波动量的函数，而这种波动量与抽油机 曲柄轴净转矩的波动量成正比，在其他条件不变时，曲 柄轴净转矩曲线越平缓，波动越小，则电流均方根值就 越接近电流平均值，消耗于热损失的功就越小。因此， 曲柄轴净转矩曲线呈小波动形态，是提高电动机负荷 率、减小电动机热损失功的最佳方案。
渐开线 导杆机
３１．０５ ２３．４４
０．４８ １１．∞
２１．５７ １７．１３
１．１０ １．０２
Ｏ ２０．５８％
图３为偏置式、双驴头、偏轮式和摆杆式抽油机曲 柄轴净转矩曲线【９Ｊ４卜躬，图４为相同工况下的导杆式 六杆机构抽油机转矩曲线。图５为渐开线节能抽油机 曲柄轴转矩曲线［１０】１∞。１舛，图６为相同工况下的导杆 式六杆机构抽油机转矩曲线。表１为实例１工况下导 杆式六杆机构抽油机仿真优化设计结果和偏置式、双 驴头、偏轮式、摆杆式抽油机设计结果［９］４１－４３。表２为 实例２工况下导杆式六杆机构抽油机仿真优化设计结 果和渐开线节能抽油机设计结构［１０Ｊ№一１０４。 ３．２结论分析