第三节 抽油机平衡、扭矩与功率计算
抽油机曲柄轴扭矩及电机功率计算
复合平衡： M co m [W (B a cW b)T ] F M cms ax in
曲柄平衡： M cr (W B )T F M cms ax in
游梁平衡： Mwb[W(Ba cWb)T ] F
2. 计算最大扭矩公式
由于扭矩是随曲柄转角的变化而变化，计算很麻 烦，而在应用分析中，常常只需要知道曲柄轴的 最大扭矩，因此多采用近似计算公式或经验公式 计算最大扭矩。
M c W c r si n ( W cR b W c R c )sin
把曲柄轴上的负荷扭矩 M w 与曲柄平衡扭矩 M c
之差，称作净扭矩，用 M 表示为：
MM w M cTW FM cma sxin
其中：M cma W xcR b W cR cWc ' r
当考虑抽油机本身的结构不平衡时：
一、 曲柄轴扭矩的计算
1. 分别在曲柄连杆系统和游梁系统中，取力矩平 rW crsin F prsin
游梁系 统：
W aW gbca2aAFpbsinW bccos
消去Fp，可求得复合平衡条件下的矩计算公式：
M co F m T r [W a cW bco a c s 2 2W g ba A ]b ars s ii n n W c rs i
TF v A
2.
悬点载荷数据通常由示功图来获得， 可在示功图上读取任意一悬点位移下对应 的悬点载荷值。
3. 欲绘制扭矩曲线，需先求出悬点载荷与曲柄转 角的变化关系。
每 W 对 个应 s ， 一 s 由 曲个 线 ，W 求 得 关 得 到
图10-13
4. 扭矩曲线的应用
由于悬点载荷和平衡机构造成的扭矩与电动 机输入给曲柄轴的扭矩相平衡，因此，扭矩 曲线除了可用来确定最大扭矩和检查是否超 扭矩之外，还可以检查抽油机的平衡状况以 及进行平衡计算、确定电动机输出功率，检 查功率的利用情况及利用均方根扭矩选择电 动机功率。
抽油机平衡计算本讲稿
2r
a b
c a
2r
c b
• 在平衡条件下：
•
(Wr
WL
2
)2r
a b
2RWcb
2RcWc
2r
c b
(Wb
xc )
• 63）
R
(W
' r
W
' l
2
)
a b
r Wcb
－( X uc
Wb
)
c b
r Wcb
－Rc
Wc Wcb
——（3-
• 式中符号同前。
18
• [提示]：上面介绍的只是以上下冲程中电动机 做的功相等作为平衡标准进行计算的方法。在 实际工作中都不便于按此标准检验和调整平衡。 为此，作为检验和调整平衡时，大多采用上下 冲程的扭矩或电流峰值相等作为平衡条件。
• 例题：见书P107。
26
例：某井在抽油机平衡工作条件下，Pmax为 73520N，抽油杆柱重Wr为51234N，液柱重 Wl为18346N，最大载荷位置为35%，s为 1.8米，计算减速箱的最大扭矩。（a、b校 正系数分别为1.05、0.9）
解：已知Pmax=73520N，
ce
51234
18346 2
Байду номын сангаас
•
(Wr WL 2 )S 2RWcb 2RcWL 2xb
•将
S 2r a b
代入上式，并进行整理可得，
达到平衡所需的平衡半径的计算公式：
•
•
R (Wr WL 2
ar ) b Wcb
r xb Wcb
Rc
Wc Wcb
——（3-62）
16
• 表达式说明：曲柄平衡通常是通过改变 平衡半径R来调节平衡。
游梁式抽油机调平衡三种方法的计算与比较
游梁式抽油机调平衡三种方法的计算与比较摘要：目前江汉采油厂98%以上的油井，采用的是机械采油，而其中90%以上的机采井，使用的是游梁式抽油机（以下简称抽油机）。
确保抽油机在平衡状态下工作，不仅仅可以节约大量能耗，而且可以延长抽油机设备的寿命，优化井下工况，间接提高油井产量。
因此调整抽油机平衡是各采油站日常设备管理中的重点工作。
抽油机调平衡大致可分为电流法、电能法、示功图法、功率法、扭矩法。
本文提供了常用的电流法、扭矩法和功率法三种方法的计算和比较。
关键词：游梁式抽油机;平衡;电流法;扭矩法;功率法1、抽油机平衡基本原理、定义及判断抽油机下冲程过程中悬点载荷以及电动机所做的功储存起来，下冲程储存的能量释放出来帮助电动机带动悬点运动做功。
这就是抽油机平衡的基本原理。
根据《QSY1233-2009游梁式抽油机平衡及操作规范》中对抽油机的平衡状态的描述：指抽油机减速器扭矩最小的状态，也就是减速器扭矩均方值最小的状态，或者上、下冲程中减速器扭矩峰值最小的状态。
通俗地说抽油机平衡必然满足上、下冲程电机做功相等。
而抽油机在日常生产中由于自身的工况特点，其驴头悬点承受交变载荷，上冲程，抽油机驴头承受抽油泵活塞截面以上液体、抽油杆柱自身的重量、以及惯性、摩擦、振动等负荷。
下冲程时，抽油机驴头仅承受抽油杆柱在井液中的重量及少量的摩擦、惯性等负荷。
其上、下冲程负荷差别非常大，抽油机无法正常运行，为了保证抽油机正常运行，通常采用游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡、气动平衡的方法。
而对大型抽油机常用曲柄平衡（本文所讲到平衡调整所针对的就是曲柄平衡游梁抽油机）。
对于是否平衡，判断主要依据有观察法、上下冲程时间法、电流法、扭矩法、功率法等，观察法、上、下冲程时间法虽可粗略地判断抽油机是否平衡，但无法给出调整平衡的具体数值。
电流法、扭矩法、功率法不仅能计算出当前抽油机的平衡率，而且还可以算出达到平衡条件所需要移动平衡块的距离，在现场得到广泛运用。
3.3 抽油机的平衡、扭矩与
当抽油机运转不平衡时，实际产生的有效平衡值可利用于云琦推导的公式计算：
I d Pmax I u Pmin Ce Iu Id
（三）计算最大扭矩的经验方法
苏联公式： M max 300s 0.236s( Pmax Pmin )
中国公式：M max 1800s 0.202s( Pmax Pmin ) 实践证明近似公式和苏联公式计算结果偏小， 而中国公式计算结果比较符合中国的油井情 况。
Nr 0.1136106 Qt l L(0.355 )K
四、抽油机井的系统效率 在抽油机井的生产中，要力求投入最小的成本，获得最 大的利益，这就要求抽油机井的系统效率要高。抽油机井的 系统效率是抽油机井做的有用功率与输入功率的比值，这个 值越高，抽油机井的效益越好。 （一）抽油机井的有用功率 有用功率或称有效功率，也称为水力功率NH, 是指在一定时 间内，将一定量的液体提升一定的距离所需要的功率：
实 际 上， 一 般 不 用 这 种 方 法
2．判断及计算平衡
（二）计算扭矩的近似方法 将悬点的运动简化为简谐运动如 图所示，对曲柄轴O′取力矩平衡得：
FP r sin M Wc r sin
对支架轴取力矩平衡得
： aP bFP
M a rP sin Wcr sin b
Wb c (Wr
l
2
) X uc
2．曲柄平衡方式计算 如图所示，曲柄平衡方式的平衡重装在曲柄上，适用于大型抽油
机。
在下冲程中，曲柄平衡重 Wcb 上升的高度为2R，曲柄自重 Wc 上升的高度为 2 Rc ，抽油机本身不平衡值 X ub 上升的高度 为 2 r ，则平衡系统在下冲程中储存的能量，或实际产生的平 衡功为： Aw 2RWcb 2RcWc 2rX ub
采油工程第3章有杆泵采油(1-1)
节能
双驴头游梁式抽油机
链条式抽油机 宽带传动抽油机 液压抽油机
加大冲程
抽
常 规 型 游 梁 式 抽 油 机
油
机
异 型 游 梁 式 抽 油 机
旋 转 驴 头 游 梁 式 抽 油 机
调 径 变 矩 游 梁 式 抽 油 机
抽
油
机
链条式抽油机
皮带式抽油机
抽
油
机
链传式抽油机
天轮式抽油机
直线往复式抽油机
一、抽油装置
游梁式抽油机系列型号表示方法
CYJ
12—3.3—70(H) F(Y，B，Q)
F：复合平衡
Y：游梁平衡 平衡方式代号 B：曲柄平衡 Q：气动平衡 减速箱齿轮形代号， H 为点啮合双 圆弧齿轮，省略渐开线人字齿轮 减速箱曲柄轴最大允许扭矩,kN.m
光杆最大冲程，m 悬点最大载荷，10 kN
游梁式抽油机系列代号
WA dV A a 2 r cos t dt b
抽油机四连杆机构简图
简谐运动时悬点位移、速度、 加速度曲线
一、抽油机悬点运动规律
(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律
假设条件：0<r/l<1/4
把B点绕游梁支点的弧线运动近似地看做 直线运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑 块运动。 a A点位移： S A r (1 cos sin 2 ) 2 b
不同点：
①游梁和连杆的连接位置不同。
②平衡方式不同—后置式多采用
机械平衡；前置式多采用气动平
衡。
前置式气动平衡抽油机结构简图 后置式抽油机结构简图
③运动规律不同—后置式上、 下冲程的时间基本相等；前 置式上冲程较下冲程慢。
抽油机平衡计算本讲稿PPT44页
• （三）平衡计算
• 上冲程中悬点作的功： Au (W 'r W 'l ) S • 下冲程中悬点作的功： Ad W 'r S
• （注）：由于惯性载荷，在上下冲程中，所作的功等 于零，所以在Au和Ad中没有考虑惯性力，若按四连杆机 构分析计算，作正功和作负功正好抵消，所以为零。
• 将Au和Ad代入（3-59）得：
a c
xc
14
•式中： •
xc —抽油杆本身的不平衡值，是折
算到游梁重心位置的附加平衡力，可查抽油机出厂说
明书（具体计算见魏一书p65）
15
2、曲柄平衡 下冲程中储存的位能：
平衡重位能
Aw 2RWcb 2RWc SB X b
曲柄重位能
抽油机不平衡附加 位能
2RWcb 2RcWc 2rX b
• 该电动机特点：构造简单，坚固，易于 修理。
• 电动机选择的内容：1）确定适合于抽油 机工作特点的类型。2）确定适合于各型 抽油机工作能力的电动机的容量（即功 率）。
• （下面就着重讨论2）问题。）
35
• 1、电动机功率与传到减速箱曲柄轴的扭矩关 系式为：
M 9549 Nr 9549 Nri ——（3-67）
27
• 抽油机所配的减速箱都有允许的最大扭矩， 它既限制油井生产时所采用的最大抽汲系数Fp 、 S、n及L，同时又限制着为了保证大参数生产 所需要的电动机功率，因此了解抽油机在运转 过程中产生的最大扭矩，是分析抽油机设备工 作状况的重要内容。下面介绍在实际工作中所 采用的扭矩计算法——扭矩近似计算法。
• [注]：对某一型号的抽油机a、b、Wcb、Wc、 Q、xμb均为已知常数，将这些数值代入 式（3-62）就可得该型抽油机的计算公 式。（见书P105例题）
新型抽油机载荷、扭矩计算公式
新型抽油机载荷、扭矩计算公式及平衡调整方法一、抽油机载荷、扭矩计算公式1、双驴头抽油机:悬点最大载荷：P max =(P’液+ P’杆)×(1+Sn2/2390) kN悬点最小载荷：P min =P’杆（1-Sn2/1470）kN减速器曲柄轴最大扭矩：M max =0.22S（P max-P min）kN.m2、高原皮带式抽油机:悬点最大载荷：P max= P’液+ P’杆kN悬点最小载荷：P min = P’杆kN减速器输出轴最大扭矩：M max= 0.5R(P max-P min)=0.5R P’液kN.m平衡箱总配重：P配= 0.5(P max+P min) kN式中：P’液—抽油泵柱塞全断面上的液柱重力（沉没度太大时要考虑动液面深度），kN；☆P’液=ρf gLA Qρf—井液密度，t/m3；g—重力加速度（=9.81m/s2）；A Q—柱塞全断面积，m2；L——下泵深度，m；P’杆—抽油杆在井液中的重力，kN；☆P’杆=9.81×10-3L P杆（1-ρf/ρr）P杆—每米抽油杆在空气中的重量，kgρr—抽油杆密度（对钢杆ρr=7.85t/m3）ArrayS—冲程长度，m；n—冲程次数, min-1R—悬绳器驱动摩擦轮节圆半径，m；二、双驴头抽油机平衡调整双驴头抽油机安装前应根据油井井况和抽油机工况，初步估算平衡块的组合和平衡块的位置，以避免出现严重的不平衡现象。
投产后，应根据曲柄轴实际净扭矩情况，调整平衡，以保证抽油机在最佳状态下工作，现介绍两种平衡调整的计算方法。
1、安装前初步估算平衡（1）估算所需的平衡力矩M平（据已有数据选用三式之一）M平＝0.47×（P＇杆－B＋P＇液/2）×S千牛吨·米M平＝0.235×S×（Pmax+Pmin）千牛吨·米M平＝0.51×（|M上max|+|M下min|）千牛吨·米式中：P＇杆——抽油杆在油液中的重量（千牛吨）P＇液——动液面以上，泵柱塞全断面上液柱的重量（千牛吨）S——所用冲程长度（米）M上max，M下min分别为上、下冲程悬点负荷在曲柄轴上产生的载荷扭矩代数和的最大、最小值（千牛顿·米）P′杆＝q′LP′液＝r·F·e·g Pmax·M上max＝［Pmax －B］·TF100·M下min＝［Pmin －B］·TF280·式中：q′—每米抽油杆在油液中的重量（千牛顿）L—泵挂深度（米）r—油液密度（千克/米3）e—动液面至井口的深度（米）F—泵柱塞断面积（米2）g—重力加速度值：取g=9.8米/秒2B—抽油机结构不平衡力(千牛顿)，查抽油机铭牌或说明书的平衡力矩图解。
第三章 抽油机平衡计算
表3-5 钢制抽油杆的奥金格折算应力
(2)API最大许用应力强度条件
强度条件:
（3-97）
（修正Goodman应力方 法）
2．抽油杆柱设计
确定杆柱的材质、长度和直径的组合。 普通抽油杆分为C、D和K三个级别。 钢制抽油杆柱分单级和多级两种结构。多级杆 柱有利于减轻杆柱自重，节省钢材和能量。 在进行组合抽油杆强度设计中，要求在满足强 度条件的前提下，使抽油杆柱最轻。因此，形成了 多个强度设计方案。
常规型和前置型抽油机的扭矩因数可根据抽油 机的几何尺寸进行计算。
利用实测悬点载荷数据(示功图)
M w ( ) TF ( )W ( )
得到悬点载 荷扭矩曲线
悬点扭矩Mw 平衡扭矩MC 净扭矩M
2．扭矩曲线计算的基本公式
对于游梁平衡抽油机 对于曲柄平衡抽油机
（3-62）
B—抽油机结构不平衡值。
对于复合平衡抽油机
机械因素(硬件):泵(结构、质量、材料、安装 、泵隙、抗腐性、耐磨性）；抽油杆（尺寸、 强度）等。
工作方式(软件)： 泵深、抽汲参数(D、S、n)、套压控制等。
1、 使用油管锚减少冲程损失 =r+t t=0 =r
２、调小防冲距 为了防止碰泵，要求活塞下死点与
固定凡尔有一定的距离，叫防冲距。 防冲距越小，Vs越小， K ， 反之，防冲距越大，越保险。
（3-63） （3-64）
Wc—折算重量,曲柄平衡重折算到r点
Wcr=WcbR+WcRc
Wc=(WcbR+WcRc)/r
Wc—曲柄重；
Rc—曲柄重心半径；
Wcb —曲柄平衡块总重；R—曲柄平衡半径。
Mc=Wcrsin(+)=(WcbR+WcRc)sin(+) Mc—曲柄及其平衡重在曲柄上造成的扭矩。
采油工程—— 游梁式抽油机的平衡
第三章有杆泵采油第三节游梁式抽油机的平衡一、抽油机平衡原理（一）抽油机不平衡的原因：抽油机在工作过程中悬点承受的是不对称的脉动载荷，上冲程载荷很大，下冲程载荷较小，这样就会造成上冲程电动机做功很大，下冲程电机做负功，即悬点拉着电机旋转。
因此也就会造成抽油机不平衡。
（二）抽油机不平衡的危害：抽油机运转不平衡，影响电机的工作效率，使电机的功率因数降低，加大电机的功率损耗，减小电机的寿命；抽油机运转不平衡会使抽油机发生振动，严重时会造成翻抽油机的恶性事故，影响抽油机的寿命。
因此抽油机必须利用平衡装置调节达到运转平衡。
（三）平衡原理1．平衡原则及平衡条件抽油机达到平衡的原则是：（1）电动机在上下冲程中做功相等；（2）上、下冲程中电机的电流峰值相等；（3）上、下冲程中的曲柄轴峰值扭矩相等。
抽油平衡原理，如图3-31所示：在抽油机游梁后端加一重物，在下冲程中电机和下冲程的悬点载荷一起对重A：物做功，把重物升高储存位能w,md d w A A A +=则得到电机在下冲程中做的功为：d w md A A A -=式中 w A —— 下冲程中悬点载荷和电机对平衡系统做的功，即平衡系统储存的能量；d A —— 悬点在下冲程中做的功； md A —— 电机在下冲程中做的功。
在上冲程中平衡系统放出能量，帮助电机对悬点做功： mu w u A A A += 则得电机在上冲程中做的功为：W u mu A A A -= 式中 u A —— 悬点在上冲程中做的功；mu A —— 电机在上冲程中做的功。
根据第一条平衡原则： md mu A A = 即w u d w A A A A -=-可得到平衡系统在下冲程中应储存的能量为：2du w A A A +=（3-50） 上式说明抽油机的平衡条件为：平衡系统下冲程中储存的能量要等于悬点在上、下冲程中做功之和的一半。
2．平衡系统要达到平衡需要的平衡功当只考虑静载荷做功时，悬点在上冲程中做的功为：s W W A L r u )('+'=；下冲程做的功为：s W A r d '=。
采油工程3-4 抽油机的平衡 扭矩与功率计算
则由前式得理论上需要的平衡功为：
A A W u d l A ( W ) s w r 2 2
(四)抽油机平衡计算
游梁式抽油机的机械平衡方式 游梁平衡：游梁尾部加平衡重 机械平衡 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.游梁平衡方式计算
QHg NH 86400
Q—— 油井产液量，t/d； H— 泵对液体的有效提升高度，m； NH—— 抽油机井的有效功率，kw。
2、光杆功率
光杆功率即是抽油机悬点载荷做功的功率，是提升液体 和克服井下消耗所需要的功率。 可用示功图的面积计算：
AsnC Np 600 l
由于计算示功图麻烦，常近似地按理论静载荷计算悬点 做功：
③破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正
常工作。
(三) 平衡原理
抽油机达到平衡的原则是 （1）电动机在上下冲程中做功相等； （2）上、下冲程中电机的电流峰值相等； （3）上、下冲程中的曲柄轴峰值扭矩相等。 抽油机平 衡装置的作用： 是在下冲程把 悬点和电机的 能量储存起来， 在上冲程放出， 帮助电机对悬 点做功。
W l sn Np 4 610
3、抽油机井的效率
(1) 抽油机的效率：光杆功率与电动机功率之比。它表达 了抽油机工作状况好坏及功率利用程度
p
(2) 油井效率
N
p
Nr
：是有效功率与光杆功率之比
H
NH Np
(3) 抽油机井系统效率： 为本抽油机井输出功率与输入功率之比
NH t Nr
第四节 抽油机的平衡、扭矩与功率计算
一、 抽油机的平衡
（一） 不平衡原因
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。
抽油机曲柄轴扭矩及电机功率计算课件
曲柄轴扭矩的影响因素
曲柄轴扭矩受到多种因素的影响，包括抽油机的设计参数、工作条件、润滑条件、 材料性能等。
其中，设计参数如减速器速比、曲柄半径、轴承摩擦阻力等对曲柄轴扭矩的影响较 大，因此在进行抽油机设计时需要充分考虑这些因素。
详细描述
首先介绍电机的结构和原理，然后阐述电机功率的定义和计算公式，接着通过具体数据代入公式进行计算，最后 给出计算结果和结论。
实例三
总结词
通过实例演示，介绍如何计算不同工况 下的抽油机曲柄轴扭矩及电机功率。 NhomakorabeaVS
详细描述
首先介绍工况对抽油机性能的影响，然后 阐述不同工况下曲柄轴扭矩和电机功率的 计算方法，接着通过具体数据代入公式进 行计算，最后给出不同工况下的计算结果 和结论。
这个公式用于计算电机的输入功率，根据抽油机曲柄轴的扭矩和转速，可以计算出所需的电机功率。
电机功率的选择与匹配
选择电机功率时，需要考虑抽 油机的实际需求和工况，如载 荷、转速、效率等因素。
匹配电机功率时，要确保电机 能够满足抽油机在不同工况下 的需求，同时也要考虑电机的 效率和能耗。
根据实际情况，可以选择合适 的电机功率来提高抽油机的效 率和稳定性。
工作条件如油井的液面深度、原油粘度、工作温度等也会对曲柄轴扭矩产生影响， 需要在计算时进行适当修正。
03
电机功率计算
电机功率的定义
电机功率是指电机在单位时间内所做 的功或消耗的电能，通常用瓦特（W ）表示。
在抽油机系统中，电机功率是指驱动 抽油机正常运转所需输入的功率。
电机功率的计算公式
电机功率（P）= 扭矩（M）×转速（n）/9550，其中扭矩单位为牛顿米（Nm），转速单位为转/分 钟（rpm）。
采油工程34抽油机的平衡扭矩与功率计算
1.平衡条件
在抽油机游梁后端加一重 物，在下冲程中电机和下冲程 的悬点载荷一起对重物做功， 把重物升高储存位能 Aw
Aw Ad Amd
则得到电机在下冲程中做的功为：
Amd Aw Ad
特点的类型之外，还要确定适合各型抽油机工作 能力的电动机容量，即功率大小。
游梁式抽油机所用电动机的特点：
①负荷为脉动的，而且变化大； ②启动负荷大，要求有大的启动转矩； ③露天工作，要求电动机密封质量高，工作可靠。
封闭式鼠笼型三相异步电动机
需要的电动机功率为：
Nr
Mn
9549
Nr
M maxn 14388
Aw
Au
Ad 2
结论：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载荷在上下冲程 中所做功之和的一半。
2.平衡系统达到平衡所需要的平衡功
当只考虑静载荷做功时，悬点在上冲程中 做的功为：
Au (Wr WL )s
下冲程做的功为：
Ad Wr s
则由前式得理论上需要的平衡功为：
计算扭矩的近似方法
平衡时
M s (P Ce)sin
2
M max
s 4
( Pm a x
Pmin )
经验法： 根据若干井的抽油机的扭矩曲线峰值统计和回归，
建立的经验公式
M max 1800 s 0.202 s(Pmax Pmin )
三、 电动机的选择和功率计算 选择电动机时，除了确定适合于抽油机工作
2.曲柄平衡方式计算
平衡半径公式：
R
Wr
第三节 抽油机平衡、扭矩与功率计算
(三) 平衡计算
1)复合平衡 平衡半径公式:
W l a r Wc c r R W r X ub W b Rc 2 b W cb b W cb W cb
图3-14 复合平衡
2)曲柄平衡
平衡半径公式：
W a r X Wc R W r l r ub R c 2 b W cb W cb W cb
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。 游梁式抽油装置的特点： a.负荷是脉冲的，而且变化大； 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。
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。
电动机功率与曲柄轴上的扭矩关系式为：
Nr
Mn 9549
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：
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。 下冲程： A md A w A d 上冲程： A mu Au A w 平衡条件： A md A mu 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
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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。 游梁式抽油装置的特点： a.负荷是脉冲的，而且变化大； 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。
Nr M en 9549
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。
M
e
(M
2 i
i
)
等值扭矩与最大扭矩之间的关系
作简谐运动时，扭矩呈正弦规律变化： 真实运动规律：
M 0 . 54 M
Байду номын сангаасc max
wb
W b )]
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。
TF Mp P a b r sin sin
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)
(二)扭矩因数计算
TF Mp P a b r sin sin
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。 下冲程： A md A w A d 上冲程： A mu Au A w 平衡条件： A md A mu 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
M
e
0 . 707 M
max
e
max
考虑到不平衡等因素，实际计算时建议采用：M e
0 .6 M
max
电动机功率：
Nr
0 .6 M
max
n
9549
（二）抽油效率计算 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。
HP H QLg 86400 Q t l Lg 86400
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。 (1) 根据实测示功图准确计算：
HP PR Asnc 100 l 60 1000
(2) 根据示功图绘制扭矩曲线准确计算光杆平均功率。
(3) 光杆功率计算的近似计算：
HP PR
W l Sn 60 1000
电动机效率
Aw Au A d 2
之和的一半。
(二)平衡方式
气动平衡 (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)。
游梁平衡：游梁尾部加平衡重；
机械平衡
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。
在平衡条件下： C e
( Pmax Pmin ) 2
2.计算最大扭矩的经验公式
苏联拉玛扎诺夫于1957年提出：
M
max II
300 S 0 . 236 S ( Pmax Pmin )
根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式：
M
max III
1800 S 0 . 202 S ( Pmax Pmin )
地面效率：
地面
HP PR Nr
皮带和减速箱效率 四连杆机构效率 盘根盒效率
井下效率：
井下
HP H HP PR
抽油杆效率
抽油泵效率 管柱效率
抽油效率：
抽油 地面 井下
HP H Nr
(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Δ R？ 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？
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。
电动机功率与曲柄轴上的扭矩关系式为：
Nr
Mn 9549
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：
[
a b
P
c b
W b (cos
c aA a g
)]
r sin sin
W c r sin
'
M
cr
a b
P
r sin sin
c b
W cr sin
c aA a g r sin sin
M
wb
[
a b
P
W b (cos
)]
推导要点：力矩平衡、三角几何关系
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：
M rT
不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式
复合平衡抽油机：
曲柄平衡抽油机： 游梁平衡抽油机：
M
com
冲程百分数：
PR
b b
t
b —驴头在下死点位置时的 角
t—驴头在上死点位置时的 角
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
—随φ 角而变的b和K之间的夹角
(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 平衡条件：M u max
(3) 最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90时
M
max I
S 2
( Pmax C e )
S 4
( Pmax Pmin )
有效平衡值
Ce
：抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生
c a b a
的平衡力。它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。
Ce B Wb (W cb R W c R c ) / r
(三) 平衡计算
1)复合平衡 平衡半径公式:
W l a r Wc c r R W r X ub W b Rc 2 b W cb b W cb W cb
图3-14 复合平衡
2)曲柄平衡
平衡半径公式：
W a r X Wc R W r l r ub R c 2 b W cb W cb W cb
ψ
cos
1
b L k r 2 kr cos( 0 )
2 2 2 2
2 bL
360 [ ( 0 )]
图3-17 抽油机几何尺寸与曲销受力图
(三)悬点位移与曲柄转角的关系
抽油机运动规律 实测示功图 悬点载荷与曲 柄转角的关系 扭矩曲线 扭矩因素与曲 柄转角的关系
不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式
简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。 复合平衡抽油机: 曲柄平衡抽油机： 游梁平衡抽油机：
M
M
M
com
TF [ P ( B
c a
W b )] M
sin
c max
sin
cr
TF ( P B ) M
TF [ P ( B c a
1、扭矩因数的计算 2、电动机功率的计算及选择
教法说明：
课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的图形和曲线。
教学内容：
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 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。 不平衡造成的后果 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
M
d max
3.功率分析 减速箱输出的瞬时功率: 平均功率：
Nr 1 2
N ( ) M ( )
2
N ( ) d
1 2
0
2
0
M d
4.效率分析
(五)最大扭矩计算公式
1.计算最大扭矩的近似公式 简化条件： (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
图3-15 曲柄平衡
3)游梁平衡 达到平衡所需要的游梁平衡块重:
W b (W r W1 2 ) a c X ub
(四)抽油机平衡检验方法
1)测量驴头上、下冲程的时间
图3-16 游梁平衡
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。
第三节 抽油机平衡、扭矩与功率计算
教学目的：
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。
教学重点、难点： 教学重点