抽油机的设计计算

2．曲柄平衡：这是一种在油田上常用的平衡 方式。顾名思义是将平衡块装在曲柄上，适用 于重型抽油机。这种平衡方式减少了游梁平衡 引起的抽油机摆动，调整比较方便，但是，曲 柄上有很大的负荷和离心力。 3．复合平衡：在一台抽油机上同时使用游梁 平衡和曲柄平衡。特点：小范围调整时，可以 调整游梁平衡：大范围调整时，则调整曲柄平 衡。这种平衡方式适用于中深井。 4．气动平衡：利用气体的可压缩性来储存和 释放能量达到平衡的目的，可用于10吨以上重 型抽油机。这种平衡方式减少了抽油机的动负 荷及震动，但其装置精度要求高，加工复杂。
1、 电网供电电压与供电 7、 假设抽油杆柱与油管 频率是常数； 同心； 2、 不考虑电动机转子到 8、 油井是铅直的； 减速箱曲柄轴各传动副的 9、 连杆与游梁之间的轴 间隙与传动件的弹性变形； 承座质量忽略； 3、 在分析抽油机主体机 10、游梁与支架之间的轴 构的运动规律时，不考虑 承座质量忽略； 各传动副的间隙与传动件 11、所有构件为刚性构件； 的弹性变形； 12、曲柄为等效构件； 4、 悬绳与悬绳器在垂直 方向上的等效弹簧常数为 13、求等效力矩时不考虑 全部构件的质量； 定值； 14、求等效转动惯量时考 5、 油管全长锚定或不锚 虑连杆质量； 定，当油管不锚定时，考 虑液体静负荷引起的油管 15、悬点载荷简化为F 柱弹性变形； 16、减速箱效率为0.8806 6、 不考虑油管内液柱的 振动；

图为Theta4随theta变化曲线 theta4=acos((1.2043-L.^2)./(6.052*L))beta;

（2）下面讨论悬点位移，速度与加速度的计 算公式： A.悬点中程长度SPR:


B.悬点位移PR 以下死点为位移零点，向上为位移的正方向， 则任意时刻的悬点位移PR为：

特s， ， ，
带入公式①得如Байду номын сангаас结果：

其中以下死点为位移零点，向上为位移正方 向，任意时间悬点的位移 为：
已知如下参量：

将
带入③得

图为悬点载荷F随theta的分段变化 F=(180000*pr+30000).*(theta>=0&theta<=0.1378*pi) +(66000).*(theta<=0.9631*pi&theta>=0.1378*pi)+(18 0000*pr489025.17).*(theta>=0.9631*pi&theta<=1.2136*pi)+(3 0000).*(theta>=1.2136*pi&theta<=2*pi);

另外以上死点为位移零点，向下为位移的正方则 悬点位移 为 U * t
C.悬点速度 VA 与加速度 a A 为： 悬点向上运动为位移的正方向，则 V A与 a A 为：

图为悬点pr随theta变化 x=acos((L.^2-1.2043)./(5.64*L)); fi=x+beta; pr=3.935.*(0.372*pi-fi);



1.2我国石油开采技术概况 目前， 我国石油开采技术仍落后西方。 中国油 田的种类比较复杂， 主要有中高渗透多层砂岩油田、 复杂断块油田，低渗透砂岩油田以及稠油油田。根据 不同的地质条件和油田类型，中国形成了具有特色的 油气开发技术。三元化学负荷驳对提高中国可采储量 具有明显的效 益，约可以提高 5 亿动左右石油开采量。 在大庆、胜利等油田进行的 先导性试验和矿场实验， 都取得了良好的效果，原油采收率平均可以 提高 15%—20%。此外，中国对其他提高原油采收率的新 技术，如微 生物采油、纳米膜驱油等也进行了研究与 试验。尽管中国石油开采技 术经过 50 多年开展已经 取得很大发展，但是同西方先进国家相比， 总体上应 该还有 5 至 10 年的差距。而且从具体的技术上看， 完全属 于中国原始创新的技术比较少， 一部分具有 中国知识产权的国际先进 技术，如聚合物驱、化学复 合驱技术等，最早也是在模仿学习国外理论和方法上 发展起来的。



1.1简介 游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助 装备等四大部分组成。工作时，电动机的传动经变速箱、曲柄连杆机构 变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下深井泵的柱塞作上 下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。 游梁式抽油机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。技术参 数符合中华人民共和国行业标准SY/T 5044《游梁式抽油机》和美国石油 协会API标准，技术成熟。 主要特点： 1、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维护方便； 2、游梁选用箱式或工字钢结构，强度高、刚性好、承载能力大； 3、减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿形齿轮，加工精度高、承 载能力强，使用寿命长； 4、驴头可采用上翻、上挂或侧转三种形式之一； 5、刹车采用外抱式结构，配有保险装置，操作灵活、制动迅速、 安全可靠； 6、底座采用地脚螺栓连接或压杠连接两种方式之一。
(2)油井参数 油井参数包括油藏参数与生产参数。 根据假设，和数学建模相关的几个参数包括： ——抽油杆柱质量，kg； ——抽油杆柱在液柱中的重量，N； ——油井动液面以上整个柱塞面积上的液柱重量，N； ——抽油杆柱在液体载荷 作用下的静变形，m。 各参数具体数值可取： R＝1.060m； P＝3.390m； C＝2.820m； K=4.280m； A＝3.935m； I＝2.82m；


分类
常规游梁式抽油机 以常规曲柄平衡抽油机为例，结构示意图如下图所示。

图中，1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁；6— 横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置；10—曲柄装置； 11—减速器；12—刹车保险装置；13—刹车装置；14—电动机； 15—配电箱。 游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天 平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如 果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的 动力就可以使抽油机连续不间断地工作。


（3）扭矩因数 TF

图为扭矩因数tf随theta变化 tf=-1.064*3.935.*sin(theta3-theta2)./(2.82*sin(theta3-theta4));

3.3等效驱动力矩

等效驱动力矩
图为等效驱动力矩Med随n的变化 Med=151.3508.*Md;

异形游梁式抽油机 异形游梁式系列抽油机包括双驴头抽油机、 弯游梁抽油机和对常规游梁抽油机节能改造的 机型等机型。 异形游梁式抽油机是以常规抽油机为基础 模式而研制出的新机型，它采用变径圆弧状的 游梁后臂，游梁与横梁之间采用柔性件连接结 构，在主要结构上具有常规游梁式抽油机简单， 牢靠，耐用等特点，在性能上易于实现长冲程， 并且具有突出的节能特点。 平衡方式 1．游梁平衡：在游梁的尾部装设一定重量 的平衡板，这是一种简单的平衡方式，适用于3 吨以下的轻型抽油机。

将图中各杆件看成矢量，可以得到如下的矢量方 程


R P K C
i3
上述矢量方程可以用复变矢量表示为
Re Pe K Ce

i 2
i 4
将上式两边对时间t求导，可得到各杆件的角 速度为：

将上式对时间求导，可得各杆件运动的角加速 .. .. 2 度：

2.1系统总成
抽油机 曲柄及平衡 块
电动机
减速器
连杆
游梁及驴头
抽油杆
游梁式抽油系统示意图
1－电动机；2－皮带减速箱传动装置；3－ 抽油机主体机构；4-悬绳器； 5－抽油杆柱；6－油管柱；7－抽油泵
2.2电动机已知参数及机械特性 (1) 电动机参数


电动机机械特性

电机特性曲线Md随n的变化

图为L随theta的变化曲线 theta=0:0.005:2*pi L=sqrt(19.3223-9.0759*cos(2.219*pi-theta))
3.6等效力矩、等效阻力矩 因为构件重量对结果影响不大，故为了简化 方便计算可以忽略全部构件的重量:

又因为 ①AB 段时


②BC段时



JR2——二级减速箱中间轴系转动惯量，kg.m2； JR3——二级减速箱底速轴（输出轴）系转动惯量， kg.m2； iB——皮带传动比； iR1——二级减速箱的第一级传动比； i R2——二级减速箱的第二级传动比； mQ——单曲柄质量，kg； rQ——曲柄质心半径，m； MC——单侧曲柄平衡块质量，kg； RC——曲柄平衡块质心半径，m； JC——单侧曲柄平衡块相对其质心的转动惯量， kg.m2； ML——连杆质量，kg； JL——连杆相对其质心的转动惯量，kg.m2； JB——游梁组建相对其回转中心的转动惯量，kg.m2。

③CD段时

④DA段时


图为等效阻力矩Mef与theta的分段关系
Mef=((180000.*pr+30000)*3.935*1.064/2.82.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3theta4)).*(theta>=0&theta<=0.1378*pi)+(66000.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3theta4)*3.935).*(theta<=0.9631*pi&theta>=0.1378*pi)+((180000*pr489025.17)*3.935.*sin(theta3-theta2)./sin(theta3theta4)).*(theta>=0.9631*pi&theta<=1.2136*pi)+(30000*3.935.*sin(theta3theta2)./sin(theta3-theta4)).*(theta>=1.2136*pi&theta<=2*pi);

τ＝0； JB1＝2.0kg.m2； JB2＝15.0kg.m2； JR1＝3.0 kg.m2； JR2＝8.0 kg.m2； JR3＝15.0 kg.m2； iB=5.0； iR1=5.5； i R2=5.45； mQ=500kg；






Med=132.789*Md; >> n=0:0.005:1000; Md=(2*2*360*0.0847*104.7198*(104.7198pi*n/30))./(0.0847^2*104.7198^2+(104.719 8-pi*n/30).^2);
2.3抽油机已知参数 (1)抽油机型号 根据抽油机型号，可以确定抽油机传动系统的机构尺 寸、运动件质量、转动惯量、质心位置等参数。具体 参数包括： R——曲柄半径，m； P——连杆长度，m； C——游梁后臂长度，m； K——基杆长度，m； A——游梁前臂长度，m； I——基杆的水平投影，m；τ——曲柄平衡重滞后角， rad； JB1——小皮带轮转动惯量，kg.m2； JB2——大皮带轮转动惯量，kg.m2； JR1——二级减速箱高速轴（输入轴）系转动惯量， kg.m2；
rQ=1.0m； MC==1000kg； RC=1.2m； JC=100kg.m2； ML=300kg； JL==300kg.m2； JB=1000kg.m2; MR=4000kg； =30000N； =36000N； =0.2m。

3.1假设条件
为了对异相曲柄平衡抽油机的优化设计，以放 映抽油机动力性能的最大扭矩因素为最小目标 函数优化抽油机的机构尺寸，将整个抽油机装 置简化为以曲柄为等效构件的运动情况，我们 做了以下假设条件：

3.4悬点载荷分析
1,2曲线是抽油机上冲程 3,4曲线是抽油机下冲程

图中 —抽油杆在液柱中的重量36000N —抽油杆液面以上整个柱塞面积上的液柱重量 30000N —悬点冲程长度m —抽油杆在液体载荷 作用下的静变形， 0.2m

图中四点左边如下
由曲线形状得1,2,3,4段曲线的方程为：
图为Theta2随theta变化曲线 theta=0:0.005:2*pi theta2=2.219*pi-theta
图为Theta3随theta变化曲线 beta=asin((1.064./L).*sin(2.219*pi-theta)); theta3=acos((1.2043+L.^2)./(6.052*L))beta;