有杆抽油设备简介

1、 第一节第一节 游梁式抽油机游梁式抽油机 Pumping UnitsPumping Units 古老，应用广泛。古老，应用广泛。 四连杆机构四连杆机构： 1 1杆：杆：曲柄曲柄；2 2杆：杆：连杆连杆； 3 3杆：杆：游梁游梁；4 4杆：杆：虚杆虚杆。第八章第八章 有杆抽油设备有杆抽油设备（第二次课）第二次课）第二部分：采油工艺及设备第二部分：采油工艺及设备图图8-1 抽油机机构简图抽油机机构简图 一、游梁式抽油机结构一、游梁式抽油机结构1. 1. 结构组成：结构组成： 电机；减速箱；曲柄；连杆；游梁；平衡电机；减速箱；曲柄；连杆；游梁；平衡块；支架；驴头；制动器；悬绳器块；支架；驴头；制动器

2、；悬绳器。驴头将游梁前端往复驴头将游梁前端往复圆弧运动，变为抽油圆弧运动，变为抽油杆垂直往复运动杆垂直往复运动。驴头目的驴头目的：对中井口对中井口。游梁游梁连杆连杆平衡块平衡块曲柄曲柄电机电机皮带轮皮带轮减速箱减速箱支架支架驴头驴头悬绳器悬绳器常规型常规型皮带皮带平衡块平衡块底座底座游梁游梁连杆连杆横梁横梁曲柄曲柄电机电机齿轮箱齿轮箱支架支架悬绳器悬绳器驴头驴头悬绳悬绳2. 2. 型号型号（标准化） 游梁游梁 复合复合 曲柄曲柄 气气CYJ （Y） （F） （B） （Q） 抽油机抽油机 悬点载荷悬点载荷 冲程（冲程（m） 最大扭矩最大扭矩 平衡方式平衡方式 （x10KN） 例，例，CYJ8-3

3、-37-HB： 悬点载荷悬点载荷80kN 80kN ； 冲程冲程3m3m； 扭矩扭矩37 kN.m37 kN.m； H H圆弧齿轮箱；圆弧齿轮箱； B B曲柄平衡。曲柄平衡。3. 3. 基本类型基本类型 常规型常规型：支点在中间，动力在尾部（见图支点在中间，动力在尾部（见图9-29-2）；）； 双驴头抽油机（变力臂，节能。）；双驴头抽油机（变力臂，节能。）；常规型常规型常规型常规型双驴头式抽油机双驴头式抽油机下偏杠铃式抽油机下偏杠铃式抽油机3. 3. 基本类型基本类型 前置式：前置式：支点在尾部，动力在中间（见图支点在尾部，动力在中间（见图9-39-3）。）。前置式前置式曲柄平衡曲柄平衡前置式

4、前置式气平衡气平衡游梁游梁驴头驴头驴头驴头游梁游梁气缸平衡气缸平衡悬重悬重悬重悬重连杆连杆连杆连杆曲柄平衡重曲柄平衡重3. 3. 基本类型基本类型 前置式：前置式：支点在尾部，动力在中间（见图支点在尾部，动力在中间（见图9-39-3）。）。前置式前置式游梁平衡游梁平衡平衡重平衡重 悬点载荷：悬点载荷：P P挂抽油杆处，挂抽油杆处，反应下泵深度反应下泵深度。取决于。取决于杆和液柱重量杆和液柱重量。 最大扭矩：最大扭矩：M M曲柄轴最大扭矩。（用于曲柄轴最大扭矩。（用于选择电机选择电机功功率）率） 冲程长度：冲程长度：S S反应采油量反应采油量。悬点冲程，受机构限制。悬点冲程，受机构限制3 34m

5、4m，6m6m长冲程。（曲柄连杆机构难以实现长长冲程。（曲柄连杆机构难以实现长冲程。）冲程。）S S正比于曲柄半径。正比于曲柄半径。 冲次：冲次：n n悬点冲程数，悬点冲程数，反应采油量反应采油量。（每分钟往复。（每分钟往复次数）次数） 低冲次低冲次 ；高冲次高冲次 ； 中等冲次为二者之间。中等冲次为二者之间。二、主参数二、主参数min/6nmin/15n三、游梁抽油机驴头悬点载荷三、游梁抽油机驴头悬点载荷抽油泵工作过程抽油泵工作过程上冲程：上冲程：游动阀关游动阀关（柱塞上（柱塞上的阀）；的阀）；固定阀开固定阀开（泵筒上（泵筒上的阀），地面排油。的阀），地面排油。下冲程：下冲程：游动阀开；固定

6、阀游动阀开；固定阀关关，泵筒向柱塞上方排油。，泵筒向柱塞上方排油。悬点载荷：悬点载荷：抽油杆悬挂抽油杆悬挂在驴头处的载荷。在驴头处的载荷。上下冲程悬点载荷不同上下冲程悬点载荷不同。（一）六项（一）六项悬点载荷悬点载荷静载：三项静载：三项图图8-2 8-2 悬点静载荷变化图悬点静载荷变化图 1. 1. 抽油抽油杆柱杆柱自自重重： P P杆杆（油中为（油中为 ）方向）方向2. 2. 油管内，柱塞上油管内，柱塞上油柱重油柱重（柱塞面积减杆面积）（柱塞面积减杆面积）P P油油3. 3. 油管外油油管外油沉没沉没度度对柱塞下对柱塞下端端压力压力P P压压。杆P方向都是变化的。（杆为弹性体）大小、荷杆柱和

7、油柱运动振动载振动载荷。方向与加速度方向相反大小取决悬点加速度，杆柱、油柱惯性载荷，和惯性载荷振油惯杆惯 , :. 5, :4.PPP动载动载动载与杆柱运动有动载与杆柱运动有关。关。游动阀（排出阀）。油管间、油流通过油杆与油柱间、油柱与（金属与液体间）液体摩擦力，（接箍）和油管间；柱塞和泵筒间、抽油杆（金属之间）半干摩擦力，摩擦力摩液摩干 :. 6PP 稠油高粘度，摩擦力大稠油高粘度，摩擦力大。 （粘度反映液体运动层间的摩擦力，绝对粘度，（粘度反映液体运动层间的摩擦力，绝对粘度，Pa.sPa.s） 摩擦力：摩擦力：作用方向与油杆运动相反作用方向与油杆运动相反。游阀。游阀液体摩擦发生在下冲程阀打

8、开时。液体摩擦发生在下冲程阀打开时。 摩擦力低粘油时，忽略不计（占摩擦力低粘油时，忽略不计（占2 25%5%），），高粘油时必考虑。高粘油时必考虑。现场提出问题现场提出问题： 油稠，下冲程杆和柱塞靠自重无法下行。油稠，下冲程杆和柱塞靠自重无法下行。 1. 1. 上冲程上冲程 悬点从下死点上移，悬点从下死点上移，游阀关，固定阀开游阀关，固定阀开。（二）悬点静载荷大小及变化规律（二）悬点静载荷大小及变化规律上冲程上冲程悬点静载悬点静载： （泵筒进油）（泵筒进油） 杆自重杆自重 油柱重油柱重 油管外沉没油柱对柱塞底压力油管外沉没油柱对柱塞底压力 （1） 杆在油中重 油杆重度油杆重度，N/m3; 油重

9、度油重度，N/m3; 杆截面积杆截面积，m2； F柱塞面积柱塞面积，m2； L抽油杆长或下泵深度抽油杆长或下泵深度m m； 泵沉没度，泵沉没度，m m（有时认（有时认为为 ） 动液面以上动液面以上（ ）， 断面面积等于柱塞面积的油柱重断面面积等于柱塞面积的油柱重，N。 压油杆静上PPPPFhLfFLf沉油杆油杆杆）（油杆油沉油杆杆）（）（PPhLFLf杆油杆f沉h油P沉hL 沉h0 2. 2. 下冲程下冲程 悬点从上死点下移，游阀悬点从上死点下移，游阀开，固定阀关。开，固定阀关。 悬点只承受杆柱在油中重悬点只承受杆柱在油中重量。量。 （2） 杆在油中重量杆在油中重量 【柱塞上、下油压柱塞上、下

10、油压 油油 相等，油对杆产生浮力相等，油对杆产生浮力】杆静下 PPp 3. 3. 下死点载荷变化下死点载荷变化 （从下至上冲程从下至上冲程）（1 1）抽油杆载荷变化）抽油杆载荷变化 悬点载荷悬点载荷：由由 变至变至 载荷增量载荷增量： （油柱重油柱重） 杆伸长杆伸长： 导致：导致：悬点走了悬点走了 距离，载荷距离，载荷 才全部加到杆才全部加到杆或悬点上或悬点上。【相当弹性变形，先走一段空的距离相当弹性变形，先走一段空的距离】 伸长使柱塞不动，此时不抽油伸长使柱塞不动，此时不抽油。静下P静上P油杆静上PPP杆静下PP油静下静上PPPP杆油杆杆EfLPEfPL)11(fPEELL杆P（2 2）油管

11、柱载荷变化）油管柱载荷变化下冲程时下冲程时： 游阀开，定阀关。游阀开，定阀关。 （固定阀将油管下堵住，（固定阀将油管下堵住，减去沉没压力。）压在油管下部。减去沉没压力。）压在油管下部。上冲程时上冲程时： 游阀关，油柱由柱塞和抽油杆承担。游阀关，油柱由柱塞和抽油杆承担。油管柱油管柱上无载荷作用，卸载引起油管缩短。上无载荷作用，卸载引起油管缩短。（油管油管与泵筒相连）与泵筒相连）缩短大小缩短大小： （ 管壁面积）管壁面积） （悬点又走了悬点又走了 距离，柱塞与泵筒仍无相距离，柱塞与泵筒仍无相对运动，也不抽油对运动，也不抽油。）。）油P管油管EfLP管f管（3 3）冲程（悬点冲程）冲程（悬点冲程S

12、S） 柱塞有效冲程柱塞有效冲程： （4） 变形分配系数， 取0.60.9。 SS 效/1杆管杆杆油管杆）（ffEfLP管杆ff11（3）4. 4. 上死点载荷变化上死点载荷变化上冲程终了，下冲程开始。上冲程终了，下冲程开始。（1 1）杆柱杆柱：静载由静载由 变到变到 。载荷减小载荷减小了了 （折合）油柱重，（折合）油柱重，杆缩短了杆缩短了 ，悬点走，悬点走过过 （距离），柱塞不动，泵筒不排油（泵筒向柱塞（距离），柱塞不动，泵筒不排油（泵筒向柱塞上方排油，柱塞运动游阀才能打开（顶开）。上方排油，柱塞运动游阀才能打开（顶开）。（2 2）油管油管：此时，固定阀关（柱塞不动，泵筒与油管外的：此时，固定

13、阀关（柱塞不动，泵筒与油管外的油共同压力，定阀球自由落下）。油共同压力，定阀球自由落下）。油管承受油管承受载荷载荷由空载由空载增加增加为为 ，管伸长了管伸长了 。悬点又走了悬点又走了 距离，柱塞相对泵筒仍不动，泵筒也不距离，柱塞相对泵筒仍不动，泵筒也不排油。排油。静上P静下P油静下静上PPP油P杆杆油P管管（3 3）柱塞有效行程）柱塞有效行程 （ ） S-悬点冲程 缩短伸长；伸长缩短只有柱塞运动的距离才为有效行程只有柱塞运动的距离才为有效行程。（P9）SS 效管）杆 5. 5. 静力示功图静力示功图 （表示做功的图）（表示做功的图） 定义：定义：上、下冲程悬点载荷上、下冲程悬点载荷随位移随位移

14、（冲程）（冲程）变化规律变化规律。（第（第3 3次课）次课）上冲程载荷上冲程载荷： 下冲程载荷下冲程载荷：抽油杆在油中重量抽油杆在油中重量始终作用在悬点上始终作用在悬点上。 油杆静上PPP杆静下PP 表示静力传递过程表示静力传递过程 从下死点开始进行从下死点开始进行上冲程上冲程，静力由静力由 变到，变到， 杆静下PP静上P悬点增加的载荷悬点增加的载荷 ，是缓慢加到悬点上，是缓慢加到悬点上。 即即悬点走过了悬点走过了 （杆、管静变形（杆、管静变形），载荷才全部加到悬点），载荷才全部加到悬点上。上。油P【这里可认为悬点不动，载荷增加，由于变形，这里可认为悬点不动，载荷增加，由于变形， 向下延伸。向

15、下延伸。现在悬点在运动，相当于把变形部分的现在悬点在运动，相当于把变形部分的 ，很轻松的拉过去。，很轻松的拉过去。】油P 封闭平行四边形封闭平行四边形上冲程上冲程载荷、位移曲线，载荷、位移曲线，ABABBCBC；位移：位移：EB=EB= ，BC=BC= ；下冲程下冲程载荷、位移曲线，载荷、位移曲线，CDCDDADA；位移：位移：经过经过 后，完成卸后，完成卸载，完成载，完成 。 称理想示功图称理想示功图效S效S下冲程缓慢减载，经过下冲程缓慢减载，经过 全部减去全部减去（三）悬点动载荷大小及变化三）悬点动载荷大小及变化惯性载荷和振动载荷惯性载荷和振动载荷，高冲数必须考虑动载影响。，高冲数必须考虑

16、动载影响。 1.1. 惯性载荷惯性载荷分两部分分两部分： 和和 （由加速度造成）。（由加速度造成）。认为认为杆、油柱运动规律一致，随悬杆、油柱运动规律一致，随悬点 而变而变。悬点随曲柄转动而摆动，悬点为非匀速，有悬点随曲柄转动而摆动，悬点为非匀速，有 。 杆惯P油惯PAaAaAAagPPagPP油油惯杆杆惯（5） 油管过流扩大，油柱加速度油管过流扩大，油柱加速度下降系数。下降系数。杆管杆fFfF（三）悬点（三）悬点动动载荷大小及变化载荷大小及变化 惯性载荷和振动载荷。惯性载荷和振动载荷。 1. 1. 惯性载荷惯性载荷 分两部分分两部分： 和和 （由加速度造成由加速度造成）。）。 杆、油柱运动规

17、律一致，随悬点杆、油柱运动规律一致，随悬点 而变。而变。 悬点随曲柄转动而摆动，为非匀速悬点随曲柄转动而摆动，为非匀速，有有 。AaAa杆惯P油惯P（第3次课）上冲程载荷： 有效冲程： 下冲程载荷： 静力示功图平行四边形杆在油中重量始终作用在悬点上。 （二）悬点静载荷大小及变化规律油杆静上PPP杆静下PPSS 效 （5） 油管过流扩大，油柱加速度下油管过流扩大，油柱加速度下降系数。降系数。 （由图（由图16-17说明）说明） 为油管内径面积；为油管内径面积； 为油管断面积（壁厚断面）。为油管断面积（壁厚断面）。 AAagPPagPP油油惯杆杆惯杆管杆fFfF管F管f泵筒油管柱塞游阀前面出现2.

18、 2. 悬点加速度悬点加速度（求大小及变（求大小及变化）化） 曲柄半径； 连杆长； 后臂； 前臂 角速度； 曲柄转角；12点为0悬点A，绕支点O摆动，取决于B点运动（游梁尾部）。 lK1Kr连秆前臂前臂曲柄12点为0悬点（1）A点与点与B点关系：点关系： 位移：位移： ； （ ） 速度：速度： ； 加速度：加速度： BASKKS1KKSSBA1BAVKKV1BAaKKa1A点冲程B点冲程A点速度B点速度A点加速度B点加速度（2 2）假设）假设 B B点作直线简谐运动点作直线简谐运动 （只有游梁、连杆很长近似（只有游梁、连杆很长近似成立，实际是圆弧运动。）成立，实际是圆弧运动。） 运动规律成为运

19、动规律成为: : 曲柄曲柄连杆连杆滑块机构。滑块机构。（B B点相当滑块点相当滑块： 认认 为为 、 ，B B点弧度点弧度大近于直线）。大近于直线）。lr0Kr （3 3）B B点运动点运动 【关键是求关键是求 B点点 ， ， 】 冲程：冲程： 速度：速度： 加速度：加速度：BSBVBa)cos1 ( rSBsinrVBcos2raB（4 4）A A点运动点运动（悬点处）（悬点处） 悬点最大冲程：悬点最大冲程：【 为一冲程为一冲程】 )cos1 (1rKKSAsin1rKKVAcos21rKKaA1800（6）rKKS21max 将将 代入（代入（6） 得：得： 发生在发生在 ， 。 【恰好是

20、下、上死点处恰好是下、上死点处】 rSKK2max1)cos1 (2maxSSAsin2maxSVAmaxAa 01802max2maxSaA图1-19 加速度图cos2max2SaA （5） 分析分析 ： 【惯性载荷与惯性载荷与 大小、方向有关大小、方向有关】上冲程：上冲程： （悬点向上为正向运动）（悬点向上为正向运动）前半段：前半段： ， 为正为正 （与运动方向（与运动方向相同相同）后半段：后半段： ， 为负为负 （与运动方向（与运动方向相反相反）下冲程：下冲程： （悬点向下为反向运动）（悬点向下为反向运动）前半段：前半段： ， 为负为负 （与（与正向正向运动方向相反）运动方向相反）后半段

21、：后半段： ， 为正为正 （与（与正向正向运动方向相同）运动方向相同）AaAa900Aa18090Aa270180Aa360270Aa （6 6）实际）实际B B点，点，A A点运动规律点运动规律 （只给出计算思路（只给出计算思路） 实际实际 A A，B B点圆弧运动（非直线）。点圆弧运动（非直线）。 应精确求应精确求B B点，点，A A点运动规律。点运动规律。 方法一方法一 用机构动态仿真软件用机构动态仿真软件ADAMSADAMS。 思路：思路：实体建模实体建模定义传动副定义传动副给原动件加力给原动件加力分析机构各点的运动规律及受力。分析机构各点的运动规律及受力。 【有利于快速优化机构设计有

22、利于快速优化机构设计】 以往用分析法或图解法。以往用分析法或图解法。 解析法：解析法： 以原动杆为基础，建立位以原动杆为基础，建立位移矢量方程移矢量方程。【各杆长一定，找各角度间关系，各杆长一定，找各角度间关系，确定位移方程。确定位移方程。】 位移求导得速度、加速度。位移求导得速度、加速度。【机械设计书上有公机械设计书上有公 式，有计式，有计算机可得算机可得 数值解，很方便。数值解，很方便。】 矢量方程：矢量方程： 投影方程：投影方程： 【两式为运动分析基本方程，两式为运动分析基本方程，可以求出角速度可以求出角速度 和和角加速度角加速度 。】04321llll3344221133442211s

23、insinsinsincoscoscoscosllllllll 图解法：图解法： 按刚体平动。按刚体平动。任意一点均由任意一点均由牵连运动牵连运动和绕和绕B B点点相对相对转动转动组合。组合。 按比例找关系，按比例找关系，作位移、速度、加速度多边形作位移、速度、加速度多边形。 【动点相对于静参考系的运动称绝对运动。动点相对于动动点相对于静参考系的运动称绝对运动。动点相对于动参考系的运动称相对运动。动参考系相对静参考系的运动参考系的运动称相对运动。动参考系相对静参考系的运动为牵连运动。为牵连运动。】 【前人已用精确法算出前人已用精确法算出 ， ， 值值】 ASAVAa连杆为平动（7）结论）结论

24、实际实际 （悬点加速度）（悬点加速度）随随 变化与理想变化与理想 规律相近规律相近； ， （上冲程开始和下冲程终了附近）（上冲程开始和下冲程终了附近） 二者之比称二者之比称运动指标：运动指标： 研究证明研究证明（ 与与 ， 有关）有关）: （8） 实际抽油机中：实际抽油机中： 用处：用处：用理想式求出用理想式求出 乘乘 ， 得得 ，计算简单。，计算简单。 AaAa0360AAaa 1（理）（实）AAaaamamlrKr2)(11Krlrma53. 145. 1am后臂AaamAa 理想理想 对称（顺、逆旋转对称（顺、逆旋转均可），均可）， 非对称。非对称。 为减小上冲程开始加速为减小上冲程开始

25、加速 ，考虑转向考虑转向：“曲柄顺转曲柄顺转”Aa;AaAa【从 开始顺时转动增量角 下的加速度，与从 开始逆时增角 不同。故曲柄必按顺时转动（井口在左，曲柄在右，顺转，技术人员应考虑，有理论根据。顺时从 开始上冲程。）】036001) 1(2杆管杆杆油杆油杆惯油惯fFfFPPPPm3. 惯性载荷对悬点载荷的影响惯性载荷对悬点载荷的影响（1）上冲程（）上冲程（ 和和 均起作用）均起作用） （9） 此处此处 ：杆惯P油惯P油惯杆惯惯上PPP杆惯杆惯油惯）PPP 1 (AagPm杆）（ 1由（5）式：AAagPagPPP)/()/(杆油杆惯油惯杆管杆fFfF)FfLPPf L油杆油油杆杆（上冲程前

26、段：上冲程前段： （向上）（向上） ，总载：总载：上冲程后段：上冲程后段： （向下）（向下） ，总载：总载：（2）下冲程）下冲程 （柱塞不带油运动）（柱塞不带油运动） （10）下冲程前段：下冲程前段： （向下）（向下） ，总载：总载：下冲程后段：下冲程后段： （向上）（向上） ，总载：总载：（3）动力示功图（由静、动载合成，冲程与）动力示功图（由静、动载合成，冲程与 载荷关系图）载荷关系图）Aa惯上P惯上静上上PPPAa惯上P惯上静上上PPPAagPPP杆杆惯惯下Aa惯上P惯下静下下PPPAa惯上P惯下静下下PPP扭曲四边形扭曲四边形， ，静力为平行四边形。，静力为平行四边形。 是是 基础上增

27、加。基础上增加。DCBA惯P油杆PP 上冲程：上冲程：静变形段静变形段 悬点载荷：悬点载荷： 逐渐传到悬逐渐传到悬点上，静变形终了时，点上，静变形终了时， 最最大，之后开始有效行程，因大，之后开始有效行程，因惯性载荷减小，曲线下斜。惯性载荷减小，曲线下斜。 加速度变负，惯性向加速度变负，惯性向上上。 ， ， 正正向向 ， 增加增加; 0惯上静上上PPP惯P 90惯上静上上PPP900a惯上P上P ， ， 向向 ， 减小减小。 下冲程：下冲程： 前段，前段， , 向向 , 减小减小； 后段，后段， , 向向 , 增加增加 ；（参看图（参看图1- 1920） 18090a惯上P上Pa惯下P下Pa惯

28、下P下P4. 惯性载荷对有效冲程影响上死点 处。 负最大， ，减重杆缩短，柱塞附加冲程 （柱塞要向下走却缩回 ）。【以此时的减重为标准】下死点 或 。 正值最大， ，增重杆伸长，柱塞附加冲程 （悬点走完下冲程再拉长 ）。【以此时的增重为标准】 180Aa1e 00360Aa惯下P2e1e2e惯上P上死点：180 为负 向上杆减重缩短柱塞上缩Aa惯上P下死点：360 为正 向下杆增重伸长柱塞下伸Aa惯下P有效冲程 21eeSS效)(22221惯下惯上杆杆惯下杆惯上PPEfLEfLPEfLPee（11） （12） 上死点、下死点最大惯性载荷 （惯性载荷沿杆均布，取长中点 ，作为载荷作用杆中心 。2

29、L1e2e4. 惯性载荷对有效冲程影响5振动载荷杆柱细长，弹性体，突然加、减重，且运动会产生振动。（1） 悬点上行始杆、管柱在静变形内柱塞与泵筒无相对运动，杆柱无振动。静变形终了，杆、柱塞突然运动产生一次振动。（2） 悬点下行始静变形结束后，杆、柱塞突然卸载，又发生一次振动。（3）衰减振动（阻尼振动）（4）防止共振，合理选冲数悬点运动频率与杆、柱塞自动振动频率相同或整数倍，易共振。应合理选悬点冲数。（5）振动载荷示功图 （参见图1-20） DCBA2（四）悬点最大和最小载荷1. （从动力示功图上看）最大载荷发生在上冲程静变形结束后的瞬间。（B”点： ）2. 最小载荷发生在下冲程静变形结束后的瞬

30、间。（D”点： ） 是设计或选电机的依据。maxP 动振上惯上静上PPPPminP动静下PPminmaxP第4次课上冲程静变形终了瞬间点下冲程静变形终了瞬间点振P惯P 3. , 计算（1）API公式根据机、电模型，实测后给出公式（经验式） （13） （14） （ 无因次系数查曲线；S冲程； 弹性系数） N/m （ ）【按 计算杆弹性系数, 杆在油中重。】 杆截面（使用较多，与实测值较接近。）maxPminP杆杆SK1maxKPP杆杆SK2minKPP21,KK杆KLEfPK杆杆油杆杆油杆EfLP油P杆杆P杆f（2）前苏联公式理论形式： （15） （16）加修正： （17） 变形分配系数（ ）

31、杆径； D泵径；n冲次 。（理论经验式， 不分上、下，惯、振。）所有公式计算 较准确， 有偏差。动杆油PPPPmax动杆PPPmin100-S011. 0杆杆杆动PndDP杆管管fff杆d动PminPmaxP（五）摩擦力对悬点载荷的影响 ， 计算均未考虑 。 【 实验证明： 不随 而变， 随 而变， 与运动方向相反。 ：柱塞与泵间，杆箍与油管间； ：杆与油柱间、油柱与油管间。】 （18） （19） 增加了 （上行 ）； 减小了 （下行 ）（液摩擦力与粘度有关）maxPminP摩P摩干P摩液P摩P摩干P摩液P摩上振惯上静上上PPPPP)(摩下振惯下静下下PPPPP-)(摩PmaxP摩P摩Pmin

32、P摩PnS nS 抽汲速度四、冲程长度与冲数选择1. 冲程冲程长度对悬点载荷影响不大。【只是抽油机高度增加】曲柄扭矩随S正比增加。 2. 冲数n 冲次高，产生冲击载荷，会使 减小。 最高n限制条件：不使油杆发生共振。 许用冲次：maxmaxmax)6181(SPMminPmaxmax15307 . 0Sn经验式经验式五、曲柄扭矩计算1. 扭矩大小及变化曲柄销处受力： 切线力 ；连杆力 ；曲柄折合平衡力 ；曲柄平衡重离心力: TrMT连P曲QrgQ2 曲力矩平衡方程：曲柄销处 sinsinrPrQrT连曲切向力 曲柄平衡重 连杆力 sinsin曲连QPT00090sinsin90coscos)9

33、0-cos(sin（1） 求 （连杆力） 连P由游梁支点力矩方程求得。游梁摆动惯性力矩： 转动惯量（ ， 游平衡重半径）； 梁角加速度。( ， 前臂) a游l1KaAJ2游游lgQaJM游惯力矩方程： 121cossinKalgQlQKPPKA游游游游连(P方向永不变 游梁平衡重) 1K1K0sincos( -90 )aJM游惯（2）求出 可知 ， (复合平衡时力矩) =0，求 (曲柄平衡时力矩) =0，求 （游梁平衡时力矩） 平衡良好标准：电机上下冲做正功。连PT复M 游Q曲M曲Q游MTrMsinsin曲连QPT2最大扭矩计算式（1）前苏 (经验式) 由公式【（15）、（16）、（17）】计

34、算（2）API式 （3）简化式： )(2365. 0S300minmaxmaxPPMminmax,PP杆KKKSM32max212)(maxmaxSQPM效2minmaxPPQ效有效平衡重量无因次数，查曲线。动杆油PPPPmax动杆PPPmin为杆弹性常数100-S011. 0杆杆杆动PndDP冲程冲程六、平衡问题1. 基本原理（1）机械平衡：下冲程抬高平衡重，储存位能。 上冲程释放位能，“帮举” 。 【三种平衡：游梁，曲柄，复合三种平衡方式。】（2）气平衡： 下冲程压缩气体，上冲程放出能量。“帮举”（3）下冲程储能： （能为做功） 电机功，下落功（4）上冲程放能： （ 上冲程悬点载荷需要的功

35、）（5）原理要求： （使电机做恒功）（6）需要的储能： 0AAA悬下发下悬上发上AAA0悬上A发下发上AA20悬下悬上AAA储能)(00AAAA悬上悬下（7）按实际示功图计算 （ ）上冲程： 为OABCF面积（用测面仪：曲线下的面积为功）下冲程： 为OADCF面积由上两面积可求 ，要有坐标比例。（8）无实际示功图（用计算式），按静力示功图求 位移力功悬上A悬下A0ASPSPSPA)2(P20油杆油杆0A0A222(油杆油油杆）PSPPSPP20悬下悬上AAA2平衡重计算 游梁平衡重； 臂长 曲柄平衡重； 平衡半径 游梁部件重； 重心到支点 曲柄部件重； 重心回转距离 r曲柄半径（ ） 游QcK

36、游Q曲QR曲Q游q游 l游q曲q曲l曲q至连杆连接处 o距离（1）下冲程储能：游梁平衡重抬高：储能（功）：游件抬高： ， 储能： ；曲柄平衡重抬高：2R， 储能： ； 曲柄自重抬高： ， 储能： 。总储能： KKrKKrKKSKKccc2)2(111 KKrQc2游Klr游2K2游游lrq曲RQ2曲l 2曲曲ql 2曲曲游游曲游q 2Kq22Q2c0llrRQKKrA游梁平重储能 曲平重储能 游件平重储能 曲件平重储能 设 ； 将静力示功求 代入上两式可求：复合平衡 及R。二者单独平衡： （ =0）； （ =0）。 q游游游QKlC qRQl曲曲曲cC0rr2游曲游QQKKRRKKAQc0K2

37、RKrQQQQAR曲游游曲KKrPPSPPA102)2()2(油杆油杆游Q游Q曲Q曲Q游QR为曲柄平衡半径游件重相当于游平重大小 曲件相当于曲平重的平衡半径3. 机械平衡效果检查（1）平衡合理理论检查用（选择系数） 检查平衡的合理性。 选择系数； 曲柄角速度； 后臂长； 游平重臂 给出上、下限值，设计作计算参考。 grKKK2c选选KKCK选K平衡合理性选择系数表 选K选K杆长比值 =0.3 , =0.23 0.34 , 0.29下限值0.150.18上限值0.250.30lrlrKrKr（2）现场检查：直观看振动情况；上、下冲程时间近等；测上、下冲程电机电流（最大）近等。上大于下，平衡欠重；

38、上小于下，过重。不符合要求，调重和曲柄平衡半径。 第二节 链条抽油机 为了减轻游梁式抽油机重量、减小动载、加大冲程，设计了无游梁抽油机，有： 链条式：用轨迹链条带动抽油杆往复运动，抽油。 液压式：用油缸驱动抽油杆往复运动，抽油。 顶部电机驱动式（新）：用电机正反转，带动抽油杆往复运动，抽油。 直线电机驱动抽油机（最新）：往复运动的电机带动抽油杆往复运动，抽油。 （第5次课）导轮配重箱活塞外配重箱导向轮抽油杆图A 链式液压抽油机系统原理天车轮活塞杆.链式液压抽油机系统工作原理 .链式液压抽油机系统工作原理 活塞杆上端连接导轮，绕过导轮的链条一端固定在机架的上端，另一端过天车轮与抽油杆连接。 当活

39、塞向上，抽油泵下冲程，内、外配重抬高储能。 当活塞向下，抽油泵上冲程，配重帮助升举，抽油杆链条增程机构实现长冲程。 双重力平衡箱，一个通过导轮与活塞杆端部的导轮链条连接；另一个外重力平衡箱通过2个导轮用链条连接，安装在机架外侧。滚珠丝杠平衡箱滚珠螺母负荷皮带悬绳器机架底座皮带铰接头电动机皮带传动滚筒顶部护罩图B 螺旋传动电机换向抽油机结构简图.螺旋传动电机换向抽油机 .螺旋传动电机换向抽油机传动原理 螺旋传动电机换向抽油机的传动分为两部分： 一部分是，立式电机通过皮带传动，直接驱动螺旋丝杠转动。滚珠螺母与平衡箱固定在一起，螺旋丝杠转动时滚珠螺母会带动平衡箱沿螺旋丝杠做直线运动。将电机的旋转运动

40、转化为平衡箱的直线运动。 另一部分是，采用皮带滚筒形式，负荷皮带的一端与平衡箱铰接在一起，另一端绕过设在抽油机顶部的滚筒通过悬绳器挂接抽油光杆，使平衡箱的直线运动传递给抽油光杆。3光杆卡子及光杆；4机架；5柔性联接系统；6上部传感器；7天轮系统；8电机次级上部固定与调节装置；9电机次级；10上部减震器及刹车系统；11电机初级及配重；12下部减震器图C 直线电机抽油机结构示意.直线电机抽油机 电机的初级是抽油机的动力也是抽油机配重箱的组成部分。 电机的初级通过钢绳绕过天车轮与光杆相连，磁力作用下，往复运动。初级=定子；次级=转子 由江汉石油机械厂与中国石油大学（华东）机电工程学院研制的“直线电机

41、抽油机。 直线电机的原理并不复杂。设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机。 在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。 初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。 实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动。 相当于旋转电机的定子相当于旋转电机的转子可以是初级短次级长；也可是初级长次级短。1.直线电动机的结构 2.直线电动机原理 直线电动机是由旋转电动机演变而来的

42、。 当初级的多相绕组通入多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度按通电的相序顺序作直线移动，该磁场称为行波磁场。 在行波磁场切割下，次级导条将产生感应电势和电流，所有导条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力F。 结果初级是固定不动的，那么，次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。2.直线电动机原理 磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。 磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引。 直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上。 初级通以交流，列车就沿导轨前进。列车上装有磁体，磁体随列车运动时，使设在

43、地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来。悬浮列车运行平稳，无颠簸，噪声小，所需牵引力很小。 悬浮列车减速时，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降。悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车。 1.传动部分：（电机、带、轮、减速箱）2.换向部分：（主、被动链轮、往返架、轨迹链条）3.平衡部分：（平衡缸、平衡链轮、链条、压缩机）4.悬吊部分：（天车、钢绳或宽带、悬绳器） 5.机架 一、链条抽油机结构组成 （五大部分）传动部分换向部分平衡部分悬吊部分 二、主要特

44、点 1. 采用轨迹链条换向机构 有：特殊链节、滑块特殊链节：装有主销轴和滑块 滑块：既带往返架上下运动，又可在往返架中水平运动。 2. 长冲程、惯性载荷小（匀速、加速度小）特殊链节滑块 三、工作过程 电机皮带减速器，驱动链轮旋转轨迹链，通过特殊链节、主销轴、滑块，带动往返架作匀速直线运动。 特殊链节自链轮左边下行往返架下行达极限位置特殊链节作复合运动，绕过链轮达链轮右边（完成滑块在往返架中的水平运动）上行达上极限特殊链节又绕过链轮达左边。 往返架的横梁，连接着绕过天车的钢绳（或宽带），通过悬绳器（卡子）与光杆带动抽油泵抽油。四、链抽悬点运动分析悬点运动规律与往返架运动规律完全相同。研究悬点运动

45、规律归结于往返架上、下运动规律。轨迹垂线AOOD，由三段垂线组成。链轮以等 旋转，往返架从上死点A下死点D。架下冲程悬点上冲程。链 1.AO段： 长 速度（正弦） 加速度（余弦） 简谐运动 2. OO 段 长两链轮中心距， 匀速直线运动。 3. OD段 长 简谐运动链R链R（架上冲程，悬点下冲程）五、链抽悬点载荷分析最大载荷 发生在上冲程静变形结束后的瞬间；最小载荷 发生在下冲程静变形结束后的瞬间。 （1） （2）【上：杆伸长、管缩短，油重对杆加重、对管卸载； 下：杆缩短、管伸长,油重对杆减重、对管加载】 maxP动上静上PPPmax动下静上PPPminminP 1. 静载：游梁抽油机中已分析

46、 ； 油杆压油杆静上PPPPPP杆静下PP杆在油中重 2. 动载：两部分 二者方向相反； （柱塞开始）运动速度。 动载两种情况： 和 ； 杆管静变形；【悬点走过 的行程，柱塞与泵筒才开始有相对运动，静载才全部加到悬点上，动载才开始发生。】振惯，PPaP惯链R振P链R管杆图1 链条抽油机静变形发生在不同处的意义 图1 链条抽油机静变形发生在不同处的意义 （1） 产生在AO段（悬点上冲程开始的简谐段。架下行） 产生在DO段（悬点下冲程开始的简谐段。架上行） 发生在简谐段，架的运动有： 链RmaxPminPcossin)cos12链链链链链（RaRVRS【悬点的运动规律与往返架的运动规律相同，（3）

47、式为架AO段运动方程。】 （3） 悬点架架的运动受滑块控制假如，当 ，某角 时，位移【前提 ，静变形结束时未超出简谐段。在 时，架（悬点）位移等于杆和管静变形之和】此时有： 901S链R11211cossin)cos1链链链链链（RaRVR由（4）式 ， ，（静变形终了时的速度、加速度）用 表示 Va）（链链链链1122RaRV（4） （5） （5）的由来：【 链R1cos11cossin1212122cos1sin22121链链链链RRRR】下冲程静变形结束时，悬点 ， ， 公式（4），（5）适用。 SVa上冲程：瞬时动载（静变形结束后瞬间悬点载荷） ：威尔诺夫斯，精确解。 振上惯上动上PP

48、P VfCEagP）（）（杆杆杆3 . 0121惯上P静变形终了时的速度 m（6） （4）式第一式)cos11（链R振上P下冲程：瞬时动载（静变形结束后瞬间悬点载荷） 振下惯下动下PPP VfCEagP杆杆杆）（21惯下P式中， 杆、管变形分配系数， 加速度传播速度（5100m/s） 流量过流断面扩大影响系数， 管杆ff11杆C杆管杆fFfF, 速度、加速度（静变形终了瞬间） Va（6） 振下P振下P与 有别振上P 杆在空气中重（ ， 杆箍重影响）将 、 、 、 、 、 及（5）代入(6)得到（7）式： 杆PLkfP杆杆杆杆05. 1杆k杆杆kgE杆C链链链）（nn105. 030三个系数：

49、，有表达式：【 ； 】 下上，VVakkk杆）（fka216 .92）（杆上3 . 01102 .435fkV）杆下fkV5102 .43（7） 121(121(链下链链链动下链上链链链动上）RkRLnknPRkRLnknPVaVa 可（根据 ）计算或查表。得到 ，即可求 （ ）。 下上，VVakkk管杆泵，FfF动下动上PP,minmax,PP链R（2）悬点动载全部为 组成（a=0）。（浅井自然 ）动载公式简化为：【（7）中 , 】 链R振P链R01链R112链R链链下振下动下链链上振上动上nRkPPnRkPPVV（8） 121(121(链下链链链动下链上链链链动上）RkRLnknPRkRL

50、nknPVaVa（7）（3）设计原则：为满足扩大使用范围，下泵越深， 也增加。为使链抽结构紧凑（ 小），采用 。必须了解 下，动载大小及计算原则。 链R链R链R链R 均发生在匀速段。等速段：OO，OO往返架即悬点的速度等于轨迹链轮切向速度。 minmax,PP链链链链链nRRVV105. 0加速度： 0a）（105. 030将 ， 代入（6），得动载计算式如（8）式： Va链链下杆杆振下动下链链上杆杆振上动上）（nRkVfCEPPnRkVfCEPPVV3 . 01（9） 结论：当 ，只有 ，无惯性载荷； 动载计算同 ； 正比于 ； 静变形 一定，只要满足 为定值，选 大和 小或 小和 大，均使

51、动载为定值。链R振P链R链R动P链链链或nRV链R链n链R链n链链nR第三节 液压抽油机 油缸杆与游梁后力臂端部之间有轴承连接与特殊驴头连接两种方式。 使用铰支摆动油缸，无平衡机构。 游梁式液压抽油机第三节 液压抽油机一种无游梁抽油机。一、 特点1. 驱动：液缸活塞，带动抽油泵往复运动，抽油。驱动过程：电机液压泵液缸抽油杆抽油泵。2. 平衡：气动、机械平衡（常用气平衡）3.优点：无级调节冲程、冲次、动载小，控制灵活。液压缸抽油泵抽油杆二、方案及原理1单循环方案（1）结构：泵、阀、缸、活塞杆连光杆，闭式系统。（2）工作原理换向阀左位：上冲程。 泵油进缸下腔，抽油杆上行；空气包释放能量，包内油压向

52、泵入口，增加压力能。换向阀右位：下冲程。 缸下腔油进泵入口，泵油进空气包，储能。（3）作用效果上冲程：空气包使泵有灌注压力，泵出口增压，达到举升压力，空气包起帮举作用。下行程：油泵使空气包储能。油缸油进泵入口，起到背压作用，泵不吸油无法下行。防止活塞，快速下落。（4）优点：结构简单（5）缺点：闭式系统，泵入口压力较高，排出压力受强度限制不可能过高。要满足工作要求，只有加大缸径，使元件参数较大。 2. 双循环方案：（开式系统） （1）结构特点 驱动与平衡系统分开。 油缸：下为工作、驱动缸，上为平衡缸。 （2）工作过程 换向阀处左位：上冲程。工作缸下腔充油，上腔回油，抽油杆上行；同时，平衡缸下腔容

53、积增大，空气包放能帮举。 换向阀右位：下冲程。工作缸上腔充油，下腔回油，活塞下行；平衡缸下腔容积减小，空气包储能（起平衡作用，阻止下行。）。（3）优点：泵和空气包一同升举。缸径可小，元件流量减小。（4）缺点：两缸串联尺寸高。 活塞活塞3. 三循环方案（相当于三个缸） 克服上两种不足。（单：缸径大；双：高）（1）结构特点：两缸：驱动缸（上）+平衡缸（下）。工作缸（独立）。（2）工作过程：阀左位：下冲程驱动缸上腔进油，驱动、平衡活塞下行，空气包储能。工作缸活塞自重下，下行。阀右位：上冲程驱动缸下腔进油，活塞上行，抽油杆上行，空气包帮助举升。（3）优点：高度较双循环低。（4）缺点：结构复杂。活塞活塞

54、三、典型双循环液压抽油机液压气动系统：液压驱动，气动平衡。1主要结构工作缸和动力缸，为一个缸；平衡气缸（在工作缸外）。属于双循系统。 （1）液控系统动力元件：泵（1）执行元件：油缸（5）控制元件：主阀：液动（2）先导阀：二位四通阀（3）单向节流阀（4）辅件：油箱、滤器、表。 （2） 气系统压风机（9） ；气缸平衡缸（10）；空心活塞平衡缸活塞（11）；气缸活塞45压力开关（12）（电接触压力表）压力开关：指针与电源相接，两个触点（37）、（38），分别与二位四通电磁阀线圈相接。【低气压时，开始下冲程。高气压时, 开始上冲程。】 低压触点高压触点 （3）滑轮装置 滑轮2个（让开距离），托架、钢带

55、。托架与主油缸活塞杆及平衡缸的空心活塞杆相连。钢带：一端连与光杆，另一端与平衡缸顶部耳架相连。滑轮作用：减小主油缸高度。冲程长是主缸活塞行程的2倍。光杆速度2倍活塞速度（托架升高h ，悬点走升高2h。） （4）起落装置金属构架（18），起落缸（19），支架（20）。 起落缸使装置整体起放（油缸杆缩拉起，伸放下），下端铰接。 2动作原理 阀3（先导阀）左位泵1管线39主阀孔40阀孔41主缸5下腔主活塞上行。 管线47单向节流阀4主阀芯右盲孔主阀芯左行（使40与41通）。【主阀芯可在短管（小柱塞中空）33上滑动】托架16和滑轮14上行，钢带17带抽油杆上行。上行时，主缸上腔油阀孔42,室，孔43，

56、管线44，滤器8油箱。45阀3右位泵线39孔40孔42主缸上腔抽油杆下行。 线47左单向节流阀主阀芯左孔主阀芯右行。此时，主缸下腔油孔41室孔45线46滤器油箱。 主活塞和空心活塞上行，气缸帮助推举；下行，气缸储能。阀3：由压力开关控制，行程达上死点（气低压）、下死点（气高压），压力变到特定值，指针36摆动与触点37或38接触 ，使阀3处左或右位。3435注：单向节流阀：进油单通，回油节流。（减小阀芯冲击）主阀芯，三台肩，两盲孔，主阀芯可在左、右有通孔的小柱塞上滑动。“巧妙构思” 四、液压抽油机工作理论以前苏 (a:geen) 液压抽油机为例。（一） 液压抽油机构造双油缸叠加布置。1下缸抽油杆

57、油缸活塞杆与抽油杆相连。作用：活塞带抽油杆和柱塞运动，抽油。2上缸油管油缸连接：活塞杆与连接支架和油管柱连。作用：活塞带油管柱和泵筒上、下运动，油管重作为平衡重。 下冲上冲3工作特点上、下两缸配合运动，使柱塞相对泵筒运动。冲程长度=杆柱和管柱位移总和组成系统：两动力缸、动力泵、电机、控制装置。控制系统：用于活塞换向时，加、减速、制动和停止。两缸下腔室连通：一缸下行，另一缸必上行。反之相反。 下冲上冲（二）工作过程 (双油缸叠加液压抽油机)1油杆缸上腔进油杆缸活塞下行，即下冲程。杆缸下腔油进管缸下腔，管缸活塞上行，管柱和泵筒上冲程。柱塞下冲程，泵筒上冲程，抽油泵（泵筒）排油（游阀开）。2油管缸上

58、腔进油管缸活塞下行，油管和泵筒，下冲程。管缸下腔油进杆缸下腔，杆缸活塞上行，杆柱和泵柱塞上冲程。柱塞上冲程，泵筒下冲程，抽油泵（泵筒）吸油(定阀开，地面出油。)。 下冲上冲3. 柱塞下冲程：4. 柱塞上冲程：对（对着）柱塞与泵筒运动方向相下缸上缸两缸活塞泵筒柱塞背柱塞与泵筒运动方向相下缸上缸两缸活塞泵筒柱塞注：抽油泵排油，进柱塞上腔，待上行带出地面； 抽油泵吸油，柱塞上行，地面排油，套管内原油进泵筒。 上冲下冲（三）平衡原理及计算 用油管柱和油柱重作平衡重。（柱塞下行，要克服管柱和油柱上行阻力，起平衡作用。） 泵柱塞上方的油柱重是由杆柱和管柱交替承受。柱塞上行：油柱重，由杆承受。柱塞下行：油柱

59、重，由管承受，恰好使杆柱下落增加阻力。（上缸带管柱、油柱上行） 上冲下冲1平衡原理分析（与双臂杠杆相似） （1）杠杆平衡：靠调力臂比，达平衡。（2）液缸平衡：靠调活塞面积比，达平衡。（3）以杠杆原理,分析液压缸变平衡重平衡原理。长臂：点与杆柱和泵柱塞相连。短臂：点与油管柱和泵筒相连。 （力臂比） ，称平衡参数。两端力一定调节 ，可使系统达平衡。力变了，就要重新调节 ，确定平衡参数。 ab/ab/ab/上冲程下冲程力矩平衡方程外力: 和 ，方向相反。 （1） 上P下P0( 0 ）下冲程：）（）（上冲程：动力矩下油管动力矩杆右边动力矩上管左边阻力矩油杆bPbPPaPbPPaPP上冲程下冲程系统平衡

60、条件用上、下冲程，杠杆外力做功相等作为系统平衡条件。 （2） （让发动机做功相等）外力: 和 ，做功相等：）（）（下下上上PAPA上P下PbPbP下上上冲程下冲程平衡参数 （3）【注： 】（3）式表明，一定的杠杆比值K, 能使抽油杆上、下冲程时发动机做功相等。【（3）式是做功相等下导出的 】 油管油杆PPPPabK22bPaPPbP管油杆上）（|aPbPPbP杆油管下）（|aPP）（油杆2bPP）（油管2ab【上、下冲程系统平衡所得】2液缸平衡计算（1）抽油杆上冲程：杆，管 换向阀处右位，管缸（上缸）上腔进液。管缸活塞上作用力：上腔液压力：油管自重：下腔液压力：（油重由杆承担，游阀关，定阀开）