新型抽油机发展现状及其评价课件

新型抽油机发展现状

及其评价

主讲李树臻新型抽油机发展现状

及其评价主讲1第一节概述抽油机-抽油杆-抽油泵(简称三抽设备)是机械采油的重要设备.据统计,我国的机械采油设备采油井占总井数的900/0,其中三抽设备占油井总数的800/0

所采产量占总产量的750/0。美国的机械采油设备采油井占总井数的950/0，其中三抽设备占油井总数的850/0，所采产量占总产量的700/0。第一节概述抽油机-抽油杆-抽油泵(简称三抽设备)是机械采2抽油机研究现状国内外对抽油机的研究从未间断。新的传动原理、设计方案和新的机型不断出现。国外，以美国为代表的石油设备生产国，抽油机生产制造研究逐步向几个大公司靠拢.。研究主流主要向技术统一化、生产模块化、产品系列化和标准化方向发展。新型抽油机出现较少。我国，抽油机生产厂家众多，生产能力严重过剩。促使抽油机生产企业为提高技术含量、开发新产品而增加投入。使抽油机的研究力量不断增强，抽油机的研究成果不断涌现。

抽油机研究现状国内外对抽油机的研究从未间断。新的传动原理、设3主要研究方向是：1．

提高冲程，降低冲次；2．

节能抽油机；3．

自动化和智能化控制。主要研究方向是：1．

提高冲程，降低冲次；4第二节游梁式抽油机节能原理与技术改造

一、梁式抽油机的工作特征

二、抽油机的节能途径分析

三、梁式抽油机的节能改造第二节游梁式抽油机节能原理与技术改造一、梁式抽油机的工作特5一、游梁式抽油机的工作特征1、结构特点由四连杆机构实现运动的转换，将电机的旋转运动转换为光杆的上下往复直线运动。如图3所示。图3游梁式抽油机结构简图一、游梁式抽油机的工作特征1、结构特点图3游梁式抽油机结构62、运动特征悬点的运动为周期性的变速运动。在一个抽油循环中，加速度接近余玄规律变化。如图4所示图4悬点加速度曲线2、运动特征图4悬点加速度曲线73、负荷特征游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表示，如图5、6所示。图5静力示功图图6动力示功图3、负荷特征游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表84、游梁式抽油机曲柄扭矩的变化规律（1）作用在曲柄上的负荷扭矩MpMp＝（P悬－B＋）＝TF（P悬－B＋）（20）

式中TF－扭矩因数，为只与抽油机几何尺寸和曲柄转角φ有关的正弦函数。扭矩因数曲线为一条正弦曲线，但与标准正弦曲线的平衡扭矩曲线超前一个相位角。4、游梁式抽油机曲柄扭矩的变化规律（1）作用在曲柄上的负荷扭9P悬－悬点载荷，其变化规律如图示功图所示。B－结构不平衡重。是指当摘开曲柄连杆销后，为使游梁处于水平，需要在悬点上所施加的力。重力方向为正。Jb－为游梁、横梁、连杆组件的转动惯量。εb－游梁的转动角加速度。可见抽油机曲柄的负荷扭矩变化规律基本上为一条上冲程振幅大、下冲程振幅小的正弦波。但其上冲程的扭矩峰值较标准正弦波超前，而下冲程的负峰值则滞后。这主要是由于抽油机的悬点负荷特点造成的。

P悬－悬点载荷，其变化规律如图示功图所示。10（2）曲柄的平衡扭矩M平M平＝Q曲R曲sinφ-Jpε＝Mmaxsinφ-Jpε式中Q曲、R曲－分别为曲柄平衡重和曲柄平衡半径。

Jp－曲柄组件的转动惯量。

ε－曲柄的转动角加速度。Mmax－最大曲柄平衡力矩。Mmax＝Q曲R曲。曲柄的平衡扭矩曲线几乎为一条标准的正弦曲线。（2）曲柄的平衡扭矩M平M平＝Q曲R曲sinφ-Jpε＝Mm11（3）曲柄净扭矩MM＝Mp－M平

1．净扭矩2、负荷扭矩3、平衡扭矩图7扭矩曲线曲柄净扭矩M的特点：a、在整个工作循环中，始终是变化的。且脉动值很大。b、在整个工作循环中出现两次负扭矩。两个最大扭矩峰值分别出现在上、下冲程静变形结束后的一瞬间（3）曲柄净扭矩MM＝Mp－M平1．净扭矩2、负荷扭12实例例：某井抽油机机型为CYJ-10-3-48B，P悬max=4375kg，P悬min=l483kg，P悬均=2744kg，冲次n=8，冲程S=3m。最大正扭矩26980.44N·m，最大负扭矩4697.62N·m，平均扭矩7951.44N·m，平均功率8.59kW，最大加速度1.55m／s2。实例例：某井抽油机机型为CYJ-10-3-48B，P悬max13计算结果表明a、抽油机扭矩的脉动幅值很大，本例为平均值的3．39倍。脉动大的结果是载荷峰值大而平均载荷低，现场测试抽油机适配电动机的负荷率在20％左右。但为了满足最大负荷的要求，不得不配用大功率电机，即所谓“大马”拉“小车”。在这样的负荷率下，效率再高的电动机的实际效率也只有80％左右。

图8电机负载率与电机效率的关系曲线计算结果表明a、抽油机扭矩的脉动幅值很大，本例为平均值的3．14b、扭矩脉动大同时使电流脉动大，电流均方根值大，额外增加了电流流经导体的有功损失。也使电机效率降低。c、脉动大的另一后果是使抽油机机体尺寸加大，振动加大，寿命降低。d、值得注意的是抽油机存在负扭矩，一个周期中一般出现两次，如图7所示。负扭矩的出现使电动机进入发电状态运行，向电网充电。研究结果表明，这种向电网反充电的工况不但使电能利用率降低，而且由于充电相位不可能与电网相位完全同步，而使充电电能不可能完全转变成为有用电能。b、扭矩脉动大同时使电流脉动大，电流均方根值大，额外增加了电15二、抽油机的节能途径分析

1、节能目标节能的目标是提高效率，降低能耗。提高抽油机井系统效率的首要问题之一是提高地面部分的的效率ηs，也就是提高整个抽油机系统的效率。二、抽油机的节能途径分析

1、节能目标162、节能途径（1）提高从悬点到电机各部件的传动效率。这方面主要由抽油机的设计、制造、安装、调试、维护、保养等各个技术环节最优化操作完成，这里不作赘述。（2）提高电机的实际工作效率η1。这是最引起人们重视的关键节能技术环节。由前面的论述可以得出结论：提高电机的实际工作效率η1的方法有：a、

改造电机的结构，使之具有适应脉动负荷的输出特性；设计适应抽油机工作特点的新型节能电机。b、

改善电机的扭矩负荷，使之尽可能的平稳，使电机处于高效区内工作。c、

以上两种方法同时进行。2、节能途径（1）提高从悬点到电机各部件的传动效率。这方面主173、使抽油机曲柄净扭矩的变化平稳的技术途径分析由图7和公式（20）、（21）、（22）可以得出如下几条技术途径：（1）使曲柄负荷扭矩Mp曲线尽可能的接近曲柄平衡扭矩M平曲线的变化规律，使净扭矩M=Mp-M平在每个瞬时趋向均匀。具体方法有：1)优化运动转化机构的结构和各杆件几何尺寸，使TF·P悬的变化规律尽量接近正弦变化规律。如六杆抽油机、摆杆式抽油机、双游梁式抽油机等。2)优化运动转化机构的结构和各杆件几何尺寸，使悬点上冲程前半段（悬点静载荷最大时）的加速度减小，从而减小该时刻的惯性载荷，达到平稳载荷的目的。如非对称循环的“慢提快放”的异相机、前置机等。3、使抽油机曲柄净扭矩的变化平稳的技术途径分析由图7和公式（18（2）使平衡扭矩M平变化规律接近于负荷扭矩MP的变化规律具体方法有：1）

改变平衡扭矩的相位角。如异相机、前置机等。让曲柄平衡重偏置，使平衡相位提前一个相位角，以便使平衡扭矩峰值与负荷扭矩峰值同时产生，达到最好的平衡效果。2）

采用变力矩的游梁平衡，拟合负荷扭矩MP的变化规律，在负荷扭矩最大时产生最大平衡力矩。如油量偏置负荷平衡抽油机、气动平衡抽油机等。（2）使平衡扭矩M平变化规律接近于负荷扭矩MP的变化规律具体19（3）利用高转差率电机配合较大的旋转惯性件削减负荷的脉动幅。高转差率电机的特点是载荷增大时，转差率增大，电机的实际输出转速不得不降低；而较大的旋转惯性力总是抵制这种变化，帮助电机克服这种增大的载荷。使电机的实际载荷趋向平缓。与普通电动机相比，在同样油井工况下，使用超高转差率电动机的电流和功率曲线平均值明显减小，曲线波动明显平坦。但由于超高转差率电动机的工作效率比普通电动机低，使抽油机系统效率的提高和节能效果有限，许多工况下不节能，只在配有较大的旋转惯性件或轻负荷工况下才有一定的节能效果。另外超高转差率电动机价格较高也是其不能推广应用的一个重要因素。（3）利用高转差率电机配合较大的旋转惯性件削减负荷的脉动幅。20第三节节能改造的游梁式抽油机

（一）异相曲柄平衡式抽油机

图14第三节节能改造的游梁式抽油机（一）异相曲柄平衡式抽油机211、通过杆件设计优化实现“慢提快放”，2、通过改变抽油机杆件的配比，使运动规律发生变化，以减少载荷扭矩曲线的上下峰值差。1、通过杆件设计优化实现“慢提快放”，22异相机是20世纪80年代发展起来的，采用非对称循环机构，使游梁在上下死点时，连杆两个位置之间存在约120的相位夹角。曲柄上冲程的转角增加120，为1920；曲柄下冲程的转角减少120，为1680。这种机构具有“急回特性”：一是上冲程的曲柄转角大于下冲程的曲柄转角，上冲程时间长，速度慢，加速度就小，从而使上冲程中载荷扭矩曲线的上峰值减小；同时也相应地缩短了下冲程的运行时间，增大下冲程后半段的加速度变化幅度，从而使扭矩曲线的上峰值增大；二是改变了载荷扭矩曲线的形状，使其波形尽量向正弦波靠近。异相机是20世纪80年代发展起来的，采用非对称循环机构，使游23（二）偏轮游梁抽油机图15偏轮游梁抽油机结构示意图l－悬绳器总成；2－吊绳总成；3－驴头总成；4－游梁总成；5－支座总成；6－操纵杆总成；7－横梁总成；8－偏轮总成；9－连杆总成；l0－曲柄销总成；l1－减速箱总成；12－刹车总成；13－电动机总成；14－底座总成；15－曲柄总成；16－支架总成偏轮游梁式抽油机(以下简称偏轮机)是为了满足油田和用户的需要，由华北石油管理局第二机械厂研制出的一种新型节能专利产品，该机是在异相游梁式抽油机(以下简称异相机)的基础上发展的一种六连杆机构。偏轮机杆件均为刚性连接，保留了常规机的特点，节能15％～30％。现以CYJPl2－4.8-37HB型偏轮机为例，对其自身特点进行分析。（二）偏轮游梁抽油机图15偏轮游梁抽油机结构示意图偏轮24与常规机相比，偏轮机结构有3点不同①在游梁尾部装有一个偏轮；②在偏轮与游梁中心支架之间增设推杆；③在游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。(2)偏轮机运动特性分析。与常规机相比，偏轮机结构有3点不同①在游梁尾部装有一个偏轮；25偏轮机利用了变矩节能原理当曲柄旋转时，依次带动连杆、横梁、偏轮和游梁运动。偏轮相对游梁摆动，摆动规律由推杆确定。正是由于偏轮摆动的作用，使游梁后臂的有效长度和游梁摆动的角速度均随着曲柄转角的变化而变化，游梁后臂的变化规律与悬点载荷的变化规律基本一致，接近正弦规律且与曲柄平衡扭矩相对应，从而使曲柄轴净扭矩波动较小。偏轮机利用了变矩节能原理当曲柄旋转时，依次带动连杆、横梁、偏26扭矩因数与扭矩曲线偏轮机从修正悬点运动速度人手，使扭矩因数曲线接近正弦曲线，并且该曲线与曲柄平衡产生的正弦曲线谷峰值较好地吻合，因此经叠加后的曲柄轴净扭矩消除了负扭矩，曲线变得非常平缓，上下冲程中各有一段近似直线，并且占据了整个循环周期的大部分范围，因此决定了周期负载系数低，曲柄轴净扭矩均方根值小

图16扭矩因数与扭矩曲线扭矩因数与扭矩曲线偏轮机从修正悬点运动速度人手，使扭矩因数曲27（三）游梁偏置复合平衡图18游梁偏置复合平衡简图不改变常规机的结构，在游梁尾部增加固定偏置平衡装置，其重心相对游梁下偏一个角度ε，叫做游梁平衡重偏置角，在运行中，游梁偏置平衡重心的运行轨迹是一段圆弧，当平衡重偏置角ε合适时，悬点载荷最大时，平衡重心处于游梁回转中心的水平线上时，其重力矩最大；当悬点在上死点时，重心靠近游梁回转中心的垂直线，其平衡重力矩最小。利用这一变矩原理与曲柄平衡复合作用，可有效削减悬点载荷峰值扭矩，改善曲柄平衡游梁抽油机的曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动平缓，且能消除负扭矩，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率。（三）游梁偏置复合平衡图18游梁偏置复合平衡简图不改28图19曲游梁抽油机随着ε大小的变化，游梁偏置复合平衡扭矩M平随曲柄转角θ变化的趋势不同。为了与各种不同杆件长度组合的四连杆游梁机的结构相适应，只需改变ε的大小，ε可以根据不同规格型号的游梁机通过复合平衡优化计算来确定。把游梁机改造成游梁偏置复合平衡游梁抽油机实现节能，具有结构简单，制造容易，仅增加一个无运动件的刚性平衡装置，本身无需维护保养，调平衡方便，完全继承了游梁机的全部优点。与曲柄平衡游梁机相比，节电率在15％以上。图19曲游梁抽油机随着ε大小的变化，游梁偏置复合平衡扭矩M平29优点：曲柄、连杆等构件受力减小，可靠性相对提高，程冲相对加大。上冲程终了时,游梁平衡块处于比较低的位置，并且单块重量轻,便于平衡调整。曲柄平衡块的重量减轻,便于现场调整。保留了常规机的优点,是一种比较理想的节能型抽油机。优点：曲柄、连杆等构件受力减小，可靠性相对提高，程冲相对加大30（四）悬重偏置游梁复合平衡图20悬重偏置游梁复合平衡1一曲柄；2一连杆；3一驴头；4一游梁；5一后驴头；6一偏置平衡重；7一悬挂平衡重其结构特点是：(1)易调悬挂平衡重采用重块下调和轻块上调的悬挂平衡方式，由1个基本块、3个重量不等的配重块和25个调整块组成整体，用钢丝绳悬挂于后驴头，配重块用3个螺栓依次固定在基本块下端，同时配有托架以便于现场调节。(2)偏置平衡重为杠铃式结构，主要由心轴、平衡块、锁紧螺栓等组成，平衡块做成薄片状，易于调节。随着游梁的上下摆动，偏置平衡重的力臂可在2m左右的范围内变动。（四）悬重偏置游梁复合平衡图20悬重偏置游梁复合平衡1一31（五）游梁机加装摆杆是吉林大安石油机械厂在1998年研制成功的新型游梁式抽油机.目前,在东北各油田已有200多台的用量,受到油田的欢迎和制造厂的重视.（五）游梁机加装摆杆是吉林大安石油机械厂在1998年研制成功321．结构特点在常规机的曲柄与连杆之间增加一对槽形摆杆称为摆杆式游梁抽油机(以下简称摆杆机)，是一种新型节能抽油机，其特点是将曲柄摇杆机构，与常规机的四连杆机构巧妙地结合在一起。在曲柄外侧增加2个摆杆，摆杆中部有空心槽，内嵌有上、下轨道。曲柄销内侧同常规机一样与曲柄联接，外侧改为安装1个滚轮。当曲柄旋转时，滚轮在轨道上往复运动。促使摆杆上下摆动，带动连杆运动，实现驴头上下冲程。摆杆上部开有3组销轴孔，改变连杆下部夹板与销轴孔的联接位置，实现3种冲程。抽油机前支架上增加l根方形支架轴，两端有可伸缩的轴承盒，它是摆杆摆动的铰接点，如图22所示图22摆杆式抽油机结构示意图l一驴头；2一游梁；3一连杆；4一摆杆平衡重；5一曲柄平衡重；6一滚轮；7--曲柄；8一摆杆1．结构特点在常规机的曲柄与连杆之间增加一对槽形摆杆称为摆杆332．性能特点从机构上看是滑块机构与四连杆机构的组合。整机采用复合平衡方式，由摆杆平衡重和曲柄平衡重组成。它既改变了抽油机的运动和动力特性，又改变了平衡方式，其特点如下：(1)具有较大的极位角。采用了槽形摆杆的急回机构，有较大的极位角，12型摆杆机极位角达到28.30，具有“慢提快放”的节能效果。(2)合理的传动角。摆杆机的下传动角(连杆与摆杆的夹角)，不像常规游梁机变化那样大，12型摆杆机为600～93.440，减少了摆杆的受力，降低了减速器的输出轴扭矩。2．性能特点从机构上看是滑块机构与四连杆机构的组合。整机采用34(3)变化力臂具有变矩节能效果。随着曲柄的转动，滚轮在摆杆中间的轨道上滚动，使得曲柄对摆杆的作用力的力臂随时变化，在上冲程悬点载荷较大时，力臂较长；在下冲程悬点载荷较小时，力臂较短。(4)较多的能量积蓄。在下冲程时，摆杆上的连杆铰点比滚轮到支承轴中心的力臂长，提起的平衡重积蓄能量多，在上冲程时这部分能量释放出来，电动机消耗的功相对就少。(3)变化力臂具有变矩节能效果。随着曲柄的转动，滚轮在摆杆中35(5)独特的平衡机理摆杆机的复合平衡与众不同。第一层平衡是常规机等都有的曲柄平衡，主要是摆杆和滚轮的设计，使曲柄的平衡力矩对连杆而言，在每一个上下冲程循环过程中，虽然平衡锤质量不变，但在摆杆上的平衡半径是变数，其半径大小之差最大值等于2倍曲柄半径。这样上冲程做正功的平衡力矩就大于下冲程做负功的平衡力矩，这是节能原因之一。第二层平衡是在摆杆尾部设计有配重，它所产生的平衡效果相当于游梁平衡，但又优于后者。因为摆杆的摆角远小于游梁摆角，近似l／2，摆动惯性影响减少，这是节能原因之二。(5)独特的平衡机理摆杆机的复合平衡与众不同。第一层平衡是常36摆杆机同常规机相比，在类似工况下节电30％以上，其匹配的减速器扭矩和电机功率均可减少1／2，新开发的油田可大大减少电网投资费用。摆杆机适合大负荷、长冲程，但不适合高冲次。一方面是由结构决定，滚轮在轨道上往复运动，容易磨损；另一方面冲次太高，摆杆上下摆动过大的惯性在曲柄的旋转时，产生齿轮受力齿面被交替冲击。通过厂内试车，确定摆杆机在最大负荷、最大冲程条件下，最高冲次为7min-1。摆杆机平衡的重点在摆杆尾配重上，因为它产生的平衡力矩，直接通过连杆传至游梁。不经过滚轮，可减少磨损，延长寿命。当平衡接近最佳时，减速器扭矩很小。选配电机的功率大小取决于抽油机所需的扭矩和冲次，摆杆机与相应机型的扭矩计算对比值如表2所示摆杆机同常规机相比，在类似工况下节电30％以上，其匹配的减速37(六)双驴头抽油机(又称异形机)由华北石油管理局第一石油机械厂1993年首先开发成功，目前已形成6-10型、冲程2.5~6m全系列机型。有3000余台在华北、大港、胜利、大庆等14个油区工作，国内有华北一机厂、胜利总机厂等六个厂家生产。是1993年以来应用最多的新型抽油机。图23双驴头抽油机(六)双驴头抽油机(又称异形机)由华北石油管理局第一石油机械38双驴头抽油机主要特点是将常规游梁式抽油机连杆与游梁之间的铰链连接改成后驴头与钢丝绳的柔性连接组成变参数的四杆机构，这样可以克服刚性铰接四杆机构，游梁摆角较大时，传动角小、运动性能、动力性能变坏的缺点。实现较大摆角（大于700），减小抽油机尺寸和重量。同时，由于游梁后臂的长度是变化的。通过这种变化，使传动性能与悬点载荷的变化相适应，减小抽油机减速器上的扭矩，提高了抽油机的承载能力，降低了能耗。其结构如图24所示。双驴头抽油机主要特点是将常规游梁式抽油机连杆与游梁之间的铰链391．双驴头抽油机的工作原理双驴头抽油机工作时，动力机的高速转动通过皮带和减速器传给曲柄作低速旋转。随着曲柄的转动，特殊连杆与游梁后臂渐开线圆弧的切点，将沿其弧面上下移动，即连杆长度和游梁后臂有效长度均随曲柄转动而变化。曲柄通过“特殊连杆”驱动游梁而往复摆动。随着游梁的往复摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆往复运动，再由抽油杆带动深井泵活塞进行抽油。图24双驴头抽油机结构示意图1一底座；2一支架；3一平台；4一游梁；5一前驴头；6一护栏；?一后驴头；8一驱动绳；9一横梁；10一连杆；11一曲柄销装置；12一曲柄装置；13一减速器；“一刹车安全装置；15一电动机；16一刹车装置1．双驴头抽油机的工作原理双驴头抽油机工作时，动力机的高速转402．现场应用情况为了验证双驴头抽油机的节能效果，在华北油田歧650、歧665井上进行了常规机与异形机对比测试。通过试验表明，异形机具有以下5方面的特点：(1)有明显的节能效果。歧650井在相近工作参数下对比，24h有功电耗量由140.6kW．h下降到97.0kW．h，平均日节电43.6kW．h，节电幅度31.0％。(2)启动电流明显下降，易启动。歧650井原启动电流400A，现启动电流162.5A，下降幅度为59.4％。歧665井在改变工作参数的情况下，启动电流由原来的220A下降到150A，下降幅度31.8％。2．现场应用情况为了验证双驴头抽油机的节能效果，在华北油田歧41(3)具有长冲程特点，减少相对冲程损失，有利于提高油井产液量。歧665井换机型后，改用5m冲程，4min-1冲次的异型机生产，日产液由原来的21.0t上升到40.7t，泵效由24.4％提高到55.1％。(4)配套使用电机功率小。配套使用电机功率仅22kW，可降低输入功率，提高抽油由7.122kW下降到670kW。(5)异形机结构合理、运转平稳、附加动载小、平衡效果好、维修方便。

(3)具有长冲程特点，减少相对冲程损失，有利于提高油井产液量42（七）变形双驴头抽油机1、低矮异型抽油机1）渐开线型抽油机，如图18所示

图18渐开线型抽油机（七）变形双驴头抽油机1、低矮异型抽油机图18渐开线型抽油机432)

扇形驴头抽油机，如图19所示

图19扇形驴头抽油机2)

扇形驴头抽油机，如图19所示

图19扇形驴头抽油442.增程式游梁抽油机1)

旋转驴头增程抽油机;2.增程式游梁抽油机1)

旋转驴头增程抽油机;45(1)结构特点

①普通游梁式抽油机的驴头和游梁是钢性连结在一起的，而旋转驴头游粱式抽油机的驴头和游梁的连接方式采用的是铰接，从而可以使驴头相对于游梁转动。②普通游梁式抽油机采用的是四连杆机构，而该机型在驴头和支架上增加了一根连杆，同时驴头本身也成为一个运动杆件，因而构成独特的六连杆机构，③驴头可以相对于游梁转动，又要求其弧面始终和铅垂线相切，所以驴头弧面的轮廓曲线不再是一条圆弧，而应该是一条特殊曲线。

(2)工作原理当抽油机工作时，动力机通过皮带和减速箱机构带动游梁运动，此时，旋转驴头游梁式抽油机的游梁除了带动驴头在竖直方向上运动外，还要使驴头做相对于游梁的旋转运动，两种运动的综合作用带动抽油杆柱做上下往复运动，增加冲程并实现抽汲。(1)结构特点①普通游梁式抽油机的驴头和游梁是钢性连46(3)性能特点①优点：与常规机相比，该机型的冲程不仅具有常规机的冲程部分，而且增加了因驴头旋转而造成的冲程增加，所以具有长冲程的特点。当前我国有杆式抽油方式正向着长冲程、低冲次方向发展，在可能的条件下，将一般抽油机改造为旋转驴头游梁式抽油机，以满足长冲程采油工艺的要求，不仅经济而且可行。②缺点：整机结构复杂，制造成本高，因而发展前景受到一定的限制。(3)性能特点①优点：与常规机相比，该机型的冲程不仅472)

游梁与复合轮综合增程抽油机如图21所示图21游梁与复合论综合增程抽油机2)

游梁与复合轮综合增程抽油机如图21所示图21游48（八）.双变径轮式抽油机该机是胜利油田工程机械总厂最近研制开发成功的一种新型抽油机,如图22、23所示.图22双变径论式抽油机1)

结构组成图23双变径轮式抽油机简图（八）.双变径轮式抽油机该机是胜利油田工程机械总厂最近研制开492)结构特点优化后的结构具有较好的运动性能,动载荷小,降低了抽油杆上的载荷,改善了抽油机和抽油泵的工作条件,可靠性明显提高。减速器扭矩波动小,没有负扭矩.具有明显的节能效果.可方便的实现大冲程.完整的四连杆机构稳定性好.连杆、曲柄、减速器等受力小，提高了可靠性。充分利用游梁自重作平衡重。适用于把原10型抽油机改造成12型，5米冲程的改型抽油机。缺点：增加了一副轴承。柔性杆的寿命有待提高。2)结构特点优化后的结构具有较好的运动性能,动载荷小,降低了50（九）绳索滑轮式长冲程抽油机绳索滑轮式长冲程抽油机是一种以提高冲程为主要特点的游梁式抽油机，因此属于倍增冲程游梁式抽油机，也是常规型游梁式抽油机的一种改进形式，改进的目的在于节能。这种机型最早于1985年由我国的辽河石油勘探局兴隆台采油厂研制生产，如图24所示。

图24绳索滑轮游梁式抽油机1一刹车装置；2一带传动装置；3一减速器；4一曲柄；5—平衡块；6一连杆；7一横梁：8一游梁；9一转动滑轮；10--驴头；11一悬绳器；12—钢绳；13--支架：1卜嗽梯：15一底座；16一护栏（九）绳索滑轮式长冲程抽油机绳索滑轮式长冲程抽油机是一种以提51(1)结构特点绳索滑轮式长冲程抽油机与常规机相比，其不同之处在于：该机的的驴头上装有一个可转动的滑轮，钢丝绳的一端与底座相连；另一端绕过滑轮及驴头弧面与井口的悬绳器相连。为了避免钢丝绳与驴头弧面的滑动摩擦，驴头弧面装有—排小滚珠，小滚珠可随钢丝绳的运动而转动。(1)结构特点绳索滑轮式长冲程抽油机与常规机相比，其不同之处52(2)工作原理

基本原理同常规机。对于绳索滑轮式长冲程抽油机，当抽油机工作时，在定滑轮的作用下，冲程长度增加近一倍，从而实现倍增冲程，(3)性能特点①优点：冲程倍增。②缺点：游梁前端载荷增大近一倍，影响到平衡重的配置，并可能造成整机重量的增加，因而发展前景受到一定的限制。

(2)工作原理基本原理同常规机。对于绳索滑轮式长冲程抽油机53（十）蛋形驴头游梁式抽油机蛋形驴头游梁式抽油机也是一种以提高冲程为主要特点的游梁式抽油机，因此也属于倍增冲程游梁式抽油机，也是常规型游梁式抽油机的一种改进形式，改进的目的在于节能。图25蛋形旋转驴头游梁式抽油机l一减速器：2一曲柄；3一平衡块；4一连杆；5一横梁；6一游梁：7一蛋形驴头；8－悬绳器：9一光杆；i0-．支架；11—扶梯：12一底座（十）蛋形驴头游梁式抽油机蛋形驴头游梁式抽油机也是一种以提高54(1)结构特点蛋形驴头游梁式抽油机不再采用定滑轮结构，而是将驴头设计为蛋形结构，钢丝绳绕在蛋形驴头上，一端与底座相连，另一端与悬绳器相连。(2)工作原理基本原理同常规机。对于蛋形驴头游梁式抽油机，当游梁上下摆动时，钢丝绳使蛋形驴头跟着转动，并带动抽油杆运动，使冲程长度增加近一倍，实现倍增冲程。(3)性能特点①优点：冲程倍增。②缺点；游梁前端载荷增大近一倍，影响到平衡重的配置，并可能造成整机重量的增加，因而发展前景受到一定的限制，(1)结构特点蛋形驴头游梁式抽油机不再采用定滑轮结构，而是将55(十一)斜直井游梁式抽油机斜直井游梁式抽油机是为了满足日益发展起来的斜直井和丛式并采油技术而研制生产的一种新型游梁式抽油机。该机型在中国、美国、法国、加拿大等国均有一定程度的发展和应用。图26是从后置型游粱式抽油机改造而来的斜直井游梁式抽油机的结构简图，图27是从前置型游梁式抽油机改造而来的斜直井游梁式抽油机的结构简图。

(十一)斜直井游梁式抽油机斜直井游梁式抽油机是为了满足日益发56结构简图图27斜直井前置式抽油机1一底座；2一支架；S一游梁：．4一横粱：5一驴头：6一减速器底座；?一减速器；8--V型曲柄；9一连杆：10--平衡重；11一钢丝绳；12一主支承；13一悬绳图26斜直井后置式抽油机l一底座：2一支架；3一游梁：4一横梁：5一驴头；6一减速器底座：7一减速器；8一曲柄：9一连杆：10--平衡重；1l一钢丝绳；12一主支承；13一悬绳器结构简图图27斜直井前置式抽油机图26斜直井后置式抽57(1)结构特点具有倾斜的游梁、可调节的连杆，并以倾斜的驴头对准斜直井的轴线。(2)工作原理工作原理基本与常规机相同，只是在工作过程中，驴头带动抽油杆在倾斜方向上往复运动。当井的倾斜角度需要改变时，只需改变连杆长度等一些可调节的几何尺寸，便可满足斜直井和丛式井开采油气的需要。(3)性能特点由于采用倾斜的抽油杆抽油，所以该种抽油机的冲次一般较低，而且需要采用抽油杆扶正器以减少抽油杆与油管之间的摩擦阻力。尽管这样，斜直井抽油机的磨损程度依然很大。(1)结构特点具有倾斜的游梁、可调节的连杆，并以倾斜的驴头对58第四节无游梁长冲程抽油机一、链条抽油机1．普通链条抽油机链条抽油机是我国自行研制的一种结构独特的无游梁抽油机。它具有负荷能力大、冲程长、重量轻、节省电能等优点。第四节无游梁长冲程抽油机一、链条抽油机59(1)结构链条抽油机由以下几部分组成(见图25)：动力传动系统：电动机、皮带传动装置、减速器、主动链轮、上链轮、轨迹链条和主轴销等；换向系统：往返架体、滑套、滑块和滚轮等；平衡系统：平衡链轮、平衡链条、平衡缸及其柱塞、储气包、补气压缩机、润滑油泵等；悬重系统：天车轮、轮架、钢丝绳和悬绳器等；支持系统：机架、导轨、底座和油底壳等。(1)结构链条抽油机由以下几部分组成(见图25)：60（2）工作原理电动机通过皮带传动、减速器减速后驱动主动链轮旋转，带动主动链轮和从动链轮之间的轨迹链条上下运动。轨迹链条上有一个特殊链节，其上装有主轴销，通过滑套和滑块带动往返架沿机架导轨作垂直运动。当轨迹链条上的特殊链节在链轮上作环形运动时，主轴销带动滑块沿滑杠移动，完成往返架的换向运动。绕在天车轮上的钢丝绳一端连在往返架的上部，另一端与悬绳器相连。往返架的垂直运动，通过钢丝绳和悬绳器带动光杆、抽油杆柱和抽油泵完成上下冲程抽汲油液的任务。往返架的下部连有平衡链条，绕过平衡链轮以后，固定在机架上。平衡链轮与平衡气缸中的柱塞相连，气体压力产生的推力经过平衡链轮与平衡链条作用于往返架的下部。以满足链条抽油机的平衡需要。（2）工作原理电动机通过皮带传动、减速器减速后驱动主动链轮旋61(3)特点①运动性能好。链条机冲程长度的90％是匀速运动，只有换向期间有短时的加速度，而且设计上保证它处于静变形期，因此动载荷小。②整机重量小。链条机整机重量只是游梁机的1／2～1／3。⑧调平衡容易，节约电能。链条机采用气平衡系统，调节系统方便，效果好，调整平衡度可达95％左右。④结构紧凑，减速器小。(3)特点①运动性能好。链条机冲程长度的90％是匀速运动，只62(4)链条机节能分析①结构特点及减速器扭矩。由于链条抽油机电动机的转数基本不变，因此，减速器输出轴可看做是匀速旋转的。又因轨迹链条、往返架和抽油杆是平行布置，它们的力作用线是相互平行的，因此在抽油杆上下行程中，除了特殊链节在上下轮的上下半圆弧时往返架是作简谐运动外，其余大部分(上下链轮中心距段)都不产生加速度，也就无惯性力。所以，减速器输出轴上链轮的切线力是均匀的。与游梁抽油机比较，由于链条机的减速器需要的减速比较游梁机小得多，相同冲数和相同悬点载荷时，链条抽油机减速器的体积和输出扭矩比游梁抽油机小都小得多。

(4)链条机节能分析①结构特点及减速器扭矩。63②平衡方式及扭矩曲线图26链条机与游梁机平衡效果和减速器扭矩对比(a)游梁抽油机；(b)链条抽油机②平衡方式及扭矩曲线图26链条机与游梁机平衡效果和减速器64游梁抽油机靠曲柄上所加铸铁平衡块上行储存能量、下行释放能量来实现平衡。减速器净扭矩曲线脉动较大(图26(a))，且有负扭矩存在。链条抽油机的平衡方式是气动平衡，平衡机构是由与负荷作用线平行安装的气动平衡缸、平衡缸中的柱塞、柱塞下端的平衡链轮及连接在往返架下部并绕过平衡链轮固定于机架上的平衡链条组成。靠气缸中的高压气体储存和释放能量来实现平衡。这样的平衡装置调节气压很方便，可保证在抽油机的工作过程中，随着油井负荷变化来随时调节平衡力的大小。而且，平衡力作用方向与负荷力作用方向相反并相互平行。因此平衡后，减速器扭矩曲线除换向段外为一直线(图26(b))游梁抽油机靠曲柄上所加铸铁平衡块上行储存能量、下行释放能量来65由于链条机具有较平稳的净扭矩曲线，电动机效率高，电能损耗低。且由于其扭矩峰值小，使选配的电机功率减小。同型号链条抽油机和游梁抽油机匹配的电机容量及同负荷井上电机工作电流见表3。在相同条件下，链条抽油机选用的电机比游梁抽油机的小。表3是链条机与游梁机匹配的电机容量对比从以上分析表明，链条抽油机由它的结构决定，减速器扭矩小而平衡，使电动机工作效率高。从匹配电机、工作电流和实测功率都说明，省电三分之一左右是无疑的。现场对链条抽油机井和游梁抽油机井的实际耗电量进行测试，按每吨液量的耗电量计算，链条抽油机平均为1.58kW．h，游梁抽油机为2.59kW．h，链条抽油机省电39％。由于链条机具有较平稳的净扭矩曲线，电动机效率高，电能损耗低。662、采用MON式主传动系统的新型链条抽油机采用MON式主传动系统的新型链条抽油机，其主传动链、循环链、承载链分别呈M、0、N形布置。链结子为换向机构，具有滑动轴承功能，并联循环链和主传动链，把循环运动变为上下往复运动。承载链直接承受平衡载荷，可大幅度减小主传动链的受力。主传动链与承载链将悬点载荷分解为换向抽汲载荷与平衡载荷。两组链条长度之差产生差动功能，可缓冲平衡重的换向惯性冲击。MON式主传动系统力系设计合理，运行平稳，可靠性高，从而使新型链条抽油机具有大载荷、长冲程和低冲次的特点。2、采用MON式主传动系统的新型链条抽油机采用MON式主传动67(1)MON式主传动系统工作原理。MON式主传动系统是链条抽油机的新型传动系统，图27为该传动系统原理图。主传动链、循环链和承载链等三组链条按不同方式分别绕相关轮系导向和传动。传动顺序是：电动机驱动减速器输出轴上的主动链轮带动循环链作循环运动，经链结子转换为主传动链的往复运动，最终带动其前端的悬绳器及光杆和后端的平衡重作交替上下往复运动。上冲程时，悬绳器上升，平衡重下降，对悬点做功；下冲程时，悬绳器下降，平衡重上升，对平衡重作功，储存势能，用于下一次循环抽油。图27链条抽油机MON式主传动系统1一平衡重；2一天轮；3一减速器；4一承载链；5一大天轮；6一主传动链；7一主动链轮；8一循环链；9一链结子；10一悬绳器；11一从动链轮；12一地轮箱；13一地轮(1)MON式主传动系统工作原理。MON式主传动系统是链条抽68①技术参数及结构特点。表4中列出采用MON式主传动系统的两种新型链条抽油机系列技术参数。新研制链条抽油机的结构特点是与MON式主传动系统密切相关的。主传动链呈M形布置，其前端连悬绳器，绕大天轮。天轮、地轮，末端接平衡重，承担换向抽汲载荷。循环链呈O形布置，双链对称。绕主动链轮、从动链轮，封闭于链结子。在主传动链中部由链结子并联。主动链轮的圆周转动由此变换为循环链的长圆循环运动，运动长轴等于抽油机冲程。承载链呈N形布置，前端连悬绳器，绕大天轮、天轮，末端接平衡重，直接承担平衡载荷，随主传动链运动。①技术参数及结构特点。表4中列出采用MON式主传动系统的两种69链结子为换向机构，具有滑动轴承功能，并联循环链和主传动链，把循环运动变换为往复运动。这是MON式主传动系统的核心，其结构简单，无往返架及导轨，对并联各链条均不产生侧向弯矩，重量轻，易于安装和维修，可靠性高。主动链轮与循环链在上部啮合，链条在自重作用下，始终与主动链轮保持良好啮合状态。从动链轮在地轮箱的重力作用下(松开相应紧固螺栓时)，可自动张紧循环链。大天轮主轴在齿条传导下(松开相应的紧固螺栓时)，可平行后移，让开井位，由两人操作即可。链结子为换向机构，具有滑动轴承功能，并联循环链和主传动链，把70主传动链与承载链将悬点载荷分解为换向抽汲载荷与平衡载荷。两链条长度之差可产生差动功能，从而大大缓冲平衡重的换向惯性冲击。MON式主传动系统的力系设计合理，换向机构简单实用，因而系统运转平稳，噪音低，寿命长。在尽量减小风阻，方便链条安装和维护的条件下，MON式主传动系统基本置于封闭的链箱中，既能保证链传动的充分润滑，又能有效地防止润滑油的渗漏和污染。主传动链与承载链将悬点载荷分解为换向抽汲载荷与平衡载荷。两链71②试验情况及发展前景。从1996年至今，已制造LCJl2—5—7T型链条抽油机7台，在辽河油田锦州采油厂和吉林油田新木采油厂使用，曾发生过大天轮因铸造缺陷而碎裂的故障，后改为钢板焊接结构，效果良好，证明MON式主传动系统可行。在此基础上，1998年初，又开发了LCJl4—8—12T型链条抽油机，其载荷更大，冲程更长，让位更方便，机架更稳定。这种链条抽油机样机已完成厂内试验。针对油田开发中注水量、下泵深度和排液量不断增加，以及稠油、低渗、高粘、多蜡、多砂、水淹等特殊开采条件，对有杆抽油设备提出了低冲次、长冲程、大泵深抽的要求。采用MON式主传动系统的新型链条抽油机就能适应这种要求，在使用中显示了自身的优势，即可靠性好与节能②试验情况及发展前景。从1996年至今，已制造LCJl2—572新型机采用天平式平衡替代气平衡；用板式链悬重替代钢丝绳；用链结子换向机构替代往返架；选用的标准链条均能在规范要求的条件下工作。CYJl2-4.8—73HB游梁式抽油机(曲柄平衡)的电动机功率为45kW，功率因数为0.3；LCJl250Q链条抽油机(气平衡)的电功机动率为37kW，功率因数为0.5；新研制的LCJl2—5—7T链条抽油机(天平式平衡)的电动机功率为22kW，功率因数为0.7。三种抽油机中，新型机的电动机功率最小，但功率因数最大。原因是天平式平衡的新型机悬点载荷是固定值，负载利用率高。而曲柄平衡的游梁机悬点载荷是周期性变化的，只能是“大马拉小车”。气平衡链条机可靠性低，很难保证平衡精度。目前抽油机用电约占油田生产用电的三分之一，采用MON式主传动系统的链条抽油机有着巨大节能潜力。

新型机采用天平式平衡替代气平衡；用板式链悬重替代钢丝绳；用链73二、链条—皮带抽油机1．LPJl250型链条—皮带抽油机LPJl250型链条—皮带抽油机，是在原LCJ型链条抽油机的基础上，优化设计的新型抽油机，它保持了原机的长冲程、低冲次、重量轻、节能等特点，此外由于采用新型特殊链节，提高了链条寿命；用非金属绳芯的皮带代替钢丝绳，不易断裂；采用机械平衡克服了气平衡易失效的缺点；采用机电式失载保护装置，确保了整机安全可靠；对导向轮和刹车系统进行了优化设计，使其性能大为改善；整机的刚性也大大提高。修井时顶部复位，不需要其他设备和专用工具，一个人即可完成让位和复位工作，使用和维修都十分方便。

二、链条—皮带抽油机1．LPJl250型链条—皮带抽油机74OTAFLEX(宽带式)抽油机与链条式抽油机不同点：如图31所示。1）使用了专用链条。2）采用大连轮结构。3）由宽带代替了钢丝绳驱动光杆。减少了换向冲击。4）

整机尽量靠近井口，减少了反转力矩，增加了整机的强度和稳定性。5）采用重块平衡技术，可靠性提高。6）减速器轴上直接安装链轮，缩短了传动链长度，减少了故障。OTAFLEX(宽带式)抽油机75三、他形式抽油机的发展1、

无换向架链条抽油机。2．

解放军9899工厂设计的直线电机抽油机3．机换向滚筒式抽油机（图32）。总机厂生产。4．机械换向滚筒式抽油机5．数控抽油机6．动化抽油机7．液压抽油机8．连续杆抽油机9．

车载抽油机三、他形式抽油机的发展1、无换向架链条抽油机。763．

机械换向滚筒式抽油机3．机械换向滚筒式抽油机77新型抽油机发展现状

及其评价

主讲李树臻新型抽油机发展现状

及其评价主讲78第一节概述抽油机-抽油杆-抽油泵(简称三抽设备)是机械采油的重要设备.据统计,我国的机械采油设备采油井占总井数的900/0,其中三抽设备占油井总数的800/0

所采产量占总产量的750/0。美国的机械采油设备采油井占总井数的950/0，其中三抽设备占油井总数的850/0，所采产量占总产量的700/0。第一节概述抽油机-抽油杆-抽油泵(简称三抽设备)是机械采79抽油机研究现状国内外对抽油机的研究从未间断。新的传动原理、设计方案和新的机型不断出现。国外，以美国为代表的石油设备生产国，抽油机生产制造研究逐步向几个大公司靠拢.。研究主流主要向技术统一化、生产模块化、产品系列化和标准化方向发展。新型抽油机出现较少。我国，抽油机生产厂家众多，生产能力严重过剩。促使抽油机生产企业为提高技术含量、开发新产品而增加投入。使抽油机的研究力量不断增强，抽油机的研究成果不断涌现。

抽油机研究现状国内外对抽油机的研究从未间断。新的传动原理、设80主要研究方向是：1．

提高冲程，降低冲次；2．

节能抽油机；3．

自动化和智能化控制。主要研究方向是：1．

提高冲程，降低冲次；81第二节游梁式抽油机节能原理与技术改造

一、梁式抽油机的工作特征

二、抽油机的节能途径分析

三、梁式抽油机的节能改造第二节游梁式抽油机节能原理与技术改造一、梁式抽油机的工作特82一、游梁式抽油机的工作特征1、结构特点由四连杆机构实现运动的转换，将电机的旋转运动转换为光杆的上下往复直线运动。如图3所示。图3游梁式抽油机结构简图一、游梁式抽油机的工作特征1、结构特点图3游梁式抽油机结构832、运动特征悬点的运动为周期性的变速运动。在一个抽油循环中，加速度接近余玄规律变化。如图4所示图4悬点加速度曲线2、运动特征图4悬点加速度曲线843、负荷特征游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表示，如图5、6所示。图5静力示功图图6动力示功图3、负荷特征游梁式抽油机悬点负荷的变化规律可用悬点的示功图表854、游梁式抽油机曲柄扭矩的变化规律（1）作用在曲柄上的负荷扭矩MpMp＝（P悬－B＋）＝TF（P悬－B＋）（20）

式中TF－扭矩因数，为只与抽油机几何尺寸和曲柄转角φ有关的正弦函数。扭矩因数曲线为一条正弦曲线，但与标准正弦曲线的平衡扭矩曲线超前一个相位角。4、游梁式抽油机曲柄扭矩的变化规律（1）作用在曲柄上的负荷扭86P悬－悬点载荷，其变化规律如图示功图所示。B－结构不平衡重。是指当摘开曲柄连杆销后，为使游梁处于水平，需要在悬点上所施加的力。重力方向为正。Jb－为游梁、横梁、连杆组件的转动惯量。εb－游梁的转动角加速度。可见抽油机曲柄的负荷扭矩变化规律基本上为一条上冲程振幅大、下冲程振幅小的正弦波。但其上冲程的扭矩峰值较标准正弦波超前，而下冲程的负峰值则滞后。这主要是由于抽油机的悬点负荷特点造成的。

P悬－悬点载荷，其变化规律如图示功图所示。87（2）曲柄的平衡扭矩M平M平＝Q曲R曲sinφ-Jpε＝Mmaxsinφ-Jpε式中Q曲、R曲－分别为曲柄平衡重和曲柄平衡半径。

Jp－曲柄组件的转动惯量。

ε－曲柄的转动角加速度。Mmax－最大曲柄平衡力矩。Mmax＝Q曲R曲。曲柄的平衡扭矩曲线几乎为一条标准的正弦曲线。（2）曲柄的平衡扭矩M平M平＝Q曲R曲sinφ-Jpε＝Mm88（3）曲柄净扭矩MM＝Mp－M平

1．净扭矩2、负荷扭矩3、平衡扭矩图7扭矩曲线曲柄净扭矩M的特点：a、在整个工作循环中，始终是变化的。且脉动值很大。b、在整个工作循环中出现两次负扭矩。两个最大扭矩峰值分别出现在上、下冲程静变形结束后的一瞬间（3）曲柄净扭矩MM＝Mp－M平1．净扭矩2、负荷扭89实例例：某井抽油机机型为CYJ-10-3-48B，P悬max=4375kg，P悬min=l483kg，P悬均=2744kg，冲次n=8，冲程S=3m。最大正扭矩26980.44N·m，最大负扭矩4697.62N·m，平均扭矩7951.44N·m，平均功率8.59kW，最大加速度1.55m／s2。实例例：某井抽油机机型为CYJ-10-3-48B，P悬max90计算结果表明a、抽油机扭矩的脉动幅值很大，本例为平均值的3．39倍。脉动大的结果是载荷峰值大而平均载荷低，现场测试抽油机适配电动机的负荷率在20％左右。但为了满足最大负荷的要求，不得不配用大功率电机，即所谓“大马”拉“小车”。在这样的负荷率下，效率再高的电动机的实际效率也只有80％左右。

图8电机负载率与电机效率的关系曲线计算结果表明a、抽油机扭矩的脉动幅值很大，本例为平均值的3．91b、扭矩脉动大同时使电流脉动大，电流均方根值大，额外增加了电流流经导体的有功损失。也使电机效率降低。c、脉动大的另一后果是使抽油机机体尺寸加大，振动加大，寿命降低。d、值得注意的是抽油机存在负扭矩，一个周期中一般出现两次，如图7所示。负扭矩的出现使电动机进入发电状态运行，向电网充电。研究结果表明，这种向电网反充电的工况不但使电能利用率降低，而且由于充电相位不可能与电网相位完全同步，而使充电电能不可能完全转变成为有用电能。b、扭矩脉动大同时使电流脉动大，电流均方根值大，额外增加了电92二、抽油机的节能途径分析

1、节能目标节能的目标是提高效率，降低能耗。提高抽油机井系统效率的首要问题之一是提高地面部分的的效率ηs，也就是提高整个抽油机系统的效率。二、抽油机的节能途径分析

1、节能目标932、节能途径（1）提高从悬点到电机各部件的传动效率。这方面主要由抽油机的设计、制造、安装、调试、维护、保养等各个技术环节最优化操作完成，这里不作赘述。（2）提高电机的实际工作效率η1。这是最引起人们重视的关键节能技术环节。由前面的论述可以得出结论：提高电机的实际工作效率η1的方法有：a、

改造电机的结构，使之具有适应脉动负荷的输出特性；设计适应抽油机工作特点的新型节能电机。b、

改善电机的扭矩负荷，使之尽可能的平稳，使电机处于高效区内工作。c、

以上两种方法同时进行。2、节能途径（1）提高从悬点到电机各部件的传动效率。这方面主943、使抽油机曲柄净扭矩的变化平稳的技术途径分析由图7和公式（20）、（21）、（22）可以得出如下几条技术途径：（1）使曲柄负荷扭矩Mp曲线尽可能的接近曲柄平衡扭矩M平曲线的变化规律，使净扭矩M=Mp-M平在每个瞬时趋向均匀。具体方法有：1)优化运动转化机构的结构和各杆件几何尺寸，使TF·P悬的变化规律尽量接近正弦变化规律。如六杆抽油机、摆杆式抽油机、双游梁式抽油机等。2)优化运动转化机构的结构和各杆件几何尺寸，使悬点上冲程前半段（悬点静载荷最大时）的加速度减小，从而减小该时刻的惯性载荷，达到平稳载荷的目的。如非对称循环的“慢提快放”的异相机、前置机等。3、使抽油机曲柄净扭矩的变化平稳的技术途径分析由图7和公式（95（2）使平衡扭矩M平变化规律接近于负荷扭矩MP的变化规律具体方法有：1）

改变平衡扭矩的相位角。如异相机、前置机等。让曲柄平衡重偏置，使平衡相位提前一个相位角，以便使平衡扭矩峰值与负荷扭矩峰值同时产生，达到最好的平衡效果。2）

采用变力矩的游梁平衡，拟合负荷扭矩MP的变化规律，在负荷扭矩最大时产生最大平衡力矩。如油量偏置负荷平衡抽油机、气动平衡抽油机等。（2）使平衡扭矩M平变化规律接近于负荷扭矩MP的变化规律具体96（3）利用高转差率电机配合较大的旋转惯性件削减负荷的脉动幅。高转差率电机的特点是载荷增大时，转差率增大，电机的实际输出转速不得不降低；而较大的旋转惯性力总是抵制这种变化，帮助电机克服这种增大的载荷。使电机的实际载荷趋向平缓。与普通电动机相比，在同样油井工况下，使用超高转差率电动机的电流和功率曲线平均值明显减小，曲线波动明显平坦。但由于超高转差率电动机的工作效率比普通电动机低，使抽油机系统效率的提高和节能效果有限，许多工况下不节能，只在配有较大的旋转惯性件或轻负荷工况下才有一定的节能效果。另外超高转差率电动机价格较高也是其不能推广应用的一个重要因素。（3）利用高转差率电机配合较大的旋转惯性件削减负荷的脉动幅。97第三节节能改造的游梁式抽油机

（一）异相曲柄平衡式抽油机

图14第三节节能改造的游梁式抽油机（一）异相曲柄平衡式抽油机981、通过杆件设计优化实现“慢提快放”，2、通过改变抽油机杆件的配比，使运动规律发生变化，以减少载荷扭矩曲线的上下峰值差。1、通过杆件设计优化实现“慢提快放”，99异相机是20世纪80年代发展起来的，采用非对称循环机构，使游梁在上下死点时，连杆两个位置之间存在约120的相位夹角。曲柄上冲程的转角增加120，为1920；曲柄下冲程的转角减少120，为1680。这种机构具有“急回特性”：一是上冲程的曲柄转角大于下冲程的曲柄转角，上冲程时间长，速度慢，加速度就小，从而使上冲程中载荷扭矩曲线的上峰值减小；同时也相应地缩短了下冲程的运行时间，增大下冲程后半段的加速度变化幅度，从而使扭矩曲线的上峰值增大；二是改变了载荷扭矩曲线的形状，使其波形尽量向正弦波靠近。异相机是20世纪80年代发展起来的，采用非对称循环机构，使游100（二）偏轮游梁抽油机图15偏轮游梁抽油机结构示意图l－悬绳器总成；2－吊绳总成；3－驴头总成；4－游梁总成；5－支座总成；6－操纵杆总成；7－横梁总成；8－偏轮总成；9－连杆总成；l0－曲柄销总成；l1－减速箱总成；12－刹车总成；13－电动机总成；14－底座总成；15－曲柄总成；16－支架总成偏轮游梁式抽油机(以下简称偏轮机)是为了满足油田和用户的需要，由华北石油管理局第二机械厂研制出的一种新型节能专利产品，该机是在异相游梁式抽油机(以下简称异相机)的基础上发展的一种六连杆机构。偏轮机杆件均为刚性连接，保留了常规机的特点，节能15％～30％。现以CYJPl2－4.8-37HB型偏轮机为例，对其自身特点进行分析。（二）偏轮游梁抽油机图15偏轮游梁抽油机结构示意图偏轮101与常规机相比，偏轮机结构有3点不同①在游梁尾部装有一个偏轮；②在偏轮与游梁中心支架之间增设推杆；③在游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。(2)偏轮机运动特性分析。与常规机相比，偏轮机结构有3点不同①在游梁尾部装有一个偏轮；102偏轮机利用了变矩节能原理当曲柄旋转时，依次带动连杆、横梁、偏轮和游梁运动。偏轮相对游梁摆动，摆动规律由推杆确定。正是由于偏轮摆动的作用，使游梁后臂的有效长度和游梁摆动的角速度均随着曲柄转角的变化而变化，游梁后臂的变化规律与悬点载荷的变化规律基本一致，接近正弦规律且与曲柄平衡扭矩相对应，从而使曲柄轴净扭矩波动较小。偏轮机利用了变矩节能原理当曲柄旋转时，依次带动连杆、横梁、偏103扭矩因数与扭矩曲线偏轮机从修正悬点运动速度人手，使扭矩因数曲线接近正弦曲线，并且该曲线与曲柄平衡产生的正弦曲线谷峰值较好地吻合，因此经叠加后的曲柄轴净扭矩消除了负扭矩，曲线变得非常平缓，上下冲程中各有一段近似直线，并且占据了整个循环周期的大部分范围，因此决定了周期负载系数低，曲柄轴净扭矩均方根值小

图16扭矩因数与扭矩曲线扭矩因数与扭矩曲线偏轮机从修正悬点运动速度人手，使扭矩因数曲104（三）游梁偏置复合平衡图18游梁偏置复合平衡简图不改变常规机的结构，在游梁尾部增加固定偏置平衡装置，其重心相对游梁下偏一个角度ε，叫做游梁平衡重偏置角，在运行中，游梁偏置平衡重心的运行轨迹是一段圆弧，当平衡重偏置角ε合适时，悬点载荷最大时，平衡重心处于游梁回转中心的水平线上时，其重力矩最大；当悬点在上死点时，重心靠近游梁回转中心的垂直线，其平衡重力矩最小。利用这一变矩原理与曲柄平衡复合作用，可有效削减悬点载荷峰值扭矩，改善曲柄平衡游梁抽油机的曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，使其波动平缓，且能消除负扭矩，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率。（三）游梁偏置复合平衡图18游梁偏置复合平衡简图不改105图19曲游梁抽油机随着ε大小的变化，游梁偏置复合平衡扭矩M平随曲柄转角θ变化的趋势不同。为了与各种不同杆件长度组合的四连杆游梁机的结构相适应，只需改变ε的大小，ε可以根据不同规格型号的游梁机通过复合平衡优化计算来确定。把游梁机改造成游梁偏置复合平衡游梁抽油机实现节能，具有结构简单，制造容易，仅增加一个无运动件的刚性平衡装置，本身无需维护保养，调平衡方便，完全继承了游梁机的全部优点。与曲柄平衡游梁机相比，节电率在15％以上。图19曲游梁抽油机随着ε大小的变化，游梁偏置复合平衡扭矩M平106优点：曲柄、连杆等构件受力减小，可靠性相对提高，程冲相对加大。上冲程终了时,游梁平衡块处于比较低的位置，并且单块重量轻,便于平衡调整。曲柄平衡块的重量减轻,便于现场调整。保留了常规机的优点,是一种比较理想的节能型抽油机。优点：曲柄、连杆等构件受力减小，可靠性相对提高，程冲相对加大107（四）悬重偏置游梁复合平衡图20悬重偏置游梁复合平衡1一曲柄；2一连杆；3一驴头；4一游梁；5一后驴头；6一偏置平衡重；7一悬挂平衡重其结构特点是：(1)易调悬挂平衡重采用重块下调和轻块上调的悬挂平衡方式，由1个基本块、3个重量不等的配重块和25个调整块组成整体，用钢丝绳悬挂于后驴头，配重块用3个螺栓依次固定在基本块下端，同时配有托架以便于现场调节。(2)偏置平衡重为杠铃式结构，主要由心轴、平衡块、锁紧螺栓等组成，平衡块做成薄片状，易于调节。随着游梁的上下摆动，偏置平衡重的力臂可在2m左右的范围内变动。（四）悬重偏置游梁复合平衡图20悬重偏置游梁复合平衡1一108（五）游梁机加装摆杆是吉林大安石油机械厂在1998年研制成功的新型游梁式抽油机.目前,在东北各油田已有200多台的用量,受到油田的欢迎和制造厂的重视.（五）游梁机加装摆杆是吉林大安石油机械厂在1998年研制成功1091．结构特点在常规机的曲柄与连杆之间增加一对槽形摆杆称为摆杆式游梁抽油机(以下简称摆杆机)，是一种新型节能抽油机，其特点是将曲柄摇杆机构，与常规机的四连杆机构巧妙地结合在一起。在曲柄外侧增加2个摆杆，摆杆中部有空心槽，内嵌有上、下轨道。曲柄销内侧同常规机一样与曲柄联接，外侧改为安装1个滚轮。当曲柄旋转时，滚轮在轨道上往复运动。促使摆杆上下摆动，带动连杆运动，实现驴头上下冲程。摆杆上部开有3组销轴孔，改变连杆下部夹板与销轴孔的联接位置，实现3种冲程。抽油机前支架上增加l根方形支架轴，两端有可伸缩的轴承盒，它是摆杆摆动的铰接点，如图22所示图22摆杆式抽油机结构示意图l一驴头；2一游梁；3一连杆；4一摆杆平衡重；5一曲柄平衡重；6一滚轮；7--曲柄；8一摆杆1．结构特点在常规机的曲柄与连杆之间增加一对槽形摆杆称为摆杆1102．性能特点从机构上看是滑块机构与四连杆机构的组合。整机采用复合平衡方式，由摆杆平衡重和曲柄平衡重组成。它既改变了抽油机的运动和动力特性，又改变了平衡方式，其特点如下：(1)具有较大的极位角。采用了槽形摆杆的急回机构，有较大的极位角，12型摆杆机极位角达到28.30，具有“慢提快放”的节能效果。(2)合理的传动角。摆杆机的下传动角(连杆与摆杆的夹角)，不像常规游梁机变化那样大，12型摆杆机为600～93.440，减少了摆杆的受力，降低了减速器的输出轴扭矩。2．性能特点从机构上看是滑块机构与四连杆机构的组合。整机采用111(3)变化力臂具有变矩节能效果。随着曲柄的转动，滚轮在摆杆中间的轨道上滚动，使得曲柄对摆杆的作用力的力臂随时变化，在上冲程悬点载荷较大时，力臂较长；在下冲程悬点载荷较小时，力臂较短。(4)较多的能量积蓄。在下冲程时，摆杆上的连杆铰点比滚轮到支承轴中心的力臂长，提起的平衡重积蓄能量多，在上冲程时这部分能量释放出来，电动机消耗的功相对就少。(3)变化力臂具有变矩节能效果。随着曲柄的转动，滚轮在摆杆中112(5)独特的平衡机理摆杆机的复合平衡与众不同。第一层平衡是常规机等都有的曲柄平衡，主要是摆杆和滚轮的设计，使曲柄的平衡力矩对连杆而言，在每一个上下冲程循环过程中，虽然平衡锤质量不变，但在摆杆上的平衡半径是变数，其半径大小之差最大值等于2倍曲柄半径。这样上冲程做正功的平衡力矩就大于下冲程做负功的平衡力矩，这是节能原因之一。第二层平衡是在摆杆尾部设计有配重，它所产生的平衡效果相当于游梁平衡，但又优于后者。因为摆杆的摆角远小于游梁摆角，近似l／2，摆动惯性影响减少，这是节能原因之二。(5)独特的平衡机理摆杆机的复合平衡与众不同。第一层平衡是常113摆杆机同常规机相比，在类似工况下节电30％以上，其匹配的减速器扭矩和电机功率均可减少1／2，新开发的油田可大大减少电网投资费用。摆杆机适合大负荷、长冲程，但不适合高冲次。一方面是由结构决定，滚轮在轨道上往复运动，容易磨损；另一方面冲次太高，摆杆上下摆动过大的惯性在曲柄的旋转时，产生齿轮受力齿面被交替冲击。通过厂内试车，确定摆杆机在最大负荷、最大冲程条件下，最高冲次为7min-1。摆杆机平衡的重点在摆杆尾配重上，因为它产生的平衡力矩，直接通过连杆传至游梁。不经过滚轮，可减少磨损，延长寿命。当平衡接近最佳时，减速器扭矩很小。选配电机的功率大小取决于抽油机所需的扭矩和冲次，摆杆机与相应机型的扭矩计算对比值如表2所示摆杆机同常规机相比，在类似工况下节电30％以上，其匹配的减速114(六)双驴头抽油机(又称异形机)由华北石油管理局第一石油机械厂1993年首先开发成功，目前已形成6-10型、冲程2.5~6m全系列机型。有3000余台在华北、大港、胜利、大庆等14个油区工作，国内有华北一机厂、胜利总机厂等六个厂家生产。是1993年以来应用最多的新型抽油机。图23双驴头抽油机(六)双驴头抽油机(又称异形机)由华北石油管理局第一石油机械115双驴头抽油机主要特点是将常规游梁式抽油机连杆与游梁之间的铰链连接改成后驴头与钢丝绳的柔性连接组成变参数的四杆机构，这样可以克服刚性铰接四杆机构，游梁摆角较大时，传动角小、运动性能、动力性能变坏的缺点。实现较大摆角（大于700），减小抽油机尺寸和重量。同时，由于游梁后臂的长度是变化的。通过这种变化，使传动性能与悬点载荷的变化相适应，减小抽油机减速器上的扭矩，提高了抽油机的承载能力，降低了能耗。其结构如图24所示。双驴头抽油机主要特点是将常规游梁式抽油机连杆与游梁之间的铰链1161．双驴头抽油机的工作原理双驴头抽油机工作时，动力机的高速转动通过皮带和减速器传给曲柄作低速旋转。随着曲柄的转动，特殊连杆与游梁后臂渐开线圆弧的切点，将沿其弧面上下移动，即连杆长度和游梁后臂有效长度均随曲柄转动而变化。曲柄通过“特殊连杆”驱动游梁而往复摆动。随着游梁的往复摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆往复运动，再由抽油杆带动深井泵活塞进行抽油。图24双驴头抽油机结构示意图1一底座；2一支架；3一平台；4一游梁；5一前驴头；6一护栏；?一后驴头；8一驱动绳；9一横梁；10一连杆；11一曲柄销装置；12一曲柄装置；13一减速器；“一刹车安全装置；15一电动机；16一刹车装置1．双驴头抽油机的工作原理双驴头抽油机工作时，动力机的高速转1172．现场应用情况为了验证双驴头抽油机的节能效果，在华北油田歧650、歧665井上进行了常规机与异形机对比测试。通过试验表明，异形机具有以下5方面的特点：(1)有明显的节能效果。歧650井在相近工作参数下对比，24h有功电耗量由140.6kW．h下降到97.0kW．h，平均日节电43.6kW．h，节电幅度31.0％。(2)启动电流明显下降，易启动。歧650井原启动电流400A，现启动电流162.5A，下降幅度为59.4％。歧665井在改变工作参数的情况下，启动电流由原来的220A下降到150A，下降幅度31.8％。2．现场应用情况为了验证双驴头抽油机的节能效果，在华北油田歧118(3)具有长冲程特点，减少相对冲程损失，有利于提高油井产液量。歧665井换机型后，改用5m冲程，4min-1冲次的异型机生产，日产液由原来的21.0t上升到40.7t，泵效由24.4％提高到55.1％。(4)配套使用电机功率小。配套使用电机功率仅22kW，可降低输入功率，提高抽油由7.122kW下降到670kW。(5)异形机结构合理、运转平稳、附加动载小、平衡效果好、维修方便。

(3)具有长冲程特点，减少相对冲程损失，有利于提高油井产液量119（七）变形双驴头抽油机1、低矮异型抽油机1）渐开线型抽油机，如图18所示

图18渐开线型抽油机（七）变形双驴头抽油机1、低矮异型抽油机图18渐开线型抽油机1202)

扇形驴头抽油机，如图19所示

图19扇形驴头抽油机2)

扇形驴头抽油机，如图19所示

图19扇形驴头抽油1212.增程式游梁抽油机1)

旋转驴头增程抽油机;2.增程式游梁抽油机1)

旋转驴头增程抽油机;122(1)结构特点

①普通游梁式抽油机的驴头和游梁是钢性连结在一起的，而旋转驴头游粱式抽油机的驴头和游梁的连接方式采用的是铰接，从而可以使驴头相对于游梁转动。②普通游梁式抽油机采用的是四连杆机构，而该机型在驴头和支架上增加了一根连杆，同时驴头本身也成为一个运动杆件，因而构成独特的六连杆机构，③驴头可以相对于游梁转动，又要求其弧面始终和铅垂线相切，所以驴头弧面的轮廓曲线不再是一条圆弧，而应该是一条特殊曲线。

(2)工作原理当抽油机工作时，动力机通过皮带和减速箱机构带动游梁运动，此时，旋转驴头游梁式抽油机的游梁除了带动驴头在竖直方向上运动外，还要使驴头做相对于游梁的旋转运动，两种运动的综合作用带动抽油杆柱做上下往复运动，增加冲程并实现抽汲。(1)结构特点①普通游梁式抽油机的驴头和游梁是钢性连123(3)性能特点①优点：与常规机相比，该机型的冲程不仅具有常规机的冲程部分，而且增加了因驴头旋转而造成的冲程增加，所以具有长冲程的特点。当前我国有杆式抽油方式正向着长冲程、低冲次方向发展，在可能的条件下，将一般抽油机改造为旋转驴头游梁式抽油机，以满足长冲程采油工艺的要求，不仅经济而且可行。②缺点：整机结构复杂，制造成本高，因而发展前景受到一定的限制。(3)性能特点①优点：与常规机相比，该机型的冲程不仅1242)

游梁与复合轮综合增程抽油机如图21所示图21游梁与复合论综合增程抽油机2)

游梁与复合轮综合增程抽油机如图21所示图21游125（八）.双变径轮式抽油机该机是胜利油田工程机械总厂最近研制开发成功的一种新型抽油机,如图22、23所示.图22双变径论式抽油机1)

结构组成图23双变径轮式抽油机简图（八）.双变径轮式抽油机该机是胜利油田工程机械总厂最近研制开1262)结构特点