游梁式抽油机系统机械部分分析.doc

(完整word版)游梁式抽油机系统机械部分分析常规游梁式抽油机系统机械部分分析2009年8月6日目录21游梁式抽油机概述2一、游梁式抽油机基本种类2二、游梁式抽油机的工作原理2三、常规游梁式抽油机4常规游梁式抽油机的运动分析（下图为ppt演示文稿，请双击打开相关内容）5常规游梁式抽油机的悬点载荷计算6一、抽油机悬点载荷简介6二、悬点载荷计算6常规游梁式抽油机减速器扭矩计算9一、抽油机减速器扭矩计算9二、抽油机扭矩特性参数11常规游梁式抽油机性能分析13负载特性对电机的影响14抽油机电机的启动问题14游梁式抽油机概述随着原油和油气的产出，贮存压力减小。最终在某一点，贮存压力达到小的必需用人工举升的方式才可以产油。 游梁式抽油机 ,是一个借鉴了水井工业的理想应用。自从1925年 Trout 设计的油泵演变到现今的具有统治地位游梁是人工举升设备。历经多年的发展和完善，主要是提高其可靠性和零件的设计方法上。比如抽油杆材料从木头改变成玻璃钢和塑料加强型。一、游梁式抽油机基本种类（1）传统型传统的曲柄配重型 被广泛的接受和认可，是久经考验的油田 “战士”。支点前面是负载，后面是配重。（2）前置配重型 由于其独特的几何结构和配重特征，低转矩峰值和低动力需求。运行特点是是快速的下冲程，慢速的上冲程。减小重型负载上冲程的加速载荷。降低峰值转矩延长油杆寿命。 （3）结构紧凑型 紧凑结构的设计防便用于经常移动的工作方式或者城区的应用，很多部件在工厂已经完成安装。（4）气压配重型 应用压缩气体替代沉重的铸铁配重块并且可以更精确得控制配重。大大的减轻了系统地重量，运输和安装费用明显降低。气压配重独特的优点在于更大的增大冲程，而对于铸铁配重结构来说将是非常庞大难于实现。（5）游梁配重型 配重块安装在游梁的另一端，是一种适合浅井应用的经济型。游梁式抽油机彩图（从左到右依次为（1）（5）二、游梁式抽油机的工作原理游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面驱动装置，它由动力机、减速器、机架和连杆机构等部分组成。减速器将动力机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动;曲柄轴的低速旋转圆周运动由连杆机构变为驴头悬绳器的上下往复直线运动，从而带动抽油泵进行抽油工作。游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种，基本结构如图1所示：图1 常规游梁式抽油机基本机构图1刹车装置2一电动机3一减速器皮带轮4一减速器5一动力输入轴6一中间轴7一输出轴8一曲柄9一曲柄销10一支架11一曲柄平衡块12一连杆13一横梁轴14一横梁15一游梁平衡块16一游梁17一支架轴18一驴头19一悬绳器20一底座常规游梁式抽油机型号和主要技术参数： 型号APISpec.11E额定悬点载荷减速器扭矩冲程冲次电机功率整机质量CYJ10-2.1-26HB228-213-86100262.1 1.8 1.66 9 122217.9CYJ11-2.1-26HB228-246-86110262.1 1.8 1.66 9 122217.9CYJ6-2.5-26HB228-133-10060262.5 2.1 1.86 9 1218.513.8CYJ8-2.5-26HB228-173-10080262.5 2.1 1.86 9 123015.5CYJ10-2.5-26HB228-213-100100262.5 2.1 1.86 9 123016.4CYJ10-3-26HB228-213-120100263.0 2.5 2.16 9 123017.9CYJ10-2.1-37HB320-213-86100372.1 1.8 1.66 9 123017.9CYJ12-2.5-37HB320-256-100120372.5 2.1 1.66 9 123718.5CYJ10-3-37HB320-213-120100373.0 2.5 2.16 9 123018.1CYJ12-3-37HB320-256-120120373.0 2.5 2.16 9 123719.5CYJ10-3-53HB456-213-120100533.0 2.5 2.16 9 124521.0CYJ12-3-53HB456-256-120120533.0 2.5 2.16 9 124523.0CYJ14-4.2-53HB456-305-168140534.2 3.6 3.16 9 125526.6CYJ14-3.6-73HB640-305-144140733.6 3.1 2.76 9 125525.0特点：1、所有技术参数完全符合美国石油学会(API)标准11E中的规定。2、整机结构合理、工作平稳、噪音小、操作维修方便。3、游梁选用箱式结构或宽翼缘工字钢结构，强度高、刚性好、承载能力大。4、减速器采用人字型渐开线或双圆弧齿轮，加工精度高，承受能力强，使用寿命长。5、中央轴承座和横梁轴承座其轴承选用中宽系列滚子轴承，密封性好、承受能力强；横梁轴承及 曲柄销轴承采用调心轴承结构，以降低安装造成的误差和抽油机运转时的振动。6、驴头可选用侧转式、吊挂式、上翻式或自让位结构形式。7、机架采用塔式结构，稳定性好，便于现场安装，大型机机架则采用活动收缩式结构，便于包装运输。8、曲柄平衡重采用齿轮齿条传动，调整轻便、准确。9、刹车采用内涨式或外抱式结构并配有保险装置，操作灵活、制动迅速、安全可靠。10、底座固定备有压板式和地脚螺栓式，可供用户选用。11、吊绳可选用不旋转钢丝绳，避免吊绳打扭现象。12、胶带可选用普通V带或联组窄V带。三、常规游梁式抽油机在石油采油过程中对常规游梁式抽油机的应用已有上百年的历史，由于其结构简单，平衡性、稳定性突出等特点而被延用至今。我国生产的抽油机按照抽油机承受的悬点额定载荷主要分为2、3、5、8、10、12、14、16等型，每种型式的抽油机又按照不同冲程、曲柄轴额定扭矩分为多种规格的机型。近几年随着计算机应用技术的不断提高，优化设计方法也被广泛应用于抽油机的设计中，使得抽油机设计周期大大缩短，设计精度大大提高，抽油机的规格和类型也更加多样化。目前，国内油田广泛使用、有代表性的常规游梁式抽油机主要是CYJIO系列机型，为了满足系统设计要求（电动机驱动功率37KW45KW，转速950980传/分钟的设计要求），在此我们选用CYJIO-3-53HB型抽油机，该型机主要由兰石厂和大庆总机械厂生产，主要技术指标如表1所示：技术参数规定参数悬点最大载荷（kN）100冲程(m)2.1，2.5，333冲次(min-1)6，9，12减速器额定扭矩（kN.m）53动力驱动功率(kw)45平衡方式曲柄平衡曲曲柄异相角(o)0结结构不平衡重(kN)3.5曲柄旋转方向(井口在右侧)逆时针曲柄旋转半径(m)1.150，0.985，0.820电动机转速（转/min）972由公式Pmax=Tmax来确定电动机转速，其中Pmax为驱动功率，为角速度，Tmax代表减速器额定扭矩。表1 CYJIO-3-53HB型抽油机技术参数 常规游梁式抽油机结构尺寸示意图前臂长:a=3.0m;后臂长:b=2.4m;连杆长:L=3.350m;支架高:H=5.290m; 减速器输出轴中心高:G=2.020m;水平中距:I=2.300m;曲柄旋转半径:OR=1.15Om。常规游梁式抽油机的运动分析（下图为ppt演示文稿，请双击打开相关内容）常规游梁式抽油机的悬点载荷计算一、抽油机悬点载荷简介当游梁式抽油机通过抽油杆的上下往复运动带动井下抽油泵工作时，在抽油机的驴头悬点上作用有下列几类载荷：(1)静载荷 包括抽油杆自重以及油管内外的液体静压作用于抽油泵柱塞上的液柱静载荷。(2)动载荷 由于抽油杆柱和油管内的液体作非匀速运动而产生的抽油杆柱动载荷以及作用于抽油泵柱塞上的液柱动载荷。(3)各种摩擦阻力产生的载荷 包括光杆和盘根盒间的摩擦力、抽油杆和油液间的摩擦力、抽油杆(尤其是接箍)和油管间的摩擦力、油液在杆管所形成的环形空间中的流动阻力、油液通过泵阀和柱塞内孔的局部水力阻力，还有柱塞和泵筒之间的摩擦阻力。抽油机有杆泵运动1个周期内的4个阶段1抽油杆; 2油管; 3泵筒有杆泵的具体运行过程：1.电机提供动力给齿轮箱。齿轮箱降低输出角速度同时提高输出转矩。2.曲柄逆时针转动同时带动配重块。曲柄是通过联接杆连接游梁的，游梁提升和沉降活塞。驴头在最低位置的时候，标志着下冲程的止点。可以注意到曲柄和连接杆此时在一条直线上。3.上冲程提升驴头和活塞，随之油背举升。在上止点，所有的铰链在一条直线。这种几种结构局限了连接杆的长度。4.活塞和球阀。球阀是液体流动驱动开闭的。 上冲程中，动阀关闭静阀开启。活塞上部的和内部的液体从套管中被提升出去，同时外部液体补充进来。下冲程，动阀开启阀法关闭。液体流入活塞而且没有液体回流油井。二、悬点载荷计算 -悬点静载荷; -悬点动载荷;（1）悬点静载荷 1.抽油杆自重计算在上下冲程中，抽油杆自重始终作用于抽油机驴头悬点上，是一个不变的载荷，它可以用下列式子计算:-抽油杆自重，kN; -抽油杆总长度，m;-抽油杆的截面积，m2;重力加速度，9.81N/kg2;-抽油杆的密度，kg/m3;-每米抽油杆自重，kN/m。对于组合杆柱,如果级数为K,则可用下式计算:= -第i级抽油杆住每米自重,KN/m;-第i级杆柱长度与总长之比值;由于抽油杆全部沉没在油管内的液体之中，所以在计算悬点静载荷时，要考虑液体浮力的影响。用代表抽油杆柱在液体中的自重，则它可以用下式计算:=(1-0.127)*其中，-井液密度,t/;-液体中抽油杆自重; 2. 作用于柱塞的液柱静载荷计算作用于柱塞上的液柱载荷随着抽油泵阀门开闭状态的不同而变化。下冲程时，柱塞上的游动阀是打开的，柱塞上下连通。若不计井液通过游动阀和柱塞孔的阻力，则柱塞上下的井液压力相等，作用于柱塞上的液柱载荷等于零。上冲程时，游动阀关闭而固定阀打开，柱塞上下不再连通。柱塞上面的液体压力等于油管内液体静压力，而柱塞下面的液体压力，忽略液体通过固定阀时的阻力，等于油管外动液面以下液柱的静压力。这一压力差在柱塞上产生液柱载荷（单位kN）： = *g*(-h)* =*g* 式中，-作用于柱塞的液柱载荷;-井液密度,t/;g-重力加速度,g=9.81m/;-抽油杆总长或挂泵深度,m;h-泵的沉没深度,m;-油井动液面深度,m-泵的柱塞面积，3.悬点静载荷计算上冲程时，悬点静载荷等于上述两项载荷之和，则有: = + 下冲程时, 悬点静载荷等于抽油杆柱在液体中的自重,则有： = （2）悬点动载荷1.抽油杆柱动载荷抽油杆和液柱在非匀速运动过程中产生惯性力而作用于抽油机悬点上的载荷称为动载荷。惯性力的方向与加速度方向相反。在抽油机系统中，我们规定取向上加速度为正，即取向下的载荷为正。忽略抽油杆的弹性，将其视为一集中质量，则抽油杆柱动载荷就等于抽油杆质量与加速度的乘积。 = （）= -抽油杆柱动载荷；-悬点静载荷;-悬点加速度(驴头圆弧切向加速度);g-重力加速度,g=9.81m/;- 曲柄角速度;-曲柄转角; -抽油杆总长度，m;-抽油杆的截面积，m2; -抽油杆的密度，kg/m3;-扭矩因数,m;代表单位悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩.=； v-悬点速度;- 曲柄角速度;2.油液柱动载荷忽略液体的可压缩性。则液柱动载荷就等于液柱质量与液柱运动加速度的乘积。但由于油管内径与抽油泵直径不同，故抽油杆与油管形成的环形空间中液体的运动速度和加速度不等于抽油泵柱塞的运动速度和加速度(当忽略抽油杆的弹性时，柱塞泵的运动速度和加速度等于悬点运动速度和加速度)，为此引入加速度修正系数。其中，-泵的柱塞面积，；-抽油杆的截面积，m2; 用油管内径计算的流通面积，m2;作用下柱塞环形面积上的液柱重量，kN;3.悬点动载荷计算上冲程时悬点的动载荷等于抽油杆的动载荷和液柱动载荷之和。下冲程时，液体的运动速度和加速度很小，其动载荷可以忽略不计，故常规游梁式抽油机减速器扭矩计算7一、抽油机减速器扭矩计算减速器扭矩指的是游梁式抽油机在减速器输出轴(也称曲柄轴)上实际产生的扭矩。其大小和悬点载荷、冲程长度、抽油机四杆机构杆长比值以及抽油机的平衡状况有关。现以曲柄平衡的游梁式抽油机为例来推导曲柄轴扭矩的一般计算公式(见下图所示)。按照习惯，当曲柄连杆机构施加于输出轴上的扭矩方向与曲柄轴的旋转方向一致时(主动力矩)，扭矩为负值;相反时，扭矩为正值(阻力矩)。抽油机扭矩计算图为便于计算，现将下列符号设定为:摆动部件自重(游梁、驴头、横梁等)，kN;摆动部件重心至游梁支承的距离，m;摆动部件的转动惯量，103kgm2;作用于驴头悬点的载荷，kN;游梁与水平线之间的夹角;游梁转动的角加速度，;曲柄处于水平位置时平衡重与曲柄自重对减速器输出轴中心的力矩，kNm;平衡相位角，即曲柄轴中心到平衡重重心之连线与曲柄半径R的夹角，由R到连线按旋转方向度量;四杆机构的传动效率，=0.920.96。摆动部件自重可以转化为作用于悬点处的载荷B，B称为游梁式抽油机的结构不平衡重。在抽油机中规定:当摆动部件重心位于游梁后臂上时，B为正值;重心位于前臂上时，B为负值。B值可以用以下方法测定:将连杆曲柄销从曲柄上脱开，在悬点处施加一铅垂方向的力，使游梁保持水平位置;测量所施加的力，即为B值，单位是kN如果该力向下，B为正值;该力向上，B为负值。悬点载荷与结构不平衡重的差值称为纯光杆载荷。根据虚位移原理，当忽略四连杆中的摩擦损失以及摆动部件的转动惯性时，纯光杆载荷在曲柄轴上产生的扭矩为:式中，纯光杆载荷扭矩，kNm;悬点速度，m/S;曲柄角速度，1/s;扭矩因数，m;代表单位悬点载荷在曲柄上产生的扭矩。因=常数，故随曲柄转角的变化规律与悬点速度的变化规律一致。如果计及四连杆机构的摩擦损失和摆动部件的转动惯性，再加上曲柄平衡扭矩，则在曲柄上的净扭矩的一般计算公式为:式中:m为指数; 0时，m=-1; 0时，m=l。上式虽是针对曲柄平衡的游梁式抽油机的，但也可适用于复合平衡梁平衡和曲柄平衡组合)以及纯油梁平衡抽油机。对于复合平衡抽油机，可将游梁平衡重的效应纳入结构不平衡重之中。式中，游梁平衡重重量，kN;游梁平衡重重心到游梁支承中心的距离，m 。对于纯游梁平衡重，可令式中的=0 。利用公式计算时，需要知道转动惯量的数据。实际计算时，动惯量在曲柄轴上产生的扭矩对净扭矩的影响不大，工程计算时可以忽略。在大多数有关抽油机的文献中，均不计四连杆机构摩擦的影响而取=1; 净扭矩的计算公式进一步简化为:但是，四杆机构的效率，对净扭矩的影响相当大。=0.93与=1相比较，最大扭矩增加了21%。因此，在计算减速器扭矩时，还是考虑抽油机四连杆机构效率为好。由减速器扭矩计算的一般公式可知:在曲柄旋转一周的过程中，减速器扭矩随曲柄转角作周期性的变化，其变化规律可用扭矩曲线来表示。曲柄平衡的游梁式抽油机的减速器净扭矩是由载荷扭矩与曲柄平衡扭矩两部分组成，所以在扭矩曲线图上往往绘有3条扭矩曲线:载荷扭矩曲线、平衡扭矩曲线及净扭矩曲线。对于纯游梁平衡的游梁式抽油机，由于在扭矩计算的一般公式中没有曲柄平衡扭矩这一项，在扭矩曲线上只有一条净扭矩曲线。利用扭矩计算的一般公式，作出-数据表，即可绘制出扭矩曲线。常规机曲柄轴净扭矩曲线常规游梁式抽油机性能曲线的特征值其中:-悬点速度；-悬点加速度；-扭矩因数；-工作载荷扭矩；-曲柄轴净扭矩。二、抽油机扭矩特性参数可以用一组数据来描述游梁式抽油机减速器的扭矩特性，称为扭矩特性参数。主要的扭矩特性参数有以下几个:平均扭矩；最大扭矩；最小扭矩；均方根扭矩和周期载荷系数。1. 平均扭矩曲柄转动一周中的平均扭矩可以用下式求得:其中，-等分区间数; -瞬时扭矩值。由于曲柄平衡扭矩在曲柄旋转一周中的平均值为零，所以它对平均扭矩不发生丝毫影响，也就是说，曲柄平衡抽油机的减速器平均扭矩与抽油机的平衡程度无关，是一个不变量(当抽油机工况一定时)。不论是上冲程还是下冲程，其起始状态和终了状态的速度均为零，因摆动体的惯性所产生的惯性扭矩在一个冲程内的平均扭矩亦必然等到于零，所以曲柄轴的平均扭矩与惯性扭矩无关。这样，曲柄轴的平均扭矩可用下列式计算:2. 最大扭矩曲柄转动一周中净扭矩的最大值称为最大扭矩。与平均扭矩几不同，最大扭矩一般发生在上冲程或下冲程的中部。但由于载荷扭矩变化规律的复杂性，最大扭矩也可能发生在冲程的其它任一位置上。没有一般的分析表达式可以计算各种不同平衡程度下的及其所处的曲柄转角，只能根据数据表或净扭矩曲线确定。是一个很重要的扭矩特性参数。无论是进行游梁式抽油机选型，还是在运转过程中对抽油机进行诊断都要用到这个参数。3. 最小扭矩曲柄转动一周中净扭矩的最小值称为最小扭矩。它同样既受载荷扭矩的影响，也受到平衡扭矩的影响。在许多情况下，往往小于零。小于零的净扭矩称为负扭矩。负扭矩一般出现在冲程的末尾。的数值及其发生时的曲柄转角也只能根据数据表或净扭矩曲线来确定。负扭矩的存在意味着能量传递发生倒流，即能量不是由电动机向曲柄轴传输，而是由曲柄轴向电动机传输，使电动机处于发电运行状态。负扭矩一方面使电动机的平均效率和功率因数降低，另一方面使齿轮传动产生冲击载荷，所以，在设计和使用抽油机时，应力求加大，避免或减小负扭矩(绝对值)。4. 均方根扭矩和周期载荷系数当假定电动机的电流与其轴上扭矩成正比关系时，用均方根扭矩代替变化的实际扭矩作用于电动机轴上，可保持电动机的发热状态相同。所以，均方根扭矩是选择电机额定功率的依据，是一个重要的扭矩参数。影响Tmax的各种因素如平衡扭矩、抽油机机构几何关系以及油井工况等都同样影响。均方根扭矩与平均扭矩之比称为抽油机的周期载荷系数。亦是表示抽油机减速器扭矩变化均匀程度的一个参数9。越接近于1，表示扭矩变化越均匀。油井工况、抽汲参数、抽油机四连杆机构的几何关系以及平衡程度等都会影响的大小。常规游梁式抽油机性能分析游梁式抽油机结构简单、维护方便、工作可靠，这些优点使其成为普及最广的一种抽油机，但这类抽油机存在大量的不足，其缺点归纳如下:(l)由于连接是刚性的，所以动载荷大而引起冲击导致能量发生损失，运动平衡性差;(2)游梁式抽油机是惯性较大的设备，且起动时采用带载直接起动方式，这样的起动方式要求起动力矩较大;(3)游梁式抽油机是一个机、杆、泵系统，抽油杆在运动过程中的弹性变形对系统效率的影响是不能忽视的。过长的抽油杆在运动过程中弹性变形己经很明显，尤其是在换向加速度大时，抽油杆变形更大。这种变形使杆与泵内的活塞运动规律产生很大差异。在大多数情况下，抽油杆的弹性变形减少了活塞的实际行程，即降低了抽油泵的充满系数，从而影响泵的抽满率，降低泵效，使游梁式抽油机系统效率降低。油越粘稠抽油杆的弹性变化越大，冲次较高的抽油杆的弹性变形越大，对提高泵效越不利;(4)游梁式抽油机在运行中传动角波动较大，无法保证各位置的传动角波动较大，无法保证各个位置的传动角接近900，故曲柄受力大且不均匀，造成悬点的扭矩大，峰值波动剧烈。游梁式抽油机在运行过程中，曲柄转角是时刻变化的，其平衡效果也是不同的;(5)游梁式抽油机承受一种带有冲击性的周期交变负荷，起动转矩大，在一个周期内负荷波动很大。悬点载荷造成的曲柄轴上扭矩峰值大，且为非正弦规律，而曲柄平衡重力矩是正弦规律，它与悬点扭矩差一相位，故二者无法相抵，造成曲柄上净矩峰值大，波动剧烈，甚至出现负扭矩。其扭矩曲线如下图所示:图2常规游梁式抽油机扭矩特性曲线示意图负载特性对电机的影响这些特性不仅造成了抽油机的效率低下，而且对电机运行效率造成了较大的影响：(a)带载直接起动方式使得电机选型时要求拖动电机的选择必须能满足抽油机的起动要求；(b)从装机功率来说，扭矩峰值大为了保证抽油机的正常运转，且具有足够的过载能力，势必要选择较大功率的电机及大扭矩的减速器。这种大电机，大峰值电流的配套方案必然导致电机自身损耗和电路损耗的增大，电机负荷极不匹配，这也就是俗称的“大马拉小车”现象，这使得电机在运行过程中，大多数情况下，都处于轻载状态，负荷率很低，电动机的运行效率和功率因数也很低，不仅能量消耗大，且造成电网供电质量变坏；(c)扭矩波动剧烈，甚至出现负扭矩的情况，使得电机在一个冲次内存在两端发电状态，电动机电流不断变化，电机交替运行于一段较长的电动状态和一段较短的发电状态下，且发电情况与平衡有关，平衡效果较差，发电阶段约长，平衡效果较好时发电阶段越短，从电动机原理上看，在电动和发电状态之间频繁转换使电机处于运行效率较低的阶段；这便是抽油机电机效率普遍偏低的原因，对电机改造一个有效途径是寻找一种性能优于传统异步电机的电机，将其用在抽油机上，取代传统异步机作为抽油机的动力源。抽油机电机的启动问题抽油机要求电机的启动转矩大，抽油机都是带载启动，每次启动时抽油机都要从冲程的死点，即最大负荷扭矩处开始启动，加之抽油机系统惯性大，启动时间长为了电机的顺利启动，客观上要求电机启动性能好。人们在选择电机时考虑各种意外情况又人为地加大了裕量，“大马拉小车”这个问题更加突出；为了防止井下异常工况如砂卡、蜡卡等造成停车，修井以后油井负荷一般大副增加而尽量不更换电机，油井供电变压器容量小，启动时线路压降大另外电力网电压随季节等因素波动，电压低时经常启动困难，为了减少停井时间希望抽油机启动顺利，又人为的增加了电机功率定额。泵吸入压力以及动液面的计算充满度对示功图的影响【7】邹亦炯、刘卓钧、赵贵祥等:抽油机，石油工业出版社，1994【8】万仁溥等:机械采油技术，机械设计手册第四分册，石油工业出版社【9】Joe Chastain: How to Pump More for Less With Extrahigh一slip Motors.Theoil&GasJournal，March，1968.