维普资 http: //www.cqvip.com 第25卷第5期 石油钻采工艺 Vol.25 No.5 2003年10月 OIL DRILLNG& PRODUCTION TECHNOLOGY Oct.2003 调径变矩抽油机运动学及动力学特性分析 李明忠许建国 尚绍福吴征 刘文升 (石油大学,山东东257061)(吐哈油田公司,新疆部善838202)(华北油田公司,河北任丘062552) 摘要调径变矩抽油机是在前置式游梁抽油机上采用新型平衡方案的一种节能型抽油机,其特点是取消了曲 柄平衡,将传统的直游梁设计成3段折线的弯形游梁根据该抽油机的结构特点及运动特征,推导了其悬点速度、 加速度以及曲柄扭矩等计算方程,以CYJ8-3-26HY型抽油机为例进行了模拟计算,并与CYJ8-3-48B型抽油机 相关参数进行了对比,借以分析其运动学和动力学特性,为调径变矩抽油机一深井泵素统的生产参数合理配置提 供了理论支持。 关键词调径变矩抽油机运动学动力学特性 调径变矩抽油机是在前置式游梁抽油机上采用 新型平衡方案的一种节能型抽油机12。其显著特 点是取消了曲柄平衡,将传统的直游梁设计成3段 折线的弯形游梁。该机游梁分解为二折形的游梁体 和直线形的吊臂,吊臂后端悬挂配重箱,通过调节吊 臂与游梁后臂之间的夹角和吊臂配重可调整抽油机 的工作状态。 H 由于厂商没有给出该机的具体运动学和动力学 特性,在进行油井生产参数设计时只能借用常规游 梁式抽油机的相关规律进行,造成较大的误差。本 研究推导了该型抽油机悬点速度、加速度及曲柄扭 矩等计算方程,经模拟计算并与常规抽油机相关参 数进行对比研究了其基本特性,为有杆抽油系统生 围1调径变矩抽油机运动及结构简 产参数的合理配置提供了理论依据。 B=s-[(C2+2-2)/(2CL) 1悬点速度、加速度 于是 _sina. R. de Uesinp'K (2) 悬点速度 设游梁处于水平位置时摆角8=0°,且向上为 正,向下为负。规定:面向抽油机,井口在右,曲柄位 UA-AR. sing deTF. (3) 于6点钟位置时转角=0°,曲柄逆时针旋转为正。 若抽油机驱动电机为低转差率电动机,则曲柄 调径变矩抽油机运动及结构见图1。根据平面旋转角速度可视为常数,式(3)可简化为 运动求解规则和速度的平行四边形法则,有 n (4) sinB 悬点加速度为速度对时间的导数 _dus_d.- (5) a=2π-(p+y+1) 将(4)式代入(5)式并简化得 作者简介:李明志,1963年生。1984年毕业于华东石油学院采油工程专业,中国矿业大学北京区工程力学专业在读博士生现在石油工 程学院从事科研与教学工作,教授电话:0546-83937m
第 25卷 第 5期 2003年 10月 石 油 钻 采 工 艺 O D ⅡU & PR(]iD【 0 ，I】 oGY V．01．25ND．5 Oct． 20o3 调径变矩抽油机运动学及动力学特性分析 李明忠 许建国 (石油大 学，山东东营 257061) 尚绍福 吴 征 (吐哈 油田公 司，新疆 鄙善 838202) 刘文升 (华北油 田公 司，河北任丘 062552) 摘要 调 径变矩抽 油机是在前 置式游梁抽 油机上 采用新 型平 衡方案 的一种 节能 型抽 油机 ，其特 点是 取 消 了曲 柄平衡 ，将传 统的 直游 梁设计 成 3段折 线的 弯形游梁 。根据 该抽 油机的结 构特 点及运 动特 征，推导 了其悬 点速度 、 加速度 以及 曲柄扭 矩等计 算方程，以 CY】8—3—26HY型抽油机 为例进 行 了模拟 计算，并 与 CYJ8—3—48B型抽 油机 相 关参数 进 行 了对比，借以分析 其运 动学 和动 力学特性 ，为调 径 变矩抽 油机一深 井 泵 系统 的生 产参数 合理 配置提 供 了理 论 支 持 。 关键 词 调径 变矩 抽 油机 运动学 动 力学 特性 调径变矩抽油机是在前置式游梁抽油机上采用 新型平衡方案 的一种节能型抽油机【1]。其显著特 点是取消了曲柄平衡，将传统 的直游 梁设 计成 3段 折线的弯形游梁。该机游梁分解为二折形的游梁体 和直线形的吊臂，吊臂后端悬挂配重箱，通过调节 吊 臂与游梁后臂之间的夹角和吊臂配重可调整抽油机 的工作状态。 由于厂商没有给 出该机的具体运动学和动力学 特性 ，在进行 油井生产参数设计 时只能借用常规游 梁式抽油机的相关 规律进行，造成较大 的误差 。本 研究推导了该型抽油机 悬点速 度、加速 度及 曲柄扭 矩等计算方程，经模拟计算并与常规抽 油机相关参 数进行对 比，研究了其基本特性，为有杆抽油系统生 产参数 的合理配置提供 了理论依据。 1 悬 点速度 、加速度 设游梁处 于水平 位置时摆角 =0。，且 向上为 正，向下为负。规定 ：面向抽油机，井 口在右 ，曲柄位 于 6点钟位置时转角 =0。，曲柄逆时针旋转为正 。 调径变矩抽油机运动及结构见 图 1。根据平面 运动求解规则和速度的平行 四边形法则，有 VR ·008 f、 30 ，c一口一卢)， = ·008(、 号‘- 一卢，) VR·sinf、 03，c一口一卢)， 一VL·sin、 _ 一’卢，)= (1) 口=2n一(卢+’!+ 1) 图 1 调 径 变 矩 抽 油 机 运 动 及 结 构 简 图 卢=008一[(C +L 一j2)／(2CL)] 于是 = ·R·dO (2) 悬点速度 ‘ = · · ： 一 · 一dO ’ ’一dt IF。一dt (3_j) 若抽油机驱动电机为低转 差率 电动机，则曲柄 旋转角速度可视为常数，式(3)可简化为 = 堡一C ·’s'ma·。叫：一TF·’叫 (【4)) 悬点加速度为速 度对时间的导数 口 = 口A dTF · (5))J 将 (4)式代 入 (5)式 并 简化 得 怍者简介 ：李明忠，1963年生。 1984年毕业于 华东石油学院采油 工程专生，中国矿业大 学北京校 区工程 力学专业 在读博士 生，现在 石油工 程学院从事科 研与教 学工作，教授 。电话 ：0546—8393777。 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯htp/www.cqvip.com 石油钻采工艺2003年10月(第25卷)第5期 AR.cosa·sinB da-cosB.sina d8 2曲柄轴扭矩 根据图1所示抽油机运动简图,忽略抽油机自 身运动部件的惯性力,考虑吊臂配重惯性力,并忽略 由文献[2]知 自身运动部件的质量,对游梁转轴取力矩平衡得 da k sin y (P-B)·A-FL·C·sinB= dB_KR,sin(中-6) b rcos( arccos B+8)+W. A4 r(10) B=L3+L2·(-cos△)+L1·cos(△+y) 将(7)式、(8)式代入(6)式,即可得到悬点的加 速度公式 √B2+[L2sin△-L1sin(△+y)]2 ARK 由于没有曲柄平衡重,对曲柄轴取力矩平衡得 ∞ sa.sinr+a,psin(卓-6) CL sinr TR=F1R·sina (11) 联立(10)式、(11)式,可得曲柄轴净扭矩表达式 M4=示,P一B.W[(m+)-] (12) 若考虑四连杆机构的传动效率,(12)式可表示为 M=T·}P-B-Wb cosarccos+δ (13) 式(13)中,游梁摆角δ也是曲柄转角的函数,根 一调径变矩抽油机 据抽油机的结构尺寸及运动特征可得 常规抽油机 R·sin(8-π/2)+L·sin[π/2-(a-)] (14) 垣0.5 将(4~14)式变形并整理得 H-G+Rc66-L·cs(a-0) 060120180240300360 曲柄转角°) (15) 图2悬点速度曲线 联立(13)、(15)式即可得到曲柄轴净扭矩随曲 一调径变矩抽油机 柄转角的变化规律。 常规抽油机 实例计算与分析 油井抽油机泵挂深度1500m,采用杆式泵进行 段00 生产,泵径44mm,一级抽油杆,杆径2mm,D级杆, 动液面深度1100,抽汲液体密度0.95×103kg/m3, 气液比为0,油管内径62mm 060120180240300360 曲柄转角/(°) 用前述模型,对CY8-3-26HY型调径变矩抽 图3悬点加速度曲线 油机与CY8-3-48B型常规抽油机在3m冲程、6 50 /min冲次工况下的悬点速度、加速度、曲柄轴扭 调径变矩抽油机 40 常规抽油机 矩进行了计算,悬点载荷的计算只考虑静载荷及惯 性载荷,常规抽油机以12点钟位置为“0”点,顺时 针方向旋转为正,相关模型取自文献[4],对比结果 分别见图2、图3图4和表1所示。 由图2~图4和表1可看出,调径变矩抽油机与 曲柄转角K°) 常规抽油机相比具有以下特点: 图4曲柄轴净扭矩曲线
石油钻采工艺 2003年 10月(第 25卷)第 5期 AR · ． da (6) 由文献[2】知 dO=L · (7) siIl d = CL· sin ㈥、 将(7)式 、(8)式代 入(6)式，即可得到悬 点的加 速度公式 口 A = ARK ‘ [oosa‘SiIl+ ‘唧‘sin(一)]‘ 2 曲柄轴扭矩 根据 图 1所示抽油机运 动简 图，忽略抽油机 自 身运动部件 的惯性力，考虑吊臂配重惯性力，并忽略 自身运动部件的质量，对游梁转轴取力矩平衡得 (P—B )‘A—FL‘C‘sinp= oos (arcoos+)+Wb· ·r·r(10) B=L3+L2·(一cosA)+Ll·cos(A+7) r=,／B +[L2·sin△一Ll·sin(△+7)】 由于没有 曲柄 平衡重，对曲柄轴取力矩平衡得 丁·R =FL·R·sina (11) (9) 联立(10)式 、(11)式，可得曲柄轴净扭矩表达式 M=丁·R=而·{P-Bw-·r·[oos(arcoos+)一r·警]} c·2) 若考虑四连杆机构的传动效率，(12)式可表示为 M=而·{P-Bw-·r·[oos(arcoos+)一r·警]}‘ c·3 式 (13)中，游梁摆角 也是 曲柄转角的函数，根 据抽油机的结构尺寸及运动特征 可得 R·sin( 一 2)+L·sin[ 2一(口一 )】 — — C ·sina= H — G (14) 将(4～14)式变形并整理得 = 一 [H二 (15) 联立(13)、(15)式即 可得 到 曲柄轴 净扭矩随 曲 柄转角的变化规律。 3 实例 计算与 分析 油井抽油机 泵挂深 度 1500m，采用杆式 泵进行 生产，泵径 44rr~，一级抽油杆，杆径 22znrn，D级杆， 动液面深度 1100m，抽 汲液 体密度 0．95×103kg／ms， 气液 比为 0，油管内径 62n'rn。 用前述模型，对 (=Y丁8—3—261-IY型调径变矩抽 油机与 CY丁8—3—48B型常规抽 油机在 3m冲 程、6 次／min冲次工况下 的悬点速 度 、加速 度、曲柄 轴扭 矩进行 了计算 ，悬点载荷 的计 算 只考虑静 载荷 及惯 性载荷【引，常规抽油机 以 12点钟位置为“0”点，顺时 针方向旋转为正，相关模 型取 自文献 [4】，对 比结果 分别见图 2、图 3、图 4和表 1所示 。 由图2～图 4和表 1可看 出，调径变矩抽油机与 常规抽油机相 比具有以下特点： 1．2 0．8 鑫0．4 0．0 ． 0．4 50 40 30 20 l0 0 10 曲柄 转角，(。) 圈 2 悬 点 速 度 曲 线 0 60 120 180 240 300 360 曲柄 转角，(。) 图 3 悬 点 加 速 度 曲线 0 6O． 12O 180 240 300 360 曲柄转 角，(。) 图 4 曲柄 轴 净 扭 矩 曲 线 ， 辑贻 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯htp:/www.cqvip.com 李明忠等:调径变矩抽油机运动学及动力学特性分析 表I曲柄轴净扭矩对比参数 L3游梁后臂直段长 参数 调径变矩抽油机常規抽油机 吊臂配重旋转半径 最大净扭矩/kNvm T—减速箱输出轴作用在曲柄销处的切线力 方根扭矩/kNm TF—扭矩因数; 扭矩波动系数 最大电机功率/kW 悬点摆动线速度 (1)调径变矩抽油机速度曲线与常规抽油机相v—游梁与连杆连接轴承处摆动线速度 比更接近正弦曲线速度变化平稳悬点加速度相对 连杆与游梁连接轴心点绕曲柄轴旋转的线速 较小,这种特点有利于降低悬点的惯性载荷,减小抽 度; 油机机身的振动增加整个抽汲系统工作的稳定性。—曲柄轴旋转线速度 (2)在相同的抽汲工况下,与常规抽油机相比, 吊臂配重 调径变矩抽油机峰值扭矩小,均方根扭矩小,净扭矩a——按顺时针方向从曲柄量到连杆的夹角; 曲线波动小,且消除了负扭矩,其平衡效果远好于常—游梁与连杆的夹角 规抽油机,可有效延长抽油机和驱动电机的寿命;其△—游梁后臂固定夹角; 装配电机功率小于常规抽油机,有一定节能效果。y吊臂与游梁后臂弯曲段夹角; 01—曲柄与机架的夹角,01=中-0; 结论 (1)与常规抽油机相比调径变矩抽油机采用前—机架位置角,∮=180+如an 置式结构取消了曲柄平衡,结构更简单,调节平衡曲柄旋转角速度,=d/d,常数; 和维修保养更方便。 ——四连杆机构的传动效率; (2)该机的弯曲游梁后臂设计可针对不同悬点 架与游梁的夹角。 载荷实现最佳平衡,具有较高的动态平衡率,可完全 消除负扭矩,防止减速箱齿轮的背面冲击。 (3)在相同抽汲工况下,与常规抽油机相比,调1张学鲁,季样云,罗仁全祷果式抽油机技术与应用北 径变矩抽油机曲柄轴净扭矩峰值与均方根值均较 京:石油工业出版社,2001:117~120 小,使装配电机功率变小,且抽油机受力状况得到了 [2]高长乐,罗仁全,柳本民,赵冬梅.游梁式抽油机新型平 衙方蒙的研究,新疆石油学院学报,200,12(4):50~52 改善,有助于延长抽油机和驱动电机的使用寿命。 [3]董世民,张世军.抽油机设计计算与计算机实现.北京: 符号·说明 石油工业出版社,1994:37-40 4]彭如苗.旋转驴头的悬点加連度公式.石油矿场机槭, A—游梁前臂长 B——游梁处于水平位置时吊臂配重有效力臂; 1988,17(1):17-19 B—抽油机结构不平衡重; (收稿日期200307.22) C游梁转轴至连杆轴承长度 (修改稿收到日期20030808) D—曲柄轴与连杆轴承间距离; 〔编辑姚晓喻〕 FL—连杆拉力 G曲柄轴与底座间距离 曲柄轴与游梁转轴间水平距离; J——曲柄销与游梁转轴的距离 K——基杆长度; k——指数(F>0时,k=-1;TF<0时,k=1); L—连杆长度; L1吊臂长; L2游梁后臂弯曲段长
李 明忠 等 ：调 径变矩 抽 油机 运 动 学及 动 力学特 性 分 析 表 i 曲柄轴净扭矩 对比参数 (1)调径变矩抽油机速 度曲线与常规抽油机相 比更接近正弦曲线 ，速度变化平稳，悬点加速度相对 较小，这种特点有利于降低悬点的惯性载荷，减小抽 油机机身的振动，增加整个抽汲系统工作的稳定性 。 (2)在相 同的抽汲工况 下，与 常规抽油机相 比， 调径变矩抽油机峰值扭矩 小，均方根扭矩小，净扭矩 曲线波动小，且消除了负扭矩，其平衡效果远好于常 规抽油机，可有效延长抽油机和驱动 电机的寿命 ；其 装配电机功率小于常规抽 油机，有一定节能效果。 4 结论 (1)与常规抽油机相 比，调径变矩抽油机采用前 置式结构，取消了曲柄平 衡，结 构更简单，调 节平衡 和维修保养更方便。 (2)该机 的弯 曲游 梁后臂设计 可针对不同悬点 载荷实现最佳平衡，具有较高的动态平衡率，可完全 消除负扭矩，防止减速箱齿轮的背面冲击。 (3)在相 同抽汲工况下，与常规抽油机相 比，调 径变矩抽油机 曲柄轴 净扭矩 峰值 与均方 根值均 较 小，使装配电机功率变小，且抽油机受力状况得到 了 改善，有助于延长抽油机和驱动 电机的使用寿命。 符 号 ’说 明 A—— 游 梁前 臂 长 ； B——游梁处于水平位置时吊臂配重 有效力臂 ； B，——抽油机结构不平衡重 ； C——游梁转轴至连杆轴承 长度 ； D—— 曲柄轴与连杆轴承 间距离 ； Fl—— 连杆 拉 力 ； G—— 曲柄轴与底座 间距离 ； 卜一 曲柄轴与游梁转轴间水平距离 ； — — 曲柄销与游梁转轴的距离 ； K——基杆长度 ； 愚——指数(TF>0时，k=一1；TF<0时，k=1)； L——连杆长度 ； L，—— 吊臂长 ； L2——游梁后臂弯 曲段长 ； L3——游梁后臂直段长 ； r— — 吊臂配重旋转半径； 卜 减速箱输出轴作用在 曲柄销处的切线力 ； — — 扭矩 因数 ； A——悬点摆动线速度 ； — — 游梁与连杆连接轴承处摆动线速度 ； — — 连杆与游梁连接轴心点绕 曲柄轴旋转的线速 度； "OR—— 曲柄轴旋转线速度 ； — — 吊臂配重 ； a — — 按顺时针方 向从曲柄量到连杆的夹角 ； — — 游梁与连杆的夹角 ； △——游梁后臂 固定夹角 ； y—— 吊臂与游梁后臂弯曲段夹角 ； 1—— 曲柄与机架的夹角， 1= 一 ； r — — 机架位置角， =180。+tanI1 ； — — 曲柄旋转角速度， =dO~dr，常数 ； 玑——四连杆机构的传动效率 ； — — 机架与游梁的夹角。 参 考 文 献 [1] 张 学鲁，季祥云，罗仁全 ．游梁 式抽 油机技 术与 应 用．北 京 ：石 油 工 业 出版 社 。2001：ll7～ 12o [2] 高长 乐，罗仁全，柳本 民，赵冬梅 ．游梁 式抽 油机新 型平 衡方案的研 究，新疆 石油学院 学报 ，2000，12(4)：5o～52 [3] 董世 民，张世军 ．抽油机设 计计算 与计 算机 实现 ．北 京： 石 油 工 业 出 版 社 ．1994：37～ 40 [4] 彭如 苗．旋转驴 头 的悬点 加 速度 公式 ．石 油矿场 机械 ， 1988。17(1)：17～19 (收 稿 El期 2003-07．22) (修 改稿 收 到 El期 2003-08．08) [编辑 姚 晓喻] 维普资讯 http://www.cqvip.com