西安石油大学本科毕业设计（论文）
第4章 抽油机的平衡设计
4.1游梁式抽油机的平衡
从悬点载荷的变化规律可以看出，游梁式抽油机在整个工作循环内载荷是不均匀的。对静载荷来说，上冲程时，驴头悬点需要提起抽油杆和油柱，这时电动机要付出很大的能量。到下冲程时，抽油杆依靠自重可以下落不但不需要电动机付出能量，反而对电动机做功，使电动机处于发电的状态。因此，电动机在上，下冲程的载荷是非常不均匀的，而悬点运动的速度和加速度的变化又加剧这种不均匀。载荷的不均匀性严重影响了四杆机构，减速器和电动机的效率和寿命，也恶化了抽油杆的工作条件，使抽油杆断裂次数显著增加，所以，在梁式抽油机-抽有泵装置中必须合理的解决平衡问题，尽可能消除负功，使电动机，减速器的载荷速度均匀，以避免上述的这种缺点。
4.2 平衡的原理
平衡的判据是判断游梁式抽油机是否实现理想平衡的依据。目前有三种不同
的平衡判据：
上，下冲程电动机的输出功率相等。 （1）上下冲程内净扭矩的最大值相等。 （2）曲柄轴扭矩的均方根值相等。
本设计采用的是上下冲程电动机输出功率相等来判断抽油机的平衡。
QtRt?(Wr?'Wy'2?B)?qTrT
式中Qt，Rt分别是平衡块重和平衡块重心到曲柄转轴中心的距离;
B平衡重；
qT,rT分别为曲柄重和曲柄重心到曲柄轴转动中心的距离。
4.3 平衡重的计算
抽油机采用游梁平衡。可以用下面公式计算：
W1'aWb?(Wr?)?X?C （4-1）
2c31
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Wb………..平衡重，N；
Wr--------抽油杆在液体中的质量，N;
式中W1'--------在柱塞面积上的液柱质量，N;
a---------前臂长，m;
c--------中轴承到平衡重心的距离，m; X?C-----抽油机的不平衡重，N;
W1'a3.6
Wb?(Wr?)?X?C=(74760+21110)4.5+0.5=7.7t （4-2）
2c4.4 抽油机运动部件受力分析
4.4.1 悬点载荷
游梁式抽油机通过抽油杆柱带动井下抽油泵工作时，在抽油机驴头悬点上作
用有三类载荷：
（1） 静载荷 包括抽油杆自重以及油管内液体静压力作用于抽油泵柱塞上的液柱
静载荷；
（2） 动载荷 包括由于抽油杆柱和油柱运动所产生的惯性载荷和振动载荷； （3）各种摩擦力产生的载荷 柱塞和泵筒间，抽油杆和油管间的半干摩擦力。还有抽油杆和油柱间，油柱和油管间以及油流通过抽油泵游动阀的液体摩擦力。
在抽油机驴头悬点上下往返运动的过程中，静载是随之做周期性变化的。因此，在抽油机上下的往返运动过程中，研究静载荷是非常必要的荷和动载荷。
4.4.2 悬点静载荷
4.4.2.1 抽油机的自重
在下冲程时，抽油杆自重始终作用于抽油机驴头得悬点上，是一个不变化的载
荷，它可用于下式计算：
Wr?qrT
式中Wr------抽油杆柱自重； L-------抽油杆柱总长（L=3000m）；
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qr------每米抽油杆自重；
每米抽油杆自重为：qr1=4.09×10?2kN m qr2=3.14×10?2kN m
qr3=2.35×10?2kN m
每级杆柱占总下泵深度的百分比为：?1=18% ?2=20% ?3=62%； 该组合抽油杆柱的等效每米抽油杆自重为：
qr?qr1?1?qr2?2?qr3?3
= (4.09×18%+3.14×20%+2.35×62%)×10?2 =2.80×10?2kN m
抽油杆的自重为：Wr=qr?L=2.80×10?2×3000=84 KN;
由于抽油杆柱全部沉没于管内的液体之中，所以在计算悬点载荷时，要考虑浮力的影响。用Wr’代表抽油杆在液体中的自重，它用一下的公式计算：
Wr’?（1?0.127?f)Wr （4-3）
式中：ρf-------为井液密度，ρf=0.866
Kg
3 m
Wr’=（1?0.127ρf)Wr （4-4）
=(1?0.127×0.866) ×84
=74.76KN 4.4.2.2 作用于柱塞的液体载荷
作用于柱塞的液体载荷随抽油泵阀启闭状态下的不同而变化。下冲程时，柱塞上的游动阀是开启的，柱塞上下连通。如不计液体通过游动阀和柱塞内孔的阻力，则柱塞上下液面的压力是相等的。因此柱塞上的液柱载荷等于0.上冲程时，游动阀关闭而固定阀打开，柱塞上下不在连通，柱塞上面的液体压力等于油管内液体的静压力，柱塞下面的液体压力等于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的静压力。压力差在柱塞上产生的液柱载荷为Wf′(KN)
Wf'?AP?g(L?H)
式中AP-----柱塞面积 取19.90×10?4m2
g-----重力加速度g=9.8m 2
s
h-----泵的淹没深度 500m H0----油井动液面深度 m;
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其中
H0?L?H?3000?500?2500m
Wf'?AP?g(L?H)
=0.866×9.8×2500×19.90×10?4=42.22KN
4.4.2.3 悬点静载荷
设Wj1为上冲程悬点静载荷
Wj2为下冲程悬点静载荷。则
WJ1?Wf'?Wr'?74.76?42.22?117.2KN 上冲程静载荷：
'下冲程静载荷：WJ2?Wr?74.76KN
以上的计算是没有考虑井口的回压和套管压力的影响。 4.4.3 悬点动载荷
抽油杆柱和液柱在不等速的运动过程中产生惯性力而作用于悬点的载荷称为动载
荷。
4.4.3.1 抽油杆柱动载荷
忽略抽油杆的弹性，将其视为一集中质量，则抽油杆柱的动载荷就等于杆柱品质乘以悬点加速度。
Wrd?wra (4-5) g4.4.3.2 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品质乘以液柱运动的加速度。但应注意：由于油管内径和抽油泵直径不同，故杆管内不同空间内的液体运动速度和加速度也就不等于抽油泵柱塞的运动速度和加速度为此列入加速度修正系数ξ，设计的抽油机采用组合杆柱，则有：
Wfd??Wfka (4-7) g?Wf??Wfiξi (4-8)
i?1Ap?Ar ?? (4-9)
Ai?Ar34
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式中Ai----用于油管内径计算的流通面积； Wf----作用于柱塞环行面积上的液柱重量；
4.4.3.3 动载荷的简化计算
计算?Wf：
查表2—2[《抽油机》P54]，得： 抽油杆截面积为：
Ar1=4.91×10
?4
m2 ， Ar2=3.80×10?4m2,Ar3=2.84×10?4m2;
查表2—4[《抽油机》P58]，得： 油管流通面积为：Ai=30.2×10?4m2;
??1??Ap?Ar3?/?Ai?Ar1???19.90?2.84?/?30.2?4.91?=0.67
?1??Ap?Ar3?/?Ai?Ar? 2=0.65
?1??Ap?Ar3?/?Ai?Ar?3=17.0627.36=0.62
∴Wf1??f?Ap?Ar1?gL1=0.95×9.81×3000×18%(19.90-4.91) ×10?4 =7.54 KN
Wf2=0.95×9.81×3000×20%(19.90-3.80) ×10?4
=9.0 KN
Wf3=0.95×9.81×3000×62%(19.90-2.84) ×10?4
=29.57 KN
?Wf??1Wf1??2Wf2??3Wf3=0.67×7.54+065×9.0+0.62×29.5=29.24 KN;
则上冲程时的动载荷
Wd1?Wrd?Wfd=(Wr??Wf)aa=(Wr??Wf) gg下冲程时的动载荷
Wd2?Wrd?Wra g由于摩擦力引起的悬点载荷非常小，故可以忽略不计。 则抽油机的悬点载荷为：
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