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1、10型前置型游梁前臂平衡节能抽油机设计摘要：抽油机在油田的开采作业中具有不可替代的作用，是有杆抽油系统的地面驱动设备。抽油机的工作条件比较恶劣，全天候常年野外连续运转，而且绝大多数时间处于无人监护状态。因此，要求具有良好的可靠性、耐久性，同时要具有性能领域宽、调节范围大、能耗低、易损件少、维护保养方便，对环境适应性强的特点。 本文首先阐述了国内外抽油机技术的研究发展现状及今后的发展趋势；然后结合现有的抽油机的工作原理对前置型游梁抽油机进行运动学、动力学分析，建立起数学模型，并对前置型游梁抽油机进行了平衡性分析；最后对抽油机主要零部件进行了设计和校核计算。这是一种新型节能型抽油机，其节能效果显著
2、，对于抽油机井节能降耗、提高举升系统的经济效益和我国石油工业发展具有重要的实际意义关键词：前置型抽油机；游梁前臂平衡；研究发展现状及发展趋势；运动学、动力学分析；设计、校核；节能降耗Design of Type 10 Lead Type and The Beam Forearm Balance Energysaveing Beam Pumping UnitAbstract：In oil field of pumping unit in mining operations has irreplaceable function, and there is a sucker rod system g
3、round drive equipment . Working conditions of the pumping unit is poor, all-weather perennial field continuous operation, and most of the time in a state without supervision. Therefore, should have good reliability and durability, and to have wide field performance and wide adjustment, low energy co
4、nsumption, less easyworn parts, convenience in maintenance and strong adaptability to environment characteristics.This paper expounds the development of the technology of pumping unit at home and abroad present situation and the trend of development of the; Then according to the working principle of
5、 the pumping unit to lead the beam beam pumping unit of kinematics and dynamics analysis, building up the mathematical model, and to lead the beam pumping unit of the balance analysis; The major parts of the pumping unit on the design and check calculation. This is a new type of energy-saving, pumpi
6、ng unit. The remarkable energy saving, pumping unit for saving energy and reducing consumption, and improve the well lifting system and economic benefits of the oil industry development in our country has an important practical significance. Key Words：Lead type pumping unit; The beam forearm balance
7、; Research and development present situation and developing trend of ; Kinematics and dynamics analysis; Design, check; Saving energy and reducing consumption .目 录1 绪论11.1 概述11.2 国内外研究发展现状及发展趋势21.2.1 国内外抽油机技术现状21.2.2 抽油机的发展方向31.3 基本参数41.4 设计要求42抽油机运动分析52.1 前置型抽油机结构特点52.2 前置型抽油机工作原理52.3 前置型抽油机运动分析62.
8、4 各构件尺寸的确定82.5 悬点运动规律93 前置型游梁抽油机动力分析103.1 驴头悬点载荷计算113.1.1 悬点静载荷的大小和变化规律113.1.2 悬点动载荷大小和变化规律133.1.3 悬点的最大载荷和最小载荷173.2 抽油机减速箱曲柄轴扭矩计算173.2.1 扭矩计算的基本公式173.2.2 最大扭矩的计算183.3 抽油机电动机的选择193.3.1 游梁式抽油装置的特点193.3.2 电动机额动功率的确定203.4 减速箱的选择213.5 减速箱的润滑与密封213.5.1 润滑方式213.5.2 润滑油223.5.3 减速箱的密封224 前置型游梁抽油机的平衡分析234.1
9、平衡方法234.2 平衡原则244.3 平衡的计算264.4 平衡效果的检查检验275 抽油机主要零部件设计275.1 抽油机结构275.1.1 驴头275.1.2 横梁285.1.3 连杆和曲柄销285.1.4 曲柄和平衡块285.1.5 支架285.1.6 钢丝绳和悬绳器285.2 同步V带的传动设计285.2.1 确定计算功率Pca295.2.2 选择V带的带型295.2.3 确定带轮的基准直径dd并验算带速v305.2.4 确定V带的中心距a和基准长度Ld315.2.5 验算小带轮上的包角315.2.6 计算带的根数315.2.7 计算单根V带的初拉力的最小值（F0）min325.2.
10、8 计算压轴力FP325.2.9 带轮结构设计325.3 悬绳的选用325.3.1 绳丝根数的选择335.3.2 钢丝绳直径的确定336抽油机主要零部件强度校核计算346.1 受力分析356.2 连杆强度校核366.2.1 选材366.2.2 校核366.3 游梁强度校核386.3.1 载荷分析及简化386.3.2 静强度校核396.4 曲柄销的校核计算406.4.1 静强度校核416.4.2 疲劳强度校核41结 论42参考文献43致 谢451 绪论1.1 概述近年来，强劲的世界经济增长拉动全球是偶需求快速增长。在未来20-30年中，石油在能源结构中仍然占据主导地位。世界各国都在为拥有更多的石
11、油而努力，各大石油公司也纷纷先进的技术进行勘探，开采石油资源。随着我国市场经济不断发展和我国成功加入WTO之后，国内市场的开放程度越来越大，国外大量的廉价的石油石化产品进入国内市场，使得石油市场竞争更加激烈，石油产品价格下降，严重影响了我国石油石化工业的经济效益。为了提高市场竞争力，石油石化企业必须加大资金投入，加强科学研究，采用新型抽油机，以降低成本，包括设计成本、生产成本、油田维护管理成本。抽油机的产生和使用由来已久，迄今已有百年历史。在这百余年的采油实践中，抽油机发生了很大的变化，特别是近20年，世界抽油机技术发展较快。抽油机厂商先后开发研制了多种新型抽油机。其中应用最早、普及最广的属常
12、规型游梁式抽油机，早在140年前就诞生了，至今在世界各产油国中仍占绝对优势。其结构简单、可靠耐用、易损件少、操作简单、维修方便、维护费用低，使其经久不衰。 然而，随着油田的不断开发，要求抽油机具有长冲程、大负载、能耗低、体积小、重量轻等性能特点来满足日益发展的油田开发的需要。游梁式抽油机井数量多，其工作性能，特别是节能性能直接影响采油成本。在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20%30%，为油田电耗的第2位，仅次于注水。游梁式抽油机抽油系统的总效率在国内一般地区平均只有12%23%，先进地区至今也不到30%，可见降低抽油系统高能耗的迫切程度与难度。前置式抽油机的结构特
13、点决定了其节能特性，其特点是横梁靠近驴头，支架与游梁连接处紧靠尾部，减速器和平衡块等置于机架的前方。具有平衡效果好、光杆最大载荷减小、节能效果好等特点。该类型抽油机平衡后理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速器齿轮基本无反向负荷，连杆游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规型抽油机第5dB，整机寿命长。与同级常规抽油机相比，所配备电动机功率可小20%；以相同挂泵深度条件下油井每度电的出油量相比，比常规抽油机节约能耗35%左右。美国前置型抽油机比常规型抽油机节能31.9%39.60%，我国该型机比常规型抽油机节能34.9%。因此，完善和发展游梁式抽油机设计理论，研制节
14、能效果显著的节能型游梁式抽油机对于抽油机井节能降耗、提高举升系统的经济效益和我国石油工业发展具有重要的实际意义和极大的深远影响。1.2 国内外研究发展现状及发展趋势1.2.1 国内外抽油机技术现状在世界范围内，研究与应用抽油机已有100多年历史。在百余年的采油实践中，抽油机发生了很大变化。特别是近20年来，世界抽油机技术发展较快，先后研发了多种新型抽油机。抽油机的各项技术经济指标达到了有史以来的最高水平。目前，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。美国石油学会API Spec 11E抽油机规范中规定，抽油机共有77中规格。美国Lufkin公司生产B，C，M，A等四
15、种系列抽油机：B系列游梁平衡抽油机8种规格；C系列曲柄平衡抽油机64种规格；M系列前置式抽油机46种规格；A系列前置式气动平衡抽油机26种规格。俄罗斯生产13种规格游梁抽油机。法国Mape公司生产12种规格曲柄平衡游梁抽油机以及立式斜井抽油机和液缸型抽油机。加拿大生产液、电、气组合一体式HEP抽油机。罗马尼亚按美国API标准生产51种规格的游梁抽油机，35种规格的前置式抽油机及前置式气动平衡抽油机。目前，世界上抽油机最大下泵深度为4530m.，在美国Reno油田使用。俄罗斯抽油机最大下泵深度为4000m。全世界生产抽油装置的公司有300多家，其中生产抽油机的有150多家。美国抽油机品种规格齐全
16、，技术水平先进，质量较好且较稳定，应用范围较广泛。我国游梁式抽油机的制造虽然只有四十多年的历史，但发展很快，特别是从80年代开始自行设计、制造以来，不仅满足自给，而且还部分出口。游梁式抽油机在中、低冲程时具有可靠性高，价格低和维护工作方便等优点，因此，抽油机虽然品种较多，但真正在油田大面积使用的也就只有游梁式抽油机。它是油田中、低冲程的主力机型。国内在抽油机先进技术研究方面，新油田基本与国际接轨；在先进技术推广、大面积使用方面，国内则比国外发达国家落后。尤其是老油田使用的常规游梁式抽油机若用技术先进的抽油机代替，投入成本太高，回收成本周期过长，从而影响力新式抽油机的推广使用，因此各油田还是以游
17、梁式抽油机为主。但是，常规式游梁抽油机的耗损大，费用支出较高。据统计，我国在役常规型游梁式抽油机占抽油机总数的50%-60%，其耗电量约占耗电总量的20%-30%，是油田的主要耗电大户。因此为了节能增效，各油田及研究单位采取了各种不同的方法对常规游梁式抽油机进行技术改造，并取得了一定效果。国内在节能抽油机的研制开发上，20世纪80、90年代出现了高峰。近些年来，随着智能控制研究的兴起以及智能控制装置的成功研究，使智能抽油机的出现成为可能。如美国科罗拉多州拉裴特的APS公司最近几年生产的带有系统分析器的游梁式抽油机、带有有杆泵控制器的游梁式抽油机，宝鸡石油机械厂于1992年研制出的数控抽油机等。
18、美国壳牌石油公司、埃克森石油公司、NABLA石油公司等自70年代以来先后研制了抽油系统监控、数据采集系统(SCADA)和抽油系统综合计算机辅助操作系统(CAO)。根据壳牌石油公司的报告表明，应用该公司的抽油系统综合计算机辅助操作系统(CAO)，节能最高可达30%，产量可有效提高1%5%，在中心控制情况下，这个数值可高达25%，维修费用和保养费用可减少35%。1.2.2 抽油机的发展方向根据各国油田开发与使用抽油机的需要，今后抽油机的技术发展方向应为：优化各种类型抽油机的主要性能参数，从节省能耗，节约钢材等方面着手，提高抽油机的各项技术经济指标。1.2.2.1 大力发展和推广应用各种节能型抽油机
19、 抽油机节能是全世界关注的事情，对于我国来讲，节能具有更大的实际意义。我国每年机械采油耗电量达42亿千瓦时，是一个相当可观的数字。实测结果表明，我国在用的抽油机总效率只有16%-23%，与美国的46%相比还存在很大差距。为减少能耗，提高采油经济效益，今后还要研制新型节能抽油机，推广应用各种现有节能抽油机，限制常规抽油机的数量，大幅度应用节能抽油机。1.2.2.2 朝着精确平衡方向发展近年来，外国很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机平衡更精确。1.2.2.3 朝着高适应性方向发展现代抽油机应具有较高的适应性，以便拓宽适用范围。例如，适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油
20、抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应节电的需要，等等。1.2.2.4 朝着自动化和智能化方向发展近年来，抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国BAK.R提升系统公司、DELIA-x公司、S公司等研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运动参数，及时显示与记录，并通过综合计算分析，得出最优工况参数，进一步指导抽油机在最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、经济性好、适应性强等优点。1.3 基本参数抽油设备的功能就是从一定井深处抽出一定数量的原油。所以，井深和产量决定了抽油机的基本结构，为了达到
21、这两个目标，对游梁式抽油机的工作能力提出四个指标，亦即抽油机的基本参数：1.3.1 驴头悬点最大允许载荷Pmax这一载荷包括静载荷和动载荷，它主要取决于抽油机杆重和油柱的重量。实际上，它表明了在一定的抽油机杆柱和油泵泵径组合时的最大下泵深度。1.3.2 悬点最大冲程长度Smax 它主要决定抽油机的产量及抽油机的基本尺寸和重量。悬点最大冲程长度从0.3m到10m，而应用最广泛的在6m以下。1.3.3 悬点最大冲程次数nmax当泵径一定时，悬点的最大冲程次数nmax与最大冲程长度Smax共同确定了抽油机的最大产量。目前，实际应用的悬点冲程次数从2-4/min到20min。由于每一个冲程抽油杆应力变
22、化一次，故冲程次数过大将会使抽油杆过快地发生疲劳破坏，所以限制了最大冲程次数nmax的进一步提高。1.4 设计要求由于抽油机的工作环境是在露天场所，经受着风吹日晒，又疏于工作人员实时监管，所以要求设计的抽油机首先工作可靠性、耐用性以及适应性都必须要好，其次维护管理要简单方便，以便于降低企业的使用成本。本次设计要求所设计的前置型游梁前臂平衡节能抽油机悬点额定载荷：100kN，冲程长度： 2.1，2.54，3.0m，冲程次数：6，9, 12次/min。2抽油机运动分析掌握抽油机悬点的运动规律（悬点的位移、速度和加速度）是研究抽油机装置动力学、确定抽油装置的基本参数及抽油机装置设计的基础。因此，首先
23、分析其运动规律。抽油机的抽油功能最终还要靠游梁、连杆和曲柄等部件的运动把电机的旋转运动转化为驴头的往复直线运动从而带动柱塞泵上下运动来实现。因此，游梁、曲柄以及尺寸直接影响到抽油机的上下冲程运动是否协调，也直接影响着抽油机的效率。对于前置型抽油机来说，其本质上可简化为一个四连杆机构，要分析抽油机的运动，只需对简化的模型进行运动分析即可。2.1 前置型抽油机结构特点 前置型抽油机结构件图如图2.1所示，本机由底座、支架、游梁支座、游梁、驴头、减速机座、减速机、曲柄连杆驱动机构包括左右对称两个曲柄轮、对称两个曲柄销装置、对称两个推拉杆、横梁组合、托架、动滑轮（一个单排或两个并排）、定滑轮（一个单排
24、或两个并排）、钢丝绳芯橡胶带（一个单排或两个并排）、吊坨、导杆、动力装置、输入轴皮带轮、刹车兼飞轮、驴头绳、支杆、护栏等主要零、部件组成。游梁以铰链支座固定在支架上，可上下往复摆动。平衡吊重的吊绳一端固定在托架上，经一组滑轮对游梁前端总是施加一与负载力矩反向的平衡力矩。曲柄轮安装在减速机输出轴上，推拉杆（一组）与曲柄轮用曲柄销装置联接，上下曲肘分别与游梁、底座以及三杆汇交轴均以铰链方式联接。其特点是横梁紧靠驴头，支架与游梁连接处紧靠尾部，减速器置于支架前方。与常规抽油机相比较，前置型抽油机除同样具有工作可靠、坚实及维修简便等优点外，还有一些独特之处：(1) 平衡效果好，机械运行平稳。(2) 光
25、杆最大载荷减小，抽油机使用安全。(3) 扭矩平衡，节能效果好。2.2 前置型抽油机工作原理 工作时，动力装置经三角胶带拖动减速机运转，减速机输出轴带动曲柄轮旋转，通过推拉杆往复推拉运动牵动曲肘升直或弯曲。曲肘升直运动时，顶起游梁上摆，同时吊重落体重力施加一提升力矩也使游梁上摆而抽油。曲肘弯曲时，游梁下摆，泵杆回程进油。同时吊重被提升积蓄位能。以上动作周而复始而实现抽油作业。（见图2-1）。图2-1 前置型抽油机2.3 前置型抽油机运动分析在进行运动分析时，首先要了解抽油机结构的几何关系。对于前置型抽油机，其四杆机构的尺寸是确定工作性能、整机外形和自重的关键参数。图2-2为前置型抽油机运动机构的
26、简图。 图2-2 前置型抽油机运动机构简图图中 A游梁前臂长； C游梁后臂长； P连杆长度； R曲柄半径； I游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离；H游梁支承中心到底座底部的高度； G减速器输出轴中心到底座底部的高度； K即游梁支承中心到减速器输出轴中心的距离； J曲柄销中心到游梁支承中心之间的距离,mm；曲柄转角，以曲柄半径R处于12点钟位置作为零度，沿曲柄旋转方向度量；零度线与K的夹角，由零度线到K沿曲柄旋转方向度量；C与P的夹角，称传动角；C与K的夹角；b光杆在最低位置时的角；t光杆在最高位置时的角；kK与R的夹角；P与R的夹角。首先参照标准和样本初步游梁的前臂长、后臂长、游梁摆动中
27、心高H、曲柄旋转中心高G、游梁摆动中心到曲柄旋转中心的距离I。由图可知：基架OO1，即 (2-1)游梁摆角 (2-2)通常取 即 机架与水平线夹角 在三角形OO1D1中 即 (2-3) 同理 (2-4)联立(2-3)、(2-4)，即可求出连杆P和曲柄R。2.4 各构件尺寸的确定前面已经指出，前置型抽油机由于其结构的特殊性，不像常规抽油机，若取 (2-5)则由设计任务书知，要求所设计的抽油机冲程为S=3m，所以预选游梁长度为A=3m，根据采油机械的设计计算第40页（的比值对一般的游梁式抽油机可取1.01.75，对于悬点冲程长度大于34m的抽油机取大值，而在绝大多数情况下，的比值在1.01.4范围
28、内。）选 ， 则。又由悬点切向加速度知，由于PR,CR, 1,1,其余正弦和余弦又都小于1。因此，括号内数值变化不大，即对光杆加速度影响不大。 所以前置型抽油机可以在结构允许的条件下适当增大A和C的值，但由于R为定值时，增大C将使冲程S减小，所以在确定各几何参数时应综合考虑。所以取A=4，则C=3.34.根据相关标准和样本初步确定游梁旋转中心高H=4m，曲柄旋转中心高G=1.6m。游梁摆动中心到曲柄旋转中心的水平距离I=2.14m，则根据公式(2-1)可得：即该四杆机构的基架为3.22m。 基架与水平线夹角为 取，则由公式（2-3）（2-4）可求得连杆P和曲柄R。mm 求得P=2.69m，R=
29、1.39m。2.5 悬点运动规律 抽油机的运动原理图如图所示，下面所用的参数符号与前面所表示的意义相同。2.5.1 抽油机四连杆机构的几何关系对于前置型游梁抽油机，根据前面的设计的四连杆机构的几何关系可得： (2-6) (2-7) J= (2-8) =arccos() (2-9) x=arccos (2-10)=arcsin (2-11) b=arccos (2-12) =arccos (2-13) (2-14)2.5.2 悬点位移和悬点最大位移（光杆冲程） (2-15) (2-16) (2-17)式中 悬点位移，m； S光杆冲程，m； （3） 悬点速度 (2-18) (2-19)式中 v悬点
30、速度，m/s； 悬点无量纲速度，等于v/S。2.5.3 悬点加速度 (2-20) (2-21)式中 a悬点加速度，m/s； 悬点无量纲加速度。2.5.4 扭矩因数 (2-22)3 前置型游梁抽油机动力分析 在抽油机的设计和应用中，一般认为其电动机的转速是匀速的，并以此作为分析的前提，在机械运动系统中，原动件的运动规律是作用在机器的外力、外力矩和原动件位置以及机器单个运动构件质量与转的惯量等的函数，只有确定机器的力和人的力矩作用下其原动件的运动规律后，才能求出其他运动构件的真实运动。因此，动力分析的主要任务是却抽油机驴头的悬点载荷和减速器输出轴的扭矩以及抽油机平衡扭矩的计算。3.1 驴头悬点载荷
31、计算游梁式抽油机驴头悬点载荷是标志抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设计计算和选择使用的主要根据。当抽油泵工作时，抽油机驴头悬点上作用有下列六项载荷：(1) 抽油杆柱自重，用P杆表示（它在油中重量用P杆表示），作用方向向下。（2） 油管内、柱塞上的油柱重（即柱塞面积减去抽油杆面积上的油柱重），用P油表示，作用方向也向下。（3） 油管外油柱对活塞下端的压力，用P压表示，P压的大小取决于泵的沉没度，作用方向向上。（4） 抽油杆柱和油柱运动所产生的惯性载荷，相应的用P杆惯和P油惯表示，它们的大小和悬点的加速度成正比，而作用方向与加速度方向相反。（5） 抽油杆柱和油柱运动所产生的震动载荷，用P振
32、表示，其大小和方向都是变化的。（6） 柱塞和泵筒间、抽油杆和油管间的半干摩擦力，用P摩干表示。还有抽油杆和油柱间、油柱与油管间以及油流通过抽油泵游动阀的液体摩擦力，用P摩液表示。P摩干和P摩液的作用方向和抽油杆的运动方向相反。其中游动阀的液体摩擦力只在泵下冲程、游动阀打开时才产生，所以它的作用方向只向上。 上述（1）、（2）、（3）三项载荷和抽油杆的运动无关，称为静载荷。（4）、（5）两项载荷和抽油杆的运动有关，称为动载荷。3.1.1 悬点静载荷的大小和变化规律分别对上冲称、下冲程、下死点和上死点四种情况进行分析3.1.1.1 上冲称当悬点从下死点往上移动时，游动阀在柱塞上部油柱压力作用下关闭
33、，而固定阀在柱塞下面泵筒内、外压力差作用下打开。由于游动阀关闭，使悬点承受抽油杆自重P杆和柱塞上油柱重P油，这两个载荷的作用方向都是向下的。同时，由于固定阀打开，使油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生方向向上的压力P压。因此。上冲称时，悬点的静载荷P静上等于P静上=P杆+P油-P压 =杆gf杆L+油g（F-f杆）L-油gh沉F=P杆+P油 (3-1) 式中：杆抽油杆材料的密度，kg/m3； 油原油的密度，kg/ m3； f杆抽油杆横截面面积，m2； F 泵柱塞横截面面积，m2； L 抽油杆长度或下泵深度，m； h沉泵的沉没度，m； 油井中动液面以上，断面积等于柱塞面积的油柱重，N；3.1.1
34、.2 下冲程当悬点从上死点往下移动时，游动阀由于柱塞上、下压力差打开，而固定阀在泵筒内外压力差作用下关闭。游动阀打开，使悬点只承受抽油杆柱在油中重量P杆。而固定阀关闭，使油柱重量移动到固定阀和油管上。这样一来，下冲程时选点的静载荷P静下等于 P静下=P杆 (3-2) 3.1.1.3下死点悬点从下死点到上死点虽然走了冲程长度S，但是由于抽油杆柱和油管柱的静变形结果，使抽油泵柱塞的有效冲程长度S效要比S小，所以S效=S- (3-3)而静变形的大小等于= 杆+管=+ = （1+）= (3-4)式中：= 称为变形分配系数，一般可取0.60.9。3.1.1.4 上死点（从上冲称到下冲程的转折点）它和下死
35、点的情况恰恰相反。这时，对抽油杆柱来说，静载荷由上冲称的P静上变到下冲程的P静下，减少了油柱重P油，抽油杆因而缩短杆。因此当悬点往下走了杆时，由于抽油杆柱的缩短，柱塞在井下原地不动，它对泵筒不产生相对运动，因而不能排油。而对油管柱来说，因为加载P油而伸长了管，油管好像跟着柱塞往下走。所以，在悬点再走完管以前，柱塞和泵筒还不能产生相对运动，也不会排油。因此，在排油过程中，柱塞的有效冲程长度S效比悬点冲程长度S减少了一个同样的静变形值。现在把上、下冲程中悬点静载荷随它的位移变化规律利用图形来表示，如图3-1所示，这种图形成为静力示功图。图中AB斜线表示悬点上冲称开始时载荷由柱塞传递到悬点的过程。E
36、B线相当于柱塞和泵筒没有发生相对运动时悬点上行时的距离，即EB=，当全部载荷都作用到悬点上以后，静载荷就不再变化而成为水平线BC，达到上死点C为止。CD线表示抽油杆柱的卸载过程。卸载完毕后，悬点又以一个不变的静载荷向下运动，成为水平线DA而回到下死点A。图3-1表明，在上、下冲程内，悬点静载荷随悬点位移的变化规律是一平行四边形ABCD。图3-1 静力示功图3.1.2 悬点动载荷大小和变化规律 在井较深、抽油机冲程次数较大的情况下，必须考虑动载荷的影响。动载荷是由惯性载荷和振动载荷两部分组成。现在先讨论惯性载荷，再讨论振动载荷。3.1.2.1 惯性载荷惯性载荷包括抽油杆柱和油柱两部分，即P杆惯和
37、P油惯。如果略去抽油杆柱和油柱的弹性影响，可以认为，抽油杆柱以及油柱各点的运动规律和悬点完全一致。所以，P杆惯和P油惯的大小和悬点加速度ac大小成正比，而作用方向和后者相反。 P杆惯=（）ac (3-5) P油惯=（）ac (3-6)式中： 考虑油管过流断面扩大引起油柱加速降低的系数 = = (3-7) 上式中的F管表示油管过流断面的面积，它和式（3-4）中采用的符号f管是不同的，f管是表示油管管壁的横截面面积。表3-1中给出了油管过流断面面积F管和管壁横截面的面积f管值表3-1 油管过流断面面积和横截面积值油管直径 (mm)油管过流断面面积F管（cm2）油管管壁横截面积f管（cm2）40.3
38、12.85.850.319.98.762.030.211.775.945.216.888.661.619.5100.379.024.01） 惯性载荷对悬点总载荷的影响 上冲称时，柱塞（或抽油杆）带着油柱运动，所以上冲称的惯性载荷P惯上等于 P惯上=P杆惯+P油惯=（1+）P杆惯=（1+m） (3-8)式中：m表示油柱惯性载荷与抽油杆柱惯性载荷的比值。利用式（3-4）可得m = = (3-9) 下冲程时，柱塞（或抽油杆）不带动油柱运动，所以下冲程的惯性载荷P惯下等于P惯下= P杆惯= (3-10)上面已谈到，惯性载荷大小的变化规律和悬点加速度ac的大小变化规律相类似，但方向和后者相反。就是说，在
39、上冲程前半段，加速度向上，惯性载荷就向下，这时悬点的总载荷应该等于静载荷加上惯性载荷。而到上冲称后半段，加速度向下，惯性载荷就变为向上，所以这时悬点的总载荷应该等于静载荷减去惯性载荷。下冲程情况刚好相反。考虑了惯性载荷作用以后，示功图就由平行四边形ABCD（静力示功图）变成扭歪的四边形ABCD，这种示功图，称为动力示功图，如图3-2所示图3-2 动力示功图2） 惯性载荷对抽油泵柱塞有效冲程长度的影响从上面的分析可以看出，最大惯性载荷发生在上死点和下死点。而且在上死点，即上冲程的终点处，惯性载荷P惯上向上，减小抽油杆柱重量，使抽油杆柱受压缩，柱塞因而产生附加冲程长度e1。在下死点即下冲程的终点处
40、，惯性载荷P惯上，增加抽油杆柱的重量，抽油杆柱伸长，又给柱塞一个附加冲程长度e2。因此柱塞的有效冲程长度S效就由式（2-3）变为下式 S效=S-+e1+e2 (3-11)变形e1和e2的计算公式和相似，所不同的是e1和e2是惯性载荷产生的，惯性载荷是沿抽油杆均匀分布的质量力，可以将它看作作用在抽油杆柱重心的集中力。抽油杆柱重心对单级杆柱来说，就是在抽油杆柱的长度的中心点处，所以 e1+e2= (3-12) 上式中的P惯上和P惯下指的是在上死点和下死点处的最大惯性载荷。 为了简便起见，我们略去油柱惯性载荷的影响，利用式(3-6)，(3-7)，(3-8) ，并代入相应的常数(杆=7800kg/m3
41、，E=2.1x1011N/m2)，式(2-9)就成为下列形式 e1+e2=2.076 (3-13) 将上式代入式（3-8），就可得到考虑惯性载荷作用后，柱塞有效冲程长度的表达式 (3-14) 式中：K冲程增加系数，K=。 当采用普通抽吸工况时，K值一般很小，和1仅有1.5%2.5%的差别，但随着下泵深度L和冲程次数n的增加，K值迅速增加，因为在K值的表达式中，L和n都是2次方的关系。例如，当L=1000m和n=5min-1时，K=1.0052；而当L=1500和n=10min-1时，K=1.0467。3.1.2.2 振动载荷抽油杆柱又细又长，弹性很大，很像一根长弹簧。在常弹簧下端突然加一重物和突然拿去一重物，就会产生振动。抽油杆柱也一样。当悬点开始向上时，在抽油杆柱和油管柱静变形期内，油柱重量逐渐加到柱塞和抽油杆柱上，这时柱塞和泵筒没有相对位移，所以抽油杆柱不会产生振动。而当静变形终了一瞬间，悬点以一定速度运动，这时，抽油杆柱和柱塞突然带动油柱运动，抽油杆柱就会产生一次振动。当悬点开始向下时，在静变形结束后，柱塞和抽油杆柱突然卸去油柱重量，有发生一次振动
