石油工程與裝備 第八章有桿抽油設(shè)備（2）學(xué)習(xí)課件

（三）懸點(diǎn)動(dòng)載荷大小及變化慣性載荷和振動(dòng)載荷。1.慣性載荷分兩部分：

和（由加速度造成）。桿、油柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，隨懸點(diǎn)而變。懸點(diǎn)隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)而擺動(dòng)，為非勻速，有。（第3次課）上沖程載荷：

有效沖程：下沖程載荷：靜力示功圖平行四邊形桿在油中重量始終作用在懸點(diǎn)上。

（二）懸點(diǎn)靜載荷大小及變化規(guī)律（5）

—油管過流擴(kuò)大，油柱加速度下降系數(shù)。（由圖16-17說明）為油管內(nèi)徑面積；為油管斷面積（壁厚斷面）。泵筒油管柱塞游閥前面出現(xiàn)2.懸點(diǎn)加速度（求大小及變化）

—曲柄半徑；

—連桿長(zhǎng)；

—后臂；

—前臂

—角速度；

—曲柄轉(zhuǎn)角；12點(diǎn)為0°懸點(diǎn)A，繞支點(diǎn)O擺動(dòng)，取決于B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（游梁尾部）。

連稈前臂前臂曲柄12點(diǎn)為0°懸點(diǎn)（1）A點(diǎn)與B點(diǎn)關(guān)系：

位移：；

（）

速度：；

加速度：

A點(diǎn)沖程B點(diǎn)沖程A點(diǎn)速度B點(diǎn)速度A點(diǎn)加速度B點(diǎn)加速度（2）假設(shè)B點(diǎn)作直線簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（只有游梁、連桿很長(zhǎng)近似成立，實(shí)際是圓弧運(yùn)動(dòng)。）運(yùn)動(dòng)規(guī)律成為:曲柄—連桿—滑塊機(jī)構(gòu)。（B點(diǎn)相當(dāng)滑塊：認(rèn)為、，B點(diǎn)弧度大近于直線）。（3）B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

【關(guān)鍵是求

B點(diǎn)

，，】沖程：

速度：

加速度：（4）A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)（懸點(diǎn)處）

懸點(diǎn)最大沖程：【為一沖程】（6）將代入（6）得：

發(fā)生在，?！厩『檬窍?、上死點(diǎn)處】

圖1-19加速度圖（5）

分析：【慣性載荷與大小、方向有關(guān)】上沖程：（懸點(diǎn)向上為正向運(yùn)動(dòng)）前半段：，為正（與運(yùn)動(dòng)方向相同）后半段：，為負(fù)（與運(yùn)動(dòng)方向相反）下沖程：（懸點(diǎn)向下為反向運(yùn)動(dòng)）前半段：，為負(fù)（與正向運(yùn)動(dòng)方向相反）后半段：，為正（與正向運(yùn)動(dòng)方向相同）（6）實(shí)際B點(diǎn)，A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

（只給出計(jì)算思路）實(shí)際A，B點(diǎn)圓弧運(yùn)動(dòng)（非直線）。應(yīng)精確求B點(diǎn)，A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。①方法一用機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真軟件ADAMS。思路：實(shí)體建?！x傳動(dòng)副→給原動(dòng)件加力→分析機(jī)構(gòu)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力?！居欣诳焖賰?yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)】以往用分析法或圖解法。②解析法：以原動(dòng)桿為基礎(chǔ)，建立位移矢量方程?！靖鳁U長(zhǎng)一定，找各角度間關(guān)系，確定位移方程?！课灰魄髮?dǎo)得速度、加速度?！緳C(jī)械設(shè)計(jì)書上有公式，有計(jì)算機(jī)可得數(shù)值解，很方便?！渴噶糠匠蹋和队胺匠蹋?/p>

【兩式為運(yùn)動(dòng)分析基本方程，可以求出角速度和角加速度?！竣蹐D解法：按剛體平動(dòng)。任意一點(diǎn)均由牽連運(yùn)動(dòng)和繞B點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組合。按比例找關(guān)系，作位移、速度、加速度多邊形?！緞?dòng)點(diǎn)相對(duì)于靜參考系的運(yùn)動(dòng)稱絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)參考系的運(yùn)動(dòng)稱相對(duì)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)參考系相對(duì)靜參考系的運(yùn)動(dòng)為牽連運(yùn)動(dòng)?！俊厩叭艘延镁_法算出，，值】

連桿為平動(dòng)（7）結(jié)論①實(shí)際（懸點(diǎn)加速度）隨

變化與理想規(guī)律相近；②

，（上沖程開始和下沖程終了附近）

二者之比稱運(yùn)動(dòng)指標(biāo)：研究證明（與，有關(guān)）:

（8）實(shí)際抽油機(jī)中：

用處：用理想式求出乘，得，計(jì)算簡(jiǎn)單。后臂③理想

對(duì)稱（順、逆旋轉(zhuǎn)均可），非對(duì)稱。為減小上沖程開始加速，考慮轉(zhuǎn)向：“曲柄順轉(zhuǎn)”【從

開始順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)增量角

下的加速度，與從

開始逆時(shí)增角

不同。故曲柄必按順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)（井口在左，曲柄在右，順轉(zhuǎn)，技術(shù)人員應(yīng)考慮，有理論根據(jù)。順時(shí)從開始上沖程。）】3.慣性載荷對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響（1）上沖程（和均起作用）

（9）

此處：由（5）式：上沖程前段：（向上），總載：

上沖程后段：（向下），總載：（2）下沖程（柱塞不帶油運(yùn)動(dòng)）

（10）下沖程前段：（向下），總載：下沖程后段：（向上），總載：（3）動(dòng)力示功圖（由靜、動(dòng)載合成，沖程與載荷關(guān)系圖）扭曲四邊形，，靜力為平行四邊形。

是基礎(chǔ)上增加。上沖程：靜變形段懸點(diǎn)載荷：

逐漸傳到懸點(diǎn)上，靜變形終了時(shí)，最大，之后開始有效行程，因慣性載荷減小，曲線下斜。加速度變負(fù)，慣性向上。

，＋，正向，增加;，，向，減小。下沖程：

前段，,向,

減??；后段，,向,

增加；（參看圖1-19～20）4.慣性載荷對(duì)有效沖程影響①上死點(diǎn)—處。負(fù)最大↓，↑，減重桿縮短，柱塞附加沖程（柱塞要向下走卻縮回）?！疽源藭r(shí)的減重為標(biāo)準(zhǔn)】②下死點(diǎn)—或。正值最大↑，

↓，增重桿伸長(zhǎng)，柱塞附加沖程（懸點(diǎn)走完下沖程再拉長(zhǎng)）?！疽源藭r(shí)的增重為標(biāo)準(zhǔn)】

①上死點(diǎn)：180°

為負(fù)↓向上↑桿減重縮短柱塞上縮②下死點(diǎn)：360°

為正↑向下↓桿增重伸長(zhǎng)柱塞下伸③有效沖程

（11）

（12）

上死點(diǎn)、下死點(diǎn)最大慣性載荷

（慣性載荷沿桿均布，取長(zhǎng)中點(diǎn)，作為載荷作用桿中心。4.慣性載荷對(duì)有效沖程影響5．振動(dòng)載荷桿柱細(xì)長(zhǎng)，彈性體，突然加、減重，且運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。（1）懸點(diǎn)上行始桿、管柱在靜變形內(nèi)柱塞與泵筒無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，桿柱無振動(dòng)。靜變形終了，桿、柱塞突然運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一次振動(dòng)。（2）懸點(diǎn)下行始靜變形結(jié)束后，桿、柱塞突然卸載，又發(fā)生一次振動(dòng)。（3）衰減振動(dòng)（阻尼振動(dòng)）（4）防止共振，合理選沖數(shù)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)頻率與桿、柱塞自動(dòng)振動(dòng)頻率相同或整數(shù)倍，易共振。應(yīng)合理選懸點(diǎn)沖數(shù)。（5）振動(dòng)載荷示功圖

（參見圖1-20）

2↑（四）懸點(diǎn)最大和最小載荷1.（從動(dòng)力示功圖上看）最大載荷發(fā)生在上沖程靜變形結(jié)束后的瞬間。（B”點(diǎn)：）2.

最小載荷發(fā)生在下沖程靜變形結(jié)束后的瞬間。（D”點(diǎn)：）

是設(shè)計(jì)或選電機(jī)的依據(jù)。第4次課上沖程靜變形終了瞬間點(diǎn)下沖程靜變形終了瞬間點(diǎn)

3.

,計(jì)算（1）API公式根據(jù)機(jī)、電模型，實(shí)測(cè)后給出公式（經(jīng)驗(yàn)式）

（13）

（14）

（無因次系數(shù)—查曲線；S—沖程；—彈性系數(shù)）

N/m（）【按計(jì)算桿彈性系數(shù),桿在油中重?！俊獥U截面（使用較多，與實(shí)測(cè)值較接近。）（2）前蘇聯(lián)公式理論形式：

（15）

（16）加修正：

（17）

—變形分配系數(shù)（）

—桿徑；

D—泵徑；n沖次

。（理論＋經(jīng)驗(yàn)式，不分上、下，慣、振。）所有公式計(jì)算較準(zhǔn)確，有偏差。（五）摩擦力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響，計(jì)算均未考慮。

【

實(shí)驗(yàn)證明：不隨而變，隨而變，與運(yùn)動(dòng)方向相反。：柱塞與泵間，桿箍與油管間；：桿與油柱間、油柱與油管間?！?/p>

（18）

（19）

增加了（上行）；

減小了（下行）（液摩擦力與粘度有關(guān)）抽汲速度四、沖程長(zhǎng)度與沖數(shù)選擇1.沖程沖程長(zhǎng)度對(duì)懸點(diǎn)載荷影響不大?！局皇浅橛蜋C(jī)高度增加】曲柄扭矩隨S正比增加。

2.

沖數(shù)n

沖次高，產(chǎn)生沖擊載荷，會(huì)使減小。最高n限制條件：不使油桿發(fā)生共振。

許用沖次：經(jīng)驗(yàn)式經(jīng)驗(yàn)式五、曲柄扭矩計(jì)算1.扭矩大小及變化曲柄銷處受力：

切線力；連桿力；曲柄折合平衡力；曲柄平衡重離心力:

力矩平衡方程：曲柄銷處

切向力

曲柄平衡重

連桿力

（1）

求（連桿力）

由游梁支點(diǎn)力矩方程求得。游梁擺動(dòng)慣性力矩：

—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（，游平衡重半徑）；

—梁角加速度。(，—前臂)力矩方程：

(P方向永不變

游梁平衡重)

（2）求出

可知，

(復(fù)合平衡時(shí)力矩)=0，求

(曲柄平衡時(shí)力矩)

=0，求（游梁平衡時(shí)力矩）

平衡良好標(biāo)準(zhǔn)：電機(jī)上下沖做正功。

2．最大扭矩計(jì)算式（1）前蘇

(經(jīng)驗(yàn)式)

由公式【（15）、（16）、（17）】計(jì)算（2）API式

（3）簡(jiǎn)化式：

有效平衡重量無因次數(shù)，查曲線。為桿彈性常數(shù)沖程沖程六、平衡問題1.

基本原理（1）機(jī)械平衡：下沖程抬高平衡重，儲(chǔ)存位能。

上沖程釋放位能，“幫舉”。

【三種平衡：游梁，曲柄，復(fù)合三種平衡方式?！浚?）氣平衡：

下沖程壓縮氣體，上沖程放出能量?！皫团e”（3）下沖程儲(chǔ)能：

（能為做功）

電機(jī)功，下落功（4）上沖程放能：

（上沖程懸點(diǎn)載荷需要的功）（5）原理要求：

（使電機(jī)做恒功）（6）需要的儲(chǔ)能：

儲(chǔ)能（7）按實(shí)際示功圖計(jì)算

（）上沖程：為OABCF面積（用測(cè)面儀：曲線下的面積為功）下沖程：為OADCF面積由上兩面積可求

，要有坐標(biāo)比例。（8）無實(shí)際示功圖（用計(jì)算式），按靜力示功圖求

2．平衡重計(jì)算

—游梁平衡重；

—臂長(zhǎng)

—曲柄平衡重；

—平衡半徑

—游梁部件重；

—重心到支點(diǎn)

—曲柄部件重；

—重心回轉(zhuǎn)距離

r—曲柄半徑（）

距離（1）下沖程儲(chǔ)能：①游梁平衡重抬高：儲(chǔ)能（功）：②游件抬高：

，

儲(chǔ)能：