【正文】 曲柄軸的平均扭矩計(jì)算公式如下： () ()均方根扭矩的確定： () 周期載荷系數(shù) ()電動(dòng)機(jī)額定功率計(jì)算：光桿功率 ()額定功率 () 常規(guī)抽油機(jī)改造方案設(shè)計(jì)(1)復(fù)合平衡改造方案 復(fù)合平衡改造方案結(jié)構(gòu)簡圖，復(fù)合平衡改造方案是借鑒新疆第三機(jī)床產(chǎn)的下偏杠鈴復(fù)合平衡抽油機(jī)的原理，該方案保持常規(guī)抽油機(jī)的基本機(jī)構(gòu)不變，在游梁尾部增加可調(diào)偏置平衡裝置，與曲柄平衡相結(jié)合，形成復(fù)合平衡?？梢杂行У叵鳒p懸點(diǎn)載荷峰值扭矩，改善曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，使其波動(dòng)平緩，從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù)，提高電動(dòng)機(jī)工作效率。下偏平衡的工作原理是使游梁平衡重下偏一定角度，當(dāng)載荷扭矩出現(xiàn)峰值時(shí)，平衡重質(zhì)心與中央軸承座連線處于水平位置，平衡力臂最大，從而使平衡扭矩最大，最大限度的降低峰值扭矩[16][17]。由于不改變抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，載荷扭矩與改造前一致。下偏平衡角度的確定：從減速器扭矩曲線圖可以看出，最大載荷扭矩，由載荷扭矩計(jì)算公式可以計(jì)算出當(dāng)176。時(shí)，載荷扭矩最大。此時(shí)游梁與水平線的夾角176。，圓整到176。，就是平衡重下偏的最佳角度。經(jīng)插值計(jì)算游梁平衡重最佳質(zhì)量，質(zhì)心與中央軸承座距離，平衡重質(zhì)心與中央座連線和水平線形成的夾角為。下偏平衡扭矩為： ()則曲柄軸上的凈扭矩為： () 復(fù)合平衡改造方案扭矩曲線圖最大凈扭矩最大負(fù)扭矩平均扭矩 ()；均方根扭矩的確定： ()周期載荷系數(shù) ()電動(dòng)機(jī)額定功率計(jì)算：光桿功率 ()額定功率 ()(2)游梁平衡改造方案，游梁平衡改造方案為借鑒調(diào)徑變距抽油機(jī)和下偏杠鈴復(fù)合平衡抽油機(jī)工作原理，保持常規(guī)抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)不變，去掉笨重的曲柄平衡重，并將曲柄鋸短，在游梁尾部增加固定和可調(diào)偏置平衡裝置，平衡重質(zhì)心相對(duì)游梁依然下偏一定角度，該原理與方案一相同。在運(yùn)行中游梁偏置平衡重心的運(yùn)行軌跡是一段圓弧,當(dāng)重心處于游梁回轉(zhuǎn)中心的水平線上時(shí),其重力矩最大；當(dāng)重心靠近游梁回轉(zhuǎn)中心的垂直線時(shí),其重力矩最小。利用這一變矩原理可有效削減懸點(diǎn)載荷峰值扭矩,改變抽油機(jī)的曲柄軸凈扭矩曲線的形狀和大小，使其波動(dòng)平緩,且能減小負(fù)扭矩,從而減小抽油機(jī)的周期載荷系數(shù),提高電動(dòng)機(jī)的工作效率[18]。 游梁平衡改造方案結(jié)構(gòu)簡圖經(jīng)插值計(jì)算游梁平衡重最佳質(zhì)量，質(zhì)心與中央軸承座距離， 游梁平衡扭矩為： ()曲柄鋸短后平衡半徑m；曲柄自重=1000kg；游梁平衡重的慣性矩： ()式中為游梁平衡重的加速度 ()則曲柄軸上的凈扭矩為： () 游梁平衡改造方案扭矩曲線圖最大凈扭矩最大負(fù)扭矩平均扭矩 ()均方根扭矩的確定： () Nm周期載荷系數(shù) ()光桿功率 ()額定功率 ()從以上計(jì)算可以看出，雖然最大凈扭矩、均方根扭矩、電動(dòng)機(jī)額定功率都有所降低，但降低的幅度不大，而周期載荷系數(shù)和最大負(fù)扭矩均有明顯程度的增加，造成這種情況主要是原因是由于去掉曲柄平衡重，采用單純的游梁平衡，抽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，游梁平衡重產(chǎn)生一定的慣性矩，對(duì)平衡效果起到了一定的抑制作用。當(dāng)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，慣性矩的大小與游梁平衡重的的重量成正比，與抽油機(jī)的沖次n的平方成正比。如果要盡量消除慣性矩的影響，只有減小平衡重的重量和降低沖次兩種方法，平衡重的重量是平衡懸點(diǎn)載荷必須配置的，因此只有用降低沖次的方法來減小慣性矩的影響。下面將抽油機(jī)的沖次n更改為4次進(jìn)行重新計(jì)算后，所得數(shù)據(jù)如下：凈扭矩曲線圖如下： 游梁平衡4次/分鐘扭矩曲線圖最大凈扭矩最大負(fù)扭矩平均扭矩均方根扭矩的確定：周期載荷系數(shù)電動(dòng)機(jī)額定功率計(jì)算：光桿功率額定功率從計(jì)算結(jié)果可以看出，降低沖次后最大凈扭矩、最大負(fù)扭矩、均方根扭矩、周期載荷系數(shù)、電動(dòng)機(jī)額定功率等參數(shù)均有所下降，達(dá)到了預(yù)期的效果。(3)雙驢頭改造方案 雙驢頭改造方案結(jié)構(gòu)簡圖，雙驢頭改造方案為借鑒新疆油田機(jī)械制造總公司生產(chǎn)的天平式雙驢頭抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了對(duì)稱平衡和下偏平衡理論，分別對(duì)懸點(diǎn)靜載荷和動(dòng)載荷進(jìn)行平衡，使減速器凈扭矩得到大幅度降低，負(fù)扭矩也非常小，使得該類抽油機(jī)表現(xiàn)出很好的節(jié)能性。該方案的主要改造內(nèi)容為：增加平衡驢頭、平衡箱，更換曲柄、對(duì)原機(jī)支架、游梁進(jìn)行了改造，調(diào)換減速器方向，降低減速器高度，改造后通過調(diào)整平衡箱內(nèi)平衡塊重量來調(diào)整平衡，平衡調(diào)節(jié)非常方便，平衡效果好。抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)桿長的設(shè)計(jì)通常有兩種方法[9]，一種是計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，眾所周知，選擇正確的目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，但單一的目標(biāo)往往不能全面評(píng)價(jià)抽油機(jī)性能的優(yōu)劣，因而抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題是個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題，而在多目標(biāo)優(yōu)化問題中，可能存在相互沖突的多個(gè)目標(biāo)，所以通常不存在1個(gè)對(duì)所有目標(biāo)都是最優(yōu)的解，而是存在1個(gè)非劣解集，在解集中，解之間沒有絕對(duì)優(yōu)劣之分，所以要從中擇1個(gè)合適的解，還需要參照與問題相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)。不同的決策者，即使是同一個(gè)決策者在不同情況下也可能選擇不同的解[12]。另外一種方法就是類比法，雙驢頭改造方案就是類比了新疆油田機(jī)械制造總公司生產(chǎn)的CYJS8337HY抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)尺寸。經(jīng)類比設(shè)計(jì)對(duì)原抽油機(jī)的基本參數(shù)做如下更改：P=；R=；K=；H=；I=；G=；n=4min1；其余參數(shù)保持不變。因改變了抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)尺寸，所以抽油機(jī)的懸點(diǎn)動(dòng)載荷發(fā)生了變化。從動(dòng)力示功圖可以看出最大載荷和最小載荷原抽油機(jī)相比均發(fā)生了變化，其結(jié)果為 ,最小載荷，但變化范圍不大，與實(shí)際示功圖還是基本相符。減速器載荷扭矩為： ()平衡驢頭平衡扭矩為：平衡塊重量配重箱體質(zhì)量平衡驢頭質(zhì)量平衡驢頭質(zhì)心下偏角176。，平衡驢頭質(zhì)心到游梁支撐中心的距離F2=3m,配重箱中心到游梁支撐中心的距離F1=,平衡重質(zhì)心與中央座連線和水平線形成的夾角為： ()結(jié)構(gòu)不平衡重 ()結(jié)構(gòu)不平衡重加速度 () 雙驢頭改造方案動(dòng)力示功圖曲柄平衡扭矩為：更換曲柄后曲柄平衡半徑m；曲柄自重 ()曲柄軸上的凈扭矩 () 雙驢頭改造方案扭矩曲線圖最大凈扭矩最大負(fù)扭矩平均扭矩 ()均方根扭矩的確定： ()周期載荷系數(shù) ()電動(dòng)機(jī)額定功率計(jì)算：光桿功率 ()額定功率 () 常規(guī)抽油機(jī)改造方案對(duì)比分析 常規(guī)抽油機(jī)改造方案對(duì)比表方案項(xiàng)目改造前復(fù)合平衡改造方案游梁平衡改造方案雙驢頭改造方案主要改造內(nèi)容增加下偏平衡裝置、支撐裝置、平衡調(diào)節(jié)操作平臺(tái)，剎車、電控箱位置改在側(cè)面，更換電動(dòng)機(jī)、配電箱。增加下偏平衡裝置、支撐裝置、平衡調(diào)節(jié)操作平臺(tái)，剎車、電控箱位置改在側(cè)面，曲柄鋸短，去掉平衡塊，更換電動(dòng)機(jī)、配電箱。增加平衡驢頭、平衡箱、支撐裝置，更換曲柄、去掉平衡塊，加長游梁、連桿、支架尺寸，降低底座高度，調(diào)換減速器方向，更換電動(dòng)機(jī)、配電箱。 改造地點(diǎn)部件工廠內(nèi)制作、油田現(xiàn)場改造部件工廠內(nèi)制作、油田現(xiàn)場改造全部工作在工廠內(nèi)改造周期一個(gè)工作日兩個(gè)工作日七個(gè)工作日改造費(fèi)用5萬元8萬元14萬元懸點(diǎn)載荷104N104N104N104N減速器峰值扭矩104Nm104Nm104Nm104Nm最大負(fù)扭矩104Nm104Nm104Nm104Nm均方根扭矩104Nm104Nm104Nm104Nm周期載荷系數(shù)電動(dòng)機(jī)額定功率沖程3m3m3m3m沖次6646從以上各種改造方案的對(duì)比分析可以看出，改造后抽油機(jī)的減速器峰值扭矩、最大負(fù)扭矩、均方根扭矩、周期載荷系數(shù)均有一定程度的降低，由第二章的理論分析可知，平均輸入功率為，隨著周期載荷系數(shù)的降低，減少的平均有功功率消耗，也就是節(jié)省的耗電量為：復(fù)合平衡改造方案：游梁平衡改造方案：雙驢頭改造方案：平均無功功率為式中U——電壓， Ie——均方根電流。平均功率因數(shù)由以上對(duì)比分析計(jì)算可知，隨著周期載荷系數(shù)的降低，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)也將得到提高[9]；因此三種方案都可以達(dá)到一定的節(jié)能目的。復(fù)合平衡改造因未改變抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)尺寸和抽油機(jī)的沖次，所以懸點(diǎn)載荷未發(fā)生變化，游梁平衡改造方案和雙驢頭改造方案懸點(diǎn)載荷均有一定程度的降低，懸點(diǎn)載荷的降低改善了抽油機(jī)各部件的受力狀態(tài)，提高了抽油機(jī)的可靠性和使用壽命。 常規(guī)抽油機(jī)改造方案優(yōu)選(1)、從節(jié)能效果方面，應(yīng)首選雙驢頭改造方案；(2)、從抽油機(jī)可靠性方面，首選復(fù)合平衡改造方案，其次為方案雙驢頭改造方案。游梁平衡改造方案和雙驢頭改造方案均具有較大的游梁慣性力矩，連桿受力復(fù)雜，抽油機(jī)在6次/min以上沖次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，游梁平衡重慣性大，影響整機(jī)的穩(wěn)定性。如需采用這兩種改造方案，必須輔之以更換低轉(zhuǎn)速電機(jī)，降低抽油機(jī)的沖次。(3)、以井下參數(shù)選擇改造方案時(shí)，如果采用長沖程低沖次的小泵深抽工藝的，首選游梁平衡改造方案；沖次較高、泵徑較大的油井，首選雙驢頭改造方案。(4)從改造經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，首選游梁平衡改造方案。第5章 常規(guī)游梁式抽油機(jī)節(jié)能改造現(xiàn)場應(yīng)用 常規(guī)抽油機(jī)改造試驗(yàn)[19]在第4章方案設(shè)計(jì)和理論分析中可知，三種改造方案均可在一定程度上提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，降低抽油機(jī)的耗電量。但三種方案在經(jīng)濟(jì)性、安全性、實(shí)用性、節(jié)能效果等方面的表現(xiàn)還是具有一定的差異。為了驗(yàn)證三種方案的改造效果，對(duì)三種改造方案分別選取了幾臺(tái)抽油機(jī)進(jìn)行改造試驗(yàn)，(1)首先進(jìn)行了復(fù)合平衡改造方案，： 復(fù)合平衡改造實(shí)物圖復(fù)合平衡改造的抽油機(jī)在游梁尾部直接加裝下偏尾架，可通過調(diào)節(jié)下偏尾架中的平衡塊來調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，將原22kW電動(dòng)機(jī)更換為16kW電動(dòng)機(jī)，將原普通控制柜更換為智能控制電控箱[21]，增加了平衡調(diào)節(jié)操作平臺(tái)，曲柄平衡塊視抽油機(jī)平衡情況可以用兩塊，也可以用4塊。改造后的抽油機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)過改造前后的測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)節(jié)能效果并不明顯，抽油機(jī)較改造前的平均節(jié)電率僅在10%左右。同時(shí)該改造方案的下偏平衡重位置較高，平衡調(diào)節(jié)極不方便，存在一定的安全隱患。但該方案也有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：如改造費(fèi)用低，每臺(tái)抽油機(jī)的改造費(fèi)用僅為5萬元；抽油機(jī)改造周期短，單臺(tái)抽油機(jī)改造周期僅為一個(gè)工作日，抽油機(jī)當(dāng)天停抽開始改造，當(dāng)天即可改造完成重新起抽，完全不會(huì)影響油井的產(chǎn)液量指標(biāo)。(2)其次進(jìn)行了游梁平衡改造試驗(yàn)，： 游梁平衡改造實(shí)物圖游梁平衡改造的抽油機(jī)在游梁尾部掛裝了可拆卸的下偏吊臂，吊臂箱體內(nèi)裝有水泥混凝土，尾部焊接有配重箱，可通過調(diào)節(jié)配重箱中的平衡塊來調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，增加了平衡調(diào)節(jié)操作平臺(tái)；更換了曲柄，取消了曲柄平衡重；將原22kW電動(dòng)機(jī)更換為22/16kW雙功率電動(dòng)機(jī)，將原普通控制柜更換為智能控制電控箱，并將電控箱和剎車改在了抽油機(jī)的側(cè)面，同時(shí)增加了尾部安全圍欄和二層操作平臺(tái)，杜絕了安全隱患，操作更加方便。改造后的抽油機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)過改造前后的測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)節(jié)能效果非常明顯，抽油機(jī)較改造前的平均節(jié)電率在20%以上。同時(shí)該改造方案的下偏平衡重位置適中，平衡調(diào)節(jié)非常方便[27]。但該方案與復(fù)合平衡改造方案相比改造費(fèi)用稍高，每臺(tái)抽油機(jī)的改造費(fèi)用為8萬元；抽油機(jī)改造周期稍長，改造初期單臺(tái)抽油機(jī)改造周期為兩個(gè)工作日，但改造團(tuán)隊(duì)技術(shù)熟練后一個(gè)工作日依然可以改造完成，抽油機(jī)當(dāng)天停抽開始改造，當(dāng)天也可改造完成重新起抽，完全不會(huì)影響油井的產(chǎn)液量指標(biāo)。游梁平衡改造方案由于其下偏吊臂重量過大，在上沖程時(shí)吊臂存在很大的向上的慣性力，影響了抽油機(jī)的平衡和穩(wěn)定性，因此必須更換慢速電機(jī)以降低抽油機(jī)的沖次。游梁平衡改造方案特別適用于油井產(chǎn)液量低、泵充滿系數(shù)不足、需要長沖程低沖次的油