Определение максимальной нагрузки в точке подвеса насосных штанг к головке балансира

Для определения максимальной нагрузки в точке подвеса штанг в зависимости от режима откачки пользуются различными формулами.

Наиболее распространен в практике статический метод расчета максимальной нагрузки в точке подвеса штанг, при котором вводятся только статические усилия силы тяжести штанг и жидкости и силы инерции то ее максимальному значению у точки подвеса штанг, т.е.

(27)

Известные расчетные формулы для максимальной нагрузки за ход вверх имеют различные написания в зависимости, главным образом, от способа оценки инерционных нагрузок (учитывается или не учитывается инерция жидкости), но результаты расчетов по ним примерно одинаковы.

Максимальная нагрузка в точке подвеса штанг с учетом статической и динамической нагрузок и усилий, возникающих от вибрации колонны штанг, составит

(28)

В общем, виде все расчетные формулы можно привести к виду

(29)

где ; - фактор динамичности ; - плотность материала штанг;

- плотность жидкости; S- длина хода точки подвеса штанг; - число качаний.

Осн.: 1. [362-373], 3. [608-643]

Контрольные вопросы:

1. Как определяются статические нагрузки?

2. Как определяются динамические нагрузки?

3. Как определяется суммарное удлинение ступенчатой колонны штанг?

Лекция № 14. Принципы уравновешивания станка-качалки. Эксплуатация скважин штанговыми насосами в осложненных условиях.

4.1 Принципы уравновешивания станка-качалки.

Основная нагрузка на головку балансира при его ходе вверх равна весу столба жидкости и штанг ( ). При ходе головки балансира вниз нагрузка остановится равной только весу штанг, так как нагнетательный клапан открывается и нагрузка от столба жидкости передается на трубы. Это приводит к неравномерной работе электродвигателя.

За первую половину оборота кривошипа (ход вверх) двигатель совершает работу, равную .

За вторую половину оборота кривошипа (ход вниз) двигатель не только не совершает никакой работы, а наоборот, мог бы генерировать электроэнергию в сеть, так как под воздействием силы тяжести штанг через балансир систему трансмиссии двигатель вращался бы и отдавал сеть в энергию, равную эта энергия отрицательна и за полный оборот кривошипа совершается работа, равна сумме

Устранить неравномерность нагрузки электродвигателя можно соответствующим уравновешиванием станка-качалки.

Поскольку сила тяжести штанг действует на головку балансира при ходе вверх и при ходе вниз, то при равноплечем балансире на заднем плаче необходимо поместить противовес, по крайне мере равный весу штанг. В этом случае штанги будут уравновешенны и при ходе вверх двигатель будет совершать положительную работу , а при ходе вниз – нулевую работу.

Нагрузки на электродвигатель будут постоянны при условии постоянства крутящего момента на валу кривошипа за обе половины хода. Равенство работ при ходе вверх и при ходе вниз может быть обеспеченно лишь в этом случае, если за первую половину хода ( ход точки подвеса штанг вверх) В шатуне возникает растягивающая сила, а за вторую половину хода ( ) ход точки подвеса штанг вниз) в шатуне возникает сжимающая сила ; Эти две силы по абсолютной величине должны быть равны. При соблюдении указанного условия электродвигателя будет наиболее равномерной.

Кинематическая схема станка-качалки имеет вид (рис.1)

Рисунок 1. Кинематическая схема станка-качалки

Составим уравнения работы всех действующих сил за ход вверх и ход вниз. Считается работа положительной, если направление силы совпадает с направлением движения. На заднем плече балансира на расстоянии с от поры балансира поместим груз G, величину которого необходимо определить.

При ходе штанг вверх сумма работ всех сил равна

(1)

где - нагрузка при ходе вверх ; - растягивающая сила в шатуне.

Сумма работ всех сил при ходе штанг вниз равна

(2)

где - нагрузка при ходе вниз; - сжимающая сила в шатуне.

Из (1) определим

(3)

из (2) находим

(4)

По условиям уравновешенности электродвигателя, растягивающие и сжимающие усилия в шатуне должны быть равны, т.е. , тогда имеем с учетом (3) (4)

(5)

Отсюда находим G с учетом, что

(6)

Из формулы (6) следует, что для равноплечого балансира (а=в), если груз G поместить в точку соединения шатуна с балансиром (с=в), то вес контргруза G должен равняться весу штанг плюс половина веса столба жидкости ( ).

Формула (6) поясняет принцип уравновешивания станка – качалки.

При выводе формулы (6) не учитывался вес деталей станка – качалки: шатуна, кривошипа, верхней траверсы, неуравновешенной части самого балансира и др.

Например, вес двух шатунов и поперечной траверсы действует так, же как контргруз.

Если их общий вес равен G то, очевидно, никакого дополнительного груза для уравновешивания не потребуется.

Необходимый для уравновешивания груз G можно сосредоточить не только в точке А - точка соединения траверсы с балансиром, но в точке В - точке соединения шатуна с кривошипом. Также уравновешивающий груз можно перемещать вдоль кривошипа с учетом соответствующего соотношения длин рычагов.

В случае размещения груза на продолжении кривошипа, на расстоянии от R оси вращения, то вес контргруза необходимо уменьшить в r\R раз, который будет равен

(7)

Таким образом, уравновешивание станка- качалки можно обеспечить размещение необходимого контргруза либо на заднем плече балансира, либо на кривошипе. Поэтому различают балансирное, кривошипное и комбинированное уравновешивание.

Балансирное – уравновешивание применяется у станка – качалки малой грузоподъемности;

Кривошипное – у станка – качалки большой грузоподъемности;

Комбинированное – у станка – качалки средней грузоподъемности.

Балансирные контргрузы выполняются в виде чугунных пластин, навешиваемых на заднее плечо балансира.

Кривошипные контргрузы выполняются в виде полуовальных чугунных отливок-пластин, укрепляемых на кривошипах.

Для уравновешивания станка-качалки используются номограммы, в паспортной характеристике станка-качалки.

Однако определение веса контргруза и места его установки на кривошипе или балансире расчетным путем, с помощью форм или номограмм, не всегда обеспечивает наилучшее уравновешивание станка-качалки.

Это объясняется тем, что теоретически невозможно учесть все нагрузки, возникающие в звеньях станка- качалки, а также степень изношенности узлов качалки, к.п.д. всей установки, которые в теоретических формулах не учитывается, но существенно влияют на уравновешивание станка- качалки.

Окончательное уравновешивание осуществляется с помощью контролирования тока, потребляемого электродвигателем, при ходе головки балансира вверх и вниз. Стрелка амперметра, включенного в питающую двигатель электролинию, должна давать одинаковые максимальные отключения при ходе вверх и вниз.

Осн.: 1. [389-392], 3. [603-605]

Контрольные вопросы:

1. Каким образом осуществляется уравновешивание станка-качалки?

2. Как производится окончательное уравновешивание станка-качалки?