7.4 Вибір способу зрівноваження і практичні методи зрівноваження

При комбінованому зрівноваженні верстатів-качалок залишається невирішеним питання - яку частину зрівноваження вести балансирними вантажами, яку кривошипними. Це завдання можна вирішити розрахунковим шляхом. Для визначення величини кривошипного вантажу при комбінованому зрівноваженні існує залежність, з якої можна одержати вираз, що показує частку балансирного і кривошипного зрівноваження. Потім частку кривошипного зрівноваження виражають через параметри роботи установки, вирішивши, таким чином, завдання однозначно.

Вага кривошипних вантажів

(7.9)

(7.10)

Перший доданок - частка кривошипного зрівноваження, другий - балансирного.

Використовуючи деякі залежності так званої уточненої кінематики, можна знайти наступну умову отримання додатніх значень тангенціальних зусиль після зрівноваження:

(7.11)

Приймемо . Тоді

(7.12)

Якщо права частина нерівності близька до одиниці, то зрівноваження кривошипне, якщо до нуля — балансирне. В решті випадків зрівноваження комбіноване.

Розрахунок зрівноваження, як видно, базується на елементарній теорії роботи установки. Тому звичайно проводиться додаткове зрівноваження при роботі установки. Застосовують два методи дозрівноважування: за допомогою динамограми і за допомогою виміру сили струму при ході точки підвісу штанг вверх і вниз. На практиці прийнятий другий метод. Цей метод базується на тому, що крутний момент пропорційний силі струму:

(7.13)

де k_p - коефіцієнт, який залежить від типу і конструкції верстата-качалки; і — сили струму при ході вверх і вниз відповідно.

Якщо сили струму при ході вверх і вниз різні, то додатковий зрівноважувальний момент буде

(7.14)

З іншого боку, , де m — відстань, на яку необхідно пересунути кривошипний вантаж для повного зрівноваження:

(7.15)

Для зв'язку правої частини рівняння з параметрами установки запропонована емпірична формула:

(7.16)

де L - глибина підвіски насоса; коефіцієнт k_p залежить від типу верстата-качалки, діаметра плунжера насоса і довжини ходу.

Тоді

(7.17)

Якщо m менше нуля, то необхідно зменшити момент зрівноваження і зсунути вантаж до вала редуктора, якщо більше, то треба збільшити момент зрівноважувальних вантажів. Для виміру сили струму без розриву ланцюга застосовують ампер-кліщі.

7.4 Визначення споживаної потужності установки штангового насоса

Потужність, споживану установкою штангового насоса, визначають декількома методами. Основні з них:

1) за залежністю потужності від тангенціального зусилля на пальці кривошипа;

2) за допомогою ряду напівемпіричних формул;

3) по залежності потужності від ККД.

Тангенціальні сили на пальці кривошипа пов'язані з потужністю такою залежністю:

(7.18)

Тангенціальну силу визначають за графіком, причому для розрахунку можна взяти її максимальну величину і тоді двигун виявиться сильно недовантаженим. Це знижує ККД установки і коефіцієнт потужності (соsφ). При середньому значенні тангенціальної сили електродвигун перевантажений і, як показала практика, перегрівається.

Оптимальну потужність визначають за середнім квадратичним тангенціальним зусиллям:

(7.19)

Розв´язати рівняння (7.19) можливо тільки при вираженні тангенціального зусилля за умовами елементарної теорії. В інших випадках вирішення цього рівняння складне і громіздке. Проте небагато установок працює за умов, що відповідають елементарній теорії. Тому для визначення потужності приводу застосовують інші методи. Є ряд напівемпіричних формул, зокрема АзНДІ (Д.В. Ефремов), АзІНМАШ (П.А. Іванков).

Перевірка відповідності дослідних даних розрахунковим величинам потужності, одержаним за цими формулами, показала наступне. В одному з дослідів середня квадратична похибка розрахунків за формулою П.А. Іванкова склала 18 %, а за формулою Д.В. Ефремова - 55 %; при інших дослідах відхилення розрахункових даних від дослідних за формулою П.А. Іванкова склало 2,5 %, за формулою М.І. Любасова -

27 % і Н.В. Резнікова - 60 % . Частіше застосовують формулу, виведену А.П. Іванковим. Як видно з порівняння, вона дає результати розрахунків, найбільш близькі до практичних даних. Формула має такий вигляд:

, (7.20)

де k_т - поправочний коефіцієнт, що враховує нелінійність між струмом і крутним моментом електродвигуна (рекомендують k_т = 0,95); k_ф - коефіцієнт форми кривої моменту або тангенціальних зусиль; N₀ - втрати потужності в наземному устаткуванні, непропорційні навантаженню; N_ср - середня потужність (в кВт).

(7.21)

де F, Δp, n, S_пл - вже відомі позначення; _вк - ККД верстата-качалки (0,8 - 0,85); _по - ККД решти поверхневого обладнання (0,9 – 0,95).

Коефіцієнт форми кривої є відношення Т_кв/Т_ср.

Для рідини з густиною, рівною одиниці, вираз приведений до наступного виду¹:

, (7.22)

де k₀ = k_f/1,11.

Формула (7.22) виведена з допущенням, що коефіцієнт наповнення насоса рівний одиниці.

П.А. Іванковим дані наступні залежності для визначення коефіцієнта k₀ при зрівноваженні:

- комбінованому

(7.23)

- балансирному

(7.24)

- кривошипному

(7.25)

¹ Примітка: У формулах П.А. Іванкова замість Δp дано γН_с, де H_c - глибина підвіски насоса. Враховуючи, що в сучасних умовах насоси часто занурюють на суттєву глибину під динамічний рівень відкачуваної суміші і, крім того, виникають сили тертя і частину роботи по підйому суміші проводить газ, точніше виразити потужність через тиск відкачуваної суміші на плунжер.

Тут

де k₁, k, l і c - розміри ланок верстата-качалки (див. рис. 7.2); F_бк - вага балансирного вантажу; F_бк+кб - сума ваги всіх противаг.

АзІНМАШ рекомендував втрати N₀ визначати з наступної залежності:

.

Нижче приведені значення коефіцієнта K. В дужках вказані шифри відповідних сучасних верстатів-качалок.

Тип верстата-качалки К

СКН2-615 (СК2-0,6-250)……………………………16

СКН3-915 і СКН31515 (СК3-1,2-650)……………...29

СКН5-1812 і СКН5-3015 (СК5-3-2500)…………….88

СКН10-2115 і СКН10-3315 (СК10-3-5600)………..144

Коефіцієнт k_a залежить від відношення S_пл/S_А.

Залежність k_a від S_пл/S_А приведена нижче.

S_пл/S_А 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

k_a 0,55 0,7 0,8 0,9 0,95 0,98 1

Потужність, споживану установкою, визначають, розділивши потужність двигуна на його ККД.

Орієнтовні розрахунки можна проводити за методикою, рекомендованою АзІНМАШем. Ця методика базується на визначенні ККД окремих вузлів установки.

ККД всієї установки приймають рівним

, (7.26)

де _г — гідравлічний ККД підземної частини установки

(слід враховувати, що на ККД роблять вплив витікання

_вит, але не коефіцієнт наповнення _нап);

_мех - механічний ККД підземної частини;

_вк - ККД верстата-качалки;

_ед - ККД електродвигуна.

Значення механічного ККД наведені в табл. 7.1 за даними АзІНМАШа залежно від діаметра плунжера і глибини підвіски насоса.

ККД верстата-качалки

(7.27)

де N_т = N_пол/_г - теоретична потужність установки з урахуванням гідравлічних втрат; N₀ - втрати потужності у верстаті-качалці. Для визначення N_т (у кВт) дається залежність

Таблиця 7.1 - Значення _мех залежно від глибини підвіски Н і діаметра насоса D

Н , м	D , мм
	28	32	38	43	55	68	93	120
400	0,72	0,77	0,80	0,84	0,88	0,90	0,92	0,94
600	0,78	0,81	0,85	0,88	0,90	0,92	0,94	0,96
800	0,80	0,84	0,87	0,89	0,92	0,93	0,96
1000	0,82	0,85	0,88	0,90	0,93	0,94
1200	0,83	0,86	0,89	0,91	0,94	0,95
1400	0,84	0,87	0,89	0,91	0,94
1600	0,84	0,87	0,90	0,92	0,95
1800	0,85	0,88	0,90	0,93
2000	0,85	0,88	0,90	0,93
2200	0,86	0,89	0,91
2400	0,86	0,89
2600	0,86	0,89
2800	0,86	0,89
3000	0,87

Втрату потужності у верстаті-качалці знаходять із залежності

ККД електродвигуна береться за даними, приведеними нижче.

Потужність двигуна, кВт 1-2,8 4,5-7 Більше 7

_ед 0,75 0,8 0,83

Таким чином визначають всі складові ККД установки. Знаючи корисну потужність (кВт)

, (7.28)

знаходимо потужність, споживану установкою:

. (7.29)