5.9. Кинематика приводов скважинных штанговых насосных установок

П рименяемые в настоящее время станки-качалки имеют кинематические схемы, соответствующие показанной на рис. 5.12 при уравновешивании с помощью грузов или же на рис. 5.13 при гидропневматическом уравновешивании. Основными элементами механизма станка-качалки являются см. рис. 5.12 и 5.13 привод 7, клиноременная передача 2, редуктор 3 и шарнирный четырехзвенный механизм 4, преобразующий вращательное движение вала двигателя в возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг. Клиноременная передача и редуктор обеспечивают получение необходимого числа оборотов кривошипного вала, соответственно числу ходов.

Основное внимание инженера-конструктора при проектировании кинематической схемы станка-качалки должно быть обращено на правильность проектирования шарнирного четырехзвенного механизма, чтобы движение точки подвеса штанг происходило по определенному закону, обеспечивающему; нормальную и заданную работу глубинного насоса, колонны насосных штанг и т.д.

Шарнирный четырехзвенный механизм станка-качалки является кривошипно-коромысловым механизмом с односторонним удлиненным в противоположном направлении, коромыслом (совокупность звеньев к и к₁ называется балансиром). Этот механизм должен обеспечить получение заданной длины хода, точки подвеса штанг, S.

Из рисунков видно см. рис. 5.12, 5.13.

где δ₀ — угол размаха балансира; к₁, — переднее плечо балансира.

При определенных длинах хода и переднего плеча угол размаха балансира будет иметь значение:

Для получения этого угла размаха балансира при определенной длине заднего плеча можно построить многочисленные четырехзвенные механизмы, центр вращения кривошипа которых расположен на участке плоскости, ограниченном только углом D₁CB₂ = 1800 - δ₀ см. рис. 5.14.

Э ти четырехзвенные кривошипно-коромысловые механизмы отличаются друг от друга размерами звеньев, которые определяют габариты, а следовательно, вес станка-качалки. Но от положения центра вращения кривошипного вала зависят, кроме того, кинематические и динамические показатели станка-качалки.

Возьмем два крайних положения точки соединения шатуна с коромыслом, так, чтобы точка B₁ соответствовала нижнему положению точки подвеса штанг, а точка В₂ — верхнему положению этой точки. Очевидно, горизонтальная линия, проходящая через точку С, является биссектрисой угла δ₀ размаха балансира. Проведем прямую, проходящую через точки B₁ и В₂ которая будет перпендикулярна биссектрисе угла δ₀.

Поместим центр вращения О кривошипа на расстояниях а и h от упомянутых выше взаимно перпендикулярных прямых см. рис. 5.14. Так как в крайних положениях механизма направления шатуна и кривошипа совпадают, то, соединяя центр вращения О с крайними точками В₁, и В₂, получим:

Таким образом, четырехзвенник в крайнем нижнем положении переднего плеча балансира обращается в треугольник ОВ₂С со сторонами l + r, к и р, а в верхнем крайнем положении — в треугольник ОВ₂С со сторонами l - r, к и р.

Пересекая ОВ₁ из центра О радиусом ОВ₂, получим

Отсюда величина радиуса кривошипа будет

а длина шатуна

Таким образом, имея кинематическую схему станка при крайних нижнем и верхнем положениях точки подвеса штанг, можно графически определить длину кривошипа и шатуна.

Угол θ между направлениями ОВ₁ и ОВ₂ называется углом несимметричности цикла и имеет определенное влияние на работу станка-качалки и всей глубинно насосной установки.