Обоснование параметров и разработка конструкции энергосберегающего привода штангового скважинного насоса (стр. 11 )

[11, 12, 13, 15, 17, 19, 20, 21, 22, 23], не может быть распространено на станки - качалки со схемами б и в, отличающиеся структурой механизмов и способом взаимодействия их звеньев. Более того, так как известные расчетные зависимости получены и зарекомендовали себя как корректные в определенном диапазоне конструктивных параметров, существующих станков – качалок, их применение даже для расчетов станка – качалки со схемой а с новым сочетанием конструктивных параметров, обеспечивающим увеличенную длину хода, требует обоснования. Тем более, они не могут быть применены для расчета параметров и характеристик рабочего процесса станков – качалок со схемой б, отличающихся наличием гибкой связи шатуна с балансиром, и станков – качалок со схемой в, кривошипно – шатунный механизм которых дополнен не только гибкой связью шатуна с балансиром, но и поворотной головкой, установленной на переднем плече балансира.

Поэтому, а также в связи с тем, что расчетные зависимости для определения параметров и характеристик рабочего процесса станков – качалок со схемами б и в не установлены, предлагается универсальный метод исследования работы станков – качалок рассматриваемых схем, основанный на определении текущих значений нагрузок в звеньях их механизмов в процессе совершения рабочего цикла при заданной внешней нагрузке в виде тягового усилия канатной подвески. Нагрузки определяются в относительных положениях звеньев механизма станка – качалки, соответствующих их взаимосвязанному движению, и последовательно отображающих полный цикл его работы.

Для обеспечения точности получаемых результатов и выводов, число таких положений должно быть достаточно большим. Поэтому, так как цикл работы станка – качалки происходит в пределах совершения ведущим звеном – валом кривошипов одного оборота, предложено разделить центральный угол поворота этого вала за один цикл, равный 3600, на 24 равные части с центральными углами по 150 каждая, и в 24 положениях звеньев, соответствующих 24 положениям кривошипов, выполнить силовой анализ механизмов. Так как угловая скорость кривошипов в течение цикла работы станка – качалки практически постоянна, полученные при этом зависимости нагрузки от положения кривошипов с достаточной точностью обеспечивают также отображение изменения нагрузок на звенья механизма во времени.

Для установления с необходимой точностью относительного расположения звеньев, соответствующего процессу их взаимосвязанного движения, предложено использование метода графического моделирования, позволяющее исключить неточности, связанные с вычислением этих положений аналитическими методами. Реальные возможности применения метода графического моделирования с этой целью обусловлены тем, что звенья механизмов станков – качалок не имеют излишних степеней свободы, которые создали бы неоднозначность их относительного расположения при заданных положениях кривошипов.

3.2 Расчетные схемы и конструктивные параметры станков – качалок. Принятые обозначения и расчетные модели силового анализа рабочих процессов

Расчетные схемы станков – качалок приведены на рисунке 3.2.1. На схемах расчетные положения кривошипов обозначены порядковыми номерами от 1 до 24, возрастающими в направлении вращения [46, 47, 81, 82, 83, 94].

При составлении уравнений силового анализа, в соответствии с общепринятыми допущениями, не учитывались [84, 85, 86, 87, 88, 89]:

- инерционные нагрузки масс – с учетом весьма малой частоты ходов станков – качалок;

- упругая деформация канатов, на 3-4 порядка меньшая происходящих при работе станка – качалки перемещений его элементов;

- сила тяжести элементов станков – качалок, за исключением противовесов.

1 – кривошип; 2 – противовес; 3 – шатун; 4 – балансир; 5 – головка балансира; 6 – канатная подвеска устьевого штока; 7 – гибкая связь шатуна с балансиром; 8 – головка на заднем плече балансира; 9 – шарнирная тяга; 10 – поворотная головка балансира; 11 – исполнение балансира для комбинированного уравновешивания; 12 – груз

Рисунок 3.2.1 - Расчетные схемы станков-качалок

К исследованию были приняты станки - качалки с приведенными в таблице 3.2.1 конструктивными параметрами, установленными при их разработке [117].

Таблица 3.2.1 - Конструктивные параметры станков – качалок

Параметр	Схема станка – качалки
а	б	в
L, м	5,75	3,822	3,840
αб, град	60	90	60
Rкр, м	1,45	1,215	0,854
r, м	-	2,0	2,0
Р, м	8,680	7,200	5,660
Е, м	3,600	2,100	1,770
Rпр, м	2,2	2,0	2,0
Н, м	14,2	13,6	12,0
L1,м	12,40	9,50	8,19
В, м	3,03	3,54	3,03
lх, м	6,0	6,0	6,0
nх,1/мин	6,0	6,0	6,0
Кривошипное уравновешивание	Gпр, кН	1,09 Q	1,22 Q	1,225 Q
Комбинированное уравновешивание	Gгр, кН	0,6272 Q	0,695 Q	1 Q
lгрмакс, м	5,0	3,0	3,0
Gпр, кН	0,370 Q	0,448 Q	0,438 Q

Кинематические параметры станков – качалок (скорости движения и зависимости перемещения звеньев от времени, угловая скорость кривошипного вала и проч.), практически не чувствительны к изменениям моментов внешней нагрузки и к динамическим нагрузкам, характерным для станков – качалок. Это обусловлено большим передаточным числом передач, более чем в 100 раз снижающим размах колебаний нагрузки на валу; наличием в составе привода вращающихся с большой угловой скоростью масс со значительными моментами инерции массы и большим запасом кинетической энергии, стабилизирующим скорости вращения всех валов (массивный ведомый шкив клиноременной передачи на быстроходном валу редуктора; ротор электродвигателя и ведущий шкив на его валу); малой частотой ходов, обеспечивающей малую величину ускорений звеньев в результате кинематических закономерностей их движения; способностью электродвигателя реагировать на возрастание нагрузки на его валу увеличением создаваемого вращающего момента (в асинхронных электродвигателях – до 2,8 раз по сравнению с моментом номинальной нагрузки).

Это исключает необходимость сопровождения анализа силового взаимодействия звеньев механизма на основе уравнений статики уточнением их положения на основе решения уравнений динамики.

С учетом этого, анализ силового взаимодействия звеньев механизмов в каждом из рассматриваемых положений выполнен на основании следующих уравнений [97, 98].

В рассматриваемых схемах станков – качалок определяются на основе решения одинаковых уравнений:

- усилие в шатуне

(3.2.1)

где: и – момент нагрузки на балансире и плечо ее приложения к шатуну.

- составляющая момента нагрузки на кривошипном валу, создаваемая внешней нагрузкой

(3.2.2)

где: - плечо приложения нагрузки на шатуне к кривошипам;

- составляющая момента нагрузки на кривошипе, создаваемая противовесом

(3.2.3)

где: и – сила тяжести противовеса и плечо ее приложения к кривошипному валу.

-  момент нагрузки на кривошипе

- при рабочем ходе

(3.2.4)

- при холостом ходе

Момент нагрузки на кривошипном валу станка – качалки непостоянен – он меняется дважды от минимума до максимума и наоборот в течение цикла работы станка - качалки. В определенных пределах, это не представляет опасности для электродвигателя, так как одной из особенностей работы асинхронных трехфазных электродвигателей, обычно применяемых в приводах штанговых скважинных насосных установках, является возможность кратковременной работы с перегрузкой по вращающему моменту до 2,8 раз. Однако, длительной работы с перегрузкой электродвигатель не выдержит в связи с большим тепловыделением и перегревом его обмотки. Поэтому подбор электродвигателя заниженной номинальной мощности приведет к нарушению электроизоляции его обмотки в результате перегрева и к аварийному нарушению работоспособности.

С другой стороны, подбор электродвигателя из соображений соответствия номинальной мощности величине максимального за цикл изменения нагрузки сопротивления движению приведет к неоправданному завышению номинальной мощности и к повышенному расходу электроэнергии. Так как электродвигатель в приводе штанговых скважинных насосов работает в течение года практически непрерывно, перерасход электроэнергии будет весьма значительным, что ухудшит технико-экономические показатели работы штанговой скважинной насосной установки.