Обоснование параметров и разработка конструкции энергосберегающего привода штангового скважинного насоса (стр. 18 )

Для станка – качалки по схеме б при кривошипном уравновешивании характерна значительно большая неравномерность нагрузки на шатуне (рис.4.1.2 б), чем у станка – качалки схемы а. Минимальные нагрузки, имеющие место в начале рабочего и конце холостого ходов, меньше максимальных нагрузок, характерных для конца рабочего и начала холостого хода соответственно на 49,66 и 48,53 %, т. е. почти в два раза, несмотря на то, что значения момента нагрузки на балансире на всем протяжении рабочего и холостого ходов является величинами постоянными.

Это обусловлено особенностями конфигурации профиля рабочей поверхности головки на заднем плече балансира, цилиндрическая опорная поверхность которой для гибкой связи выполнена с переменным радиусом относительно центра качания балансира. В процессе поворота балансира при рабочем ходе радиус расположения точки сбегания (крайней точки касания) гибкой связи с опорной поверхности профильной головки относительно центра качания балансира уменьшается. Результатом этого является уменьшение плеча d приложения нагрузки шатуна к балансиру и, при постоянной величине нагружающего момента на балансире – увеличение этой нагрузки. В процессе холостого хода, напротив, происходит увеличение радиуса точки набегания гибкой связи и плеча d приложения нагрузки шатуна к балансиру, в результате чего нагрузка на шатуне уменьшается.

Перевод на комбинированное нагружение для станка – качалки по схеме б характеризуется тем же эффектом, что и для станка со схемой а – снижением нагрузки на шатуне и наличием четко выраженного минимума этой нагрузки в средней части рабочего и холостого ходов (графики 3 и 4 на рисунке 4.1.2 (б). При этом снижение максимума нагрузки на шатуне, имеющего место в конце рабочего и начале холостого ходов, составляет, соответственно, 30,9% и 66%. Снижение минимальных значений нагрузки на шатуне, характерных для начала рабочего и конца холостого ходов составляет, соответственно, 39,0 и 64,35 %.

Изменение в течение цикла работы нагрузки на шатуне станка – качалки по схеме в определяется двумя основными особенностями: переменностью плеча приложения этой нагрузки к балансиру, обусловленной профилем опорной поверхности для гибкой связи на головке, закрепленной на заднем плече балансира, и показанной выше особенностью формирования нагружающего момента на балансире, связанной с изменением положения поворотной головки, шарнирно закрепленной на его переднем плече.

При кривошипном уравновешивании нагрузка на шатуне определяется, главным образом, закономерностью изменения плеча d ее приложения к заднему плечу балансира. На протяжении всего рабочего хода это плечо монотонно уменьшается, а при холостом ходе – увеличивается. Закономерность изменения нагрузки на шатуне – обратная: в процессе совершения рабочего хода нагрузка возрастает, при холостом ходе – уменьшается, несмотря на то, что закономерность изменения момента на балансире противоположна. Однако, влияние последней проявляется в том, что соотношение максимальной и минимальной нагрузок на шатуне при рабочем и холостом ходе – соответственно, равное 1,781 и 1,777, меньше чем у станка – качалки по схеме б , соответственно, имеющее значение 1,986 и 1,943. При этом влияние изменения положения поворотной головки на переднем плече балансира наиболее заметно проявляется в начале рабочего хода, когда в процессе выведения головки из крайнего нижнего положения момент нагрузки на балансире интенсивно снижается, тогда как уменьшение плеча приложения нагрузки шатуна к балансиру является наименее скоростным. В результате этого нагрузка на шатуне в начале рабочего хода изменяется медленно. Однако, в процессе совершения рабочего хода, несмотря на уменьшение момента на балансире, необходимого для поворота головки в направлении рабочего хода, в результате уменьшения плеча приложения нагрузки шатуна к балансиру интенсивность возрастания этой нагрузки, особенно в средней части рабочего хода, значительно увеличивается. В заключительной части рабочего хода интенсивность роста этой нагрузки вновь снижается в связи с переходом головки поворотной к крайнему верхнему положению, при приближении к которому создаваемый ею момент на балансире снижается наиболее быстрыми темпами.

Уменьшение нагрузки на шатуне в процессе совершения холостого хода в результате увеличения плеча d приложения этой нагрузки к балансиру также неравномерно. Замедленные темпы ее снижения в начале и в конце холостого хода обусловлены замедленным поворотом балансира с помощью кривошипно – шатунного механизма в этих фазах рабочего процесса.

Кроме того, замедленному снижению нагрузки на шатуне на протяжении всего холостого хода способствует увеличение момента нагрузки на балансире, обусловленное поворотом головки на переднем плече из верхнего в нижнее положение.

При комбинированном нагружении его общие особенности, проявляющиеся в уменьшении величины рабочей нагрузки на шатуне и в закономерности ее изменения, для которой характерны наличие минимума ее величины в средней части рабочего и холостого ходов, дополняются значительным влиянием закономерности изменения момента на балансире, связанной с поворотом головки на его переднем плече. Проявлением этого влияния являются значительно меньшее, чем при кривошипном уравновешивании, отношение нагрузок на шатуне в конце и начале рабочего хода, равное 1,39, и противоположная имеющей место при кривошипном уравновешивании закономерность увеличения нагрузки на шатуне в конце холостого хода по сравнению с нагрузкой в его начале.

В связи с особенностями формирования нагрузки на балансире, связанными с наличием и движением поворотной головки, при кривошипном уравновешивании максимальная нагрузка рабочего хода на шатуне станка – качалки по схеме в превосходит такую же нагрузку станков – качалок по схемам б и а соответственно, в 1,37 и 1,63 раза, тогда как при холостом ходе эти соотношения составляют, соответственно, 1,438 и 1,645.

При комбинированном уравновешивании эти соотношения составляют, соответственно, 1,093 и 1,569; 0,787 и 1,429.

Несмотря на столь значительное различие нагрузок на шатуне, величины создаваемых ими моментов на валах кривошипов исследуемых станков – качалок отличаются между собой существенно меньше. Это обусловлено обратным относительно различия нагрузок различием радиусов кривошипов и, соответственно, плеч приложения к их валам нагрузки на шатуне в течение рабочего цикла станка – качалки.

Рисунок 4.1.3 - Составляющая момента на кривошипе от нагрузки канатной подвески при кривошипном (1,2) и комбинированном (3,4) уравновешивании; при рабочем (1,3); при холостом ходе (2,4)

Момент нагрузки на кривошипе (рис.4.1.5) является результатом алгебраического сложения моментов, созданных нагрузкой канатной подвески (рис.4.1.3), приложенной к кривошипу с помощью шатуна, и силой тяжести противовеса, установленного на кривошипе (рис.4.1.4).

У станка – качалки по схеме а в условиях кривошипного уравновешивания, во время рабочего хода происходят начальное возрастание суммарного момента, достижение им максимума, уменьшение и последующее возрастание до большей, чем в начале рабочего хода, величины (рис.4.1.5 а), график 1. Начальное возрастание связано с увеличением плеча е приложения нагрузки шатуна к кривошипу и создаваемого этой нагрузкой момента (рисунок 4.1.3 а), достигающих минимума в средней части рабочего хода и уменьшающихся в его заключительной половине. Однако, в результате сложения с противоположно направленным моментом на кривошипе, создаваемым силой тяжести противовеса, также достигающего максимума в средней части рабочего хода, происходит снижение суммарного момента на кривошипе в средней части и ограничение возрастания его в начальной и заключительной части рабочего хода. После прохождения кривошипом вертикальных положений 12 и 24, в которых момент от силы тяжести противовеса равен нулю, опережающее возрастание этого момента создает нагрузку рабочего хода в его начальной и заключительной части.

В конце рабочего хода этот момент имеет положительное направление создания нагрузки на двигатель, тогда как нагрузка в его начале имеет отрицательное направление – в сторону разгона двигателя.

Достигнутая в положении 1 в конце рабочего хода величина положительно направленного момента на кривошипе, созданного силой тяжести противовеса, с возрастанием в первой половине холостого хода плеча f приложения ее к кривошипу также увеличивается, однако, одновременно с этим увеличивается плечо е приложения к кривошипу нагрузки холостого хода шатуна и создаваемый ею отрицательно направленный момент, ограничивающий возрастание момента силы тяжести противовеса на кривошипе. Сложение этих одновременно увеличивающихся и противоположно направленных моментов создает достаточно стабильную нагрузку на кривошипе в первой половине холостого хода. Однако, в его средней части плечи приложения е и f этих нагрузок к кривошипу достигают максимума, после чего следует их уменьшение и соответствующее уменьшение абсолютной величины и алгебраической суммы моментов.

Рисунок 4.1.4 - Составляющая момента нагрузки на кривошипе (уравновешивающий момент), создаваемая противовесом при кривошипном (1,2) и комбинированном (3,4) уравновешивании при рабочем (1,3) и холостом (2,4) ходе.

Весьма существенной особенностью работы дезаксиального станка – качалки по схеме а является то, что начала и окончания рабочего и холостого ходов не совпадают по времени с вертикальными положениями кривошипа 12 и 24 и, соответственно, с крайними верхними и нижними положениями противовеса на кривошипе, при которых моменты от его силы тяжести равна нулю. В результате этого в конце холостого хода плечо f приложения силы тяжести противовеса, постепенно уменьшаясь, становится равным нулю в положении кривошипа 12, тогда как плечо е уменьшается до нуля позже, в промежутке между положениями 12 и 13. Поэтому в завершающей части холостого хода величина отрицательно направленного момента на кривошипе от нагрузки шатуна с некоторого момента времени превышает момент, созданный силой тяжести противовеса, и суммарный момент нагрузок на кривошипе приобретает отрицательное направление. После прохождения кривошипом вертикального положения 12 приобретает отрицательное направление и момент от силы тяжести противовеса, набирающий значительную величину до начала рабочего хода. Так как эта величина при рабочем ходе продолжает увеличиваться с увеличением плеча f, положительный момент от нагрузки шатуна, постепенно возрастающий в начале рабочего хода от нулевого значения, начинает ее превышать со значительным запаздыванием относительно начала рабочего хода.