книги / Нефтепромысловые машины и механизмы
..pdf§ 98. Способы уравновешивания станка-качалки и расчет уравновешивания
Применяют два способа уравновешивания:
1 ) механическое, которое в свою очередь подразделяется на балансирное, роторное, комбинированное;
2) пневматическое.
Балансирное уравновешивание наиболее простое. На хвосте
балансира закрепляют груз |
в виде плит (рис. 153). |
|
|
||||
|
Обозначим через с расстояние от |
||||||
|
центра |
тяжести противовеса, имеющего |
|||||
|
вес X, |
до |
оси |
О качания |
балансира |
||
|
станка-качалки. При работе качалки |
||||||
|
точка |
С будет |
описывать дугу длиной |
||||
|
SQ1 которая |
соответствует пути, прой |
|||||
|
денному противовесом. |
|
|
||||
|
У уравновешенного станка-качалки |
||||||
|
при ходе головки балансира |
вниз дви |
|||||
Рис. 153. Схема балансирного |
гатель |
затрачивает |
работу |
на подъем |
|||
уравновешивания. |
противовеса, а |
при |
ходе |
вверх проти |
|||
|
вовес, |
опускаясь, будет |
помогать дви |
гателю поднимать штанги и жидкость, возвращая затраченную на него работу. Напишем выражение работ с учетом веса противовеса
ипренебрегая силами инерции. Для хода вверх
L B = (P + G)SA - X S c .
Для хода вниз
|
|
£« = - ^ |
л + и |
0- |
Так |
как |
рассматриваемый |
станок-качалка уравновешен, то |
|
L B= L B, |
следовательно, |
|
|
|
|
|
(P + G)SA - X S C = - P S A + X S c . |
||
Решая это |
равенство относительно X, |
получим |
Учитывая, что S A и |
S c |
пропорциональны плечам |
а и с, по |
лучим |
|
|
,V'3I) |
х |
- { |
р + т ) т - |
При таком противовесе работа, совершаемая станком-качалкой, а следовательно, и нагрузка на двигатель будут равны при ходе
ВВерх и вЧиз. Формула (V. 31) не учитывает неуравновешенности
самого станка-качалки, и полученное значение X несколько завы шено.
Неуравновешенность станка-качалки объясняется тем, что заднее Ш1ечо балансира при балансирном уравновешивании делают длиннее
пеРодиего |
плеча. Кроме |
того, на |
заднем |
плече висит |
шатун. По |
э т о м у из |
найденного по |
формуле |
(V. 31) |
значения X |
необходимо |
вычесть некоторую величину Хо груза, уравновешивающего станоккачалку.
Обозначим согласно схеме рис. 154: q1 — вес головки балансира; Яг — вес Переднего плеча балансира; q3 — вес заднего плеча балан
сира длиной с; |
q± — вес шатуна |
и узла сочленения с балансиром. |
||||
Сумма Моментов этих сил относительно |
||||||
оси качания балансира |
равна |
моменту |
||||
некоторого груза Хо, который нужно |
||||||
приложить в точке С для уравновешива |
||||||
ния станка-качалки: |
|
|
|
|||
Я\а + ?2 2 |
Яз ~2 |
ЯФ = |
|
|
||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
Яз ~ + ЯаР —?ift— |
с, |
Рис. 154. Схема уравнове |
||
у |
___ |
|
Z |
|
шивания станка-качалки. |
|
А0 |
----------------- • |
|
|
|
Следовательно, вес уравновешивающего противовеса с учетом
неуравновешенности станка-качалки |
будет равен |
|
* = (^ + f ) |
y - X a. |
(V. 32) |
При определении величины противовеса были учтены только
статические силы; |
однако при |
работе станка-качалки, особенно |
|
при значительном |
числе ходов, |
в системе возникают значительные |
|
динамические |
силы. |
|
|
Вследствие |
неравномерности движения противовеса, расположен |
ного на хвосте балансира, появится сила инерции. Величина этой силы будет равна
Х — |
Т |
g |
ь |
Величина X* не оказывает влияния |
иа величину работы, но |
при больших числах качаний она становится большой и оказывает вредное влияние на всю установку, расшатывая ее.
Для работы насосной установки в скважинах большой глубины приходится ставить большие противовесы, а установка их на балан сире представляет большие трудности.
При роторном уравновешивании уменьшается влияние инерцион ных сил от противовеса. При роторном уравновешивании противовес помещают на кривошипе, с которым он вращается, составляя одно целое — ротор. Так как противовес вращается с постоянной угловой скоростью, то не возникают инерционные силы.
Регулируют уравновешивание перемещением грузов вдоль криво шипа. Вес противовеса определяют, исходя из тех же соображении, что и при балансирном уравновешивании, учитывая схему силы веса противовеса через кривошип и шатун (рис. 155).
Обозначим через S R путь, равный половине окружности с радиу
сом R; R — расстояние от центра тяжести роторного груза до центра вала кривошипа; Рш — усилие по шатуну.
Для хода вверх можно написать выражение для работы
|
|
|
L a = {P + G)SA - P J S B. |
|
|
|
|
Из схемы |
видно, что |
|
|
|
РщГ = X VR у |
|
|
|
|
откуда |
R |
Рис. 155. |
Схема |
роторного урав |
|
|
Р Ш — Хт) — . |
||||
|
новешивания. |
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L B = (P + G)SA - X ] |
^ В - |
|
Для |
хода вниз |
Р Г |
||
|
|
|||
Из условия |
К — |
+ |
|
|
получим |
|
|
L в — Ьъ |
|
|
|
|
|
(p + e)sA- x t-S-sB= - PSA + x,£-s,
Решая относительно Хр, получим
Заменяя |
М '+ т К г т - |
— , получим |
|
|
о |
|
I-=(f+f)FF |
При учете неуравновешенности самого станка-качалки п о л у ч и м
(V. 33)
(здесь Х 0 отнесено к точке В)
При роторном уравновешивании грузы имеют постоянную вели чину, поэтому при подборе необходимого момента для уравновеши вания изменяют положение грузов на кривошипе, т. е. радиус R. Величину радиуса R определяют из выражения (V. 33):
R = |
(V.34) |
Величина Х р представляет суммарный вес роторных противове сов. При роторном уравновешивании благодаря постоянной угловой скорости тангенциальное ускорение ротора равно нулю и, следова
тельно, его |
масса |
не оказывает непосредственного действия на ди |
|||||
намические |
силы |
в |
системе. |
приводит |
|
|
|
Нормальное |
ускорение |
|
|
||||
к возникновению |
центробежной силы, |
|
|
||||
направленной вдоль |
кривошипа и вос |
|
|
||||
принимаемой подшипниками кривошип |
|
|
|||||
ного вала. |
|
|
уравновешива |
|
|
||
Комбинированное |
|
|
|||||
ние — комбинация балансирного и ро |
|
|
|||||
торного уравновешивания; применяется |
|
|
|||||
оно в станках-качалках для средних |
|
|
|||||
нагрузок, когда применение |
балансир |
Рис. 156. Схема комбиниро |
|||||
ного уравновешивания приводит к боль |
|||||||
|
ванного уравновеш ивания. |
||||||
шим силам инерции от противовеса. |
|
(рис. 156) на хвосте ба |
|||||
При комбинированном уравновешивании |
лансира закреплено определенное количество z плит весом qn каждая, а на кривошипах — роторные грузы общим весом Х р. Уравновеши вание регулируют перемещением роторных грузов.
Если бы плиты были укреплены на балансире в точке В , то для уравновешивания станка-качалки из роторного груза Хр, определяе
мого по (V. 33), нужно вычесть вес плит, пропорциональный Qn^~ •
Если же плиты помещены в точке С, то вычитаемый вес нужно помно
жить на соотношение плеч -4- .
о
В итоге при комбинированном уравновешивании формула (V. 33) напишется в следующем виде:
Или, решая относительно |
Я, |
получим |
|
|
|
|
||
Я = |
а |
г |
zqnr |
с |
Х 0г |
с |
(V. 35) |
|
Т~Х^ |
Х р |
Ъ |
х Р |
ъ 9 |
||||
|
|
Величины Z p и qu даются в паспорте станка-качалки.
Пневматическое уравновешивание предусматривает использова ние вместо грузов пневматического цилиндра с поршнем; цилиндр прикреплен к станине, а шток поршня — к балансиру (рис. 157). Рабочий объем цилиндра 1 соединен с баллоном 2. Для того чтобы давление в воздушной системе мало изменялось, объем баллона VQ должен быть в 8—10 раз больше, чем рабочий объем цилиндра
FSo.
Система пневматического уравновешивания работает следующим
образом.
При ходе балансира вверх,поступающий из баллона воздух давит на поршень цилиндра и тем самым помогает балансиру поднять столб жидкости и колонну штанг. При ходе вниз воздух нагнетается из рабочего цилиндра в баллон и давление
|
|
|
под поршнем |
увеличивается. |
Так |
как |
|
|
|
штанги при этом спускаются в скважину |
|||
|
|
|
собственным весом, то двигатель тратит |
|||
|
|
|
работу на сжатие воздуха в цилиндре. |
|||
|
|
|
Подсчет |
уравновешивания |
сводится |
|
|
|
|
к определению давления р в воздуха в ра |
|||
|
|
|
бочем цилиндре. |
для |
урав |
|
|
|
|
Величина |
силы, требуемой |
||
Рис. 157. |
Схема |
пневмати |
новешивания, |
определяется |
аналогично |
|
балансирному уравновешиванию: |
|
|||||
ческого |
уравновешивания. |
|
|
|
|
|
j — цили ндр; |
2 — баллон; |
|
|
|
|
|
|
|
|
х |
= { р + т ) т - |
|
|
Зная площадь поршня, найдем давление воздуха в системе:
При верхнем положении головки балансира объем воздуха в си стеме V = Vo + FS0, а давление при этом будет минимальным рштПри нижнем положении головки балансира V = Vo, а давление будет максимальным ршах. Принимая изотермический процесс сжа тия в цилиндре, можно подсчитать изменение давления:
Р т а х |
_ _ У а |
FSc |
_ _ |
1 |
, 1 |
P m i n |
~ |
Уб |
~ |
1 |
, 0 * |
Для поддержания постоянного давления в баллоне и компенсации утечек воздуха установку снабжают одноцилиндровым компрессо ром простой конструкции, поршень которого приводится в от балансира станка-качалки. На баллоне устанавливают п р е д о х р а
нительный клапан для выпуска избыточного воздуха при повышении давления выше нормального, а также манометр для контроля ния.
При пневматическом уравновешивании отсутствуют дополнитель ные инерционные силы; при правильном подборе рабочего давления можно обеспечить одинаковую нагрузку на двигатель как при ходе вверх, так и при ходе вниз.
К недостаткам относятся усложнение конструкции станка-качалки подвесным компрессором и воздушным баллоном, а при изменении режима откачки скважины требуется тщательный подбор рабочего давления, а также более квалифицированный обслуживающий пер сонал.
Выше были даны общие выражения для подсчета уравновешивания станка-качалки в зависимости от способа уравновешивания.
Ниже приводятся конкретные формулы для подсчета уравнове шивания выпускаемых станков-качалок.
1.Станок-качалка СКН2-615 имеет балансирное уравновеши вание.
Число z грузовых плит, требуемых для уравновешивания станка при весе каждой плиты 36 кг:
Н^ + Т ) w - 2’75-
2.Станок-качалка СКНЗ-915 имеет комбинированное уравнове шивание.
Плечо роторного противовеса, или расстояние от центра тяжести
роторного груза до центра кривошипного вала:
где г — радиус кривошипа для данного режима работы станкакачалки; Х р — суммарный вес четырех роторных противовесов, при
весе каждого по 260 или 2 10 |
кг; |
qu — вес |
одной грузовой балансир |
ной плиты (65 или 36 кг); z |
— количество |
плит; с — расстояние от |
|
центра балансирных грузов |
до |
оси качания балансира; Ъ — длина |
|
заднего плеча балансира. |
|
|
|
3. Станок-качалка СКН5-1812 имеет комбинированное уравнове
шивание. |
|
|
Плечо |
роторного противовеса |
|
Здесь |
вес комплекта четырех |
роторных противовесов Х р = |
= 1930 кг, а вес балансирной плиты qn = 33 кг (или 164 кг). |
||
5. Станок-качалка СКН10-2115 |
имеет роторное уравновешивание. |
Здесь вес комплекта четырех роторных противовесов Хр =
=3800 кг.
5.Станок-качалка имеет роторное уравновешивание
Здесь вес комплекта четырех роторных противовесов Z p = = 3300 кг.
Приведенными формулами пользуются для приближенного опре деления положения уравновешивающих грузов. Удовлетворитель ность уравновешивания окончательно проверяют при помощи элек троклещей, имеющих специальный трансформатор тока с разъемным сердечником. При работе хорошо уравновешенного станка-качалки сила тока у двигателя при ходе балансира вверх должна быть равна силе тока при ходе балансира вниз.
§ 99. Усилие в шатуне при различных способах уравновешивания
1. При балансирном уравновешивании.
Рассмотрим схему балансира с действующими на него силами (рис. 158).
При дальнейшем расчете следует иметь в виду, что согласно усло |
|
виям элементарной теории угол |
ф = 0, так как принято, что г : I = |
= |
0. Следовательно, усилие в шатуне |
Рт всегда направлено вертикально. Для хода головки балансира вверх
напишем уравнение моментов сил, дей
ствующих |
на |
балансир, относительно |
оси В: |
|
|
QB% |
Р |
— Хс -{- Х^с — 0, |
Рис. 158. Схема станка-качал ки для определения усилий в шатуне.
где Хг — сила инерции противовеса. Решая уравнение относительно Рт,
получим
Ли = <?ву — Х у + X iy .
Подставим ранее найденные значения величин QB, X и Х„ пренебрегая при этом силами трения ДТр и Хо — излишком веса заднего плеча балансира и весом шатуна:
Л,=(в + с+ р,+е.)|—(p + f )i £ +
x / p j - l U —L _L ± |
|
+ V + 2 / C g |
b b ' |
После преобразований получим
р - = Т Т + К |
+'«<> т + {р + т ) w Т - ] • |
Принимая во внимание (V. 23) и (V. 25), получим
Pi + Gi = (Р + kG) |
= (Р + kG) |
£ , |
где
1 Fun — /шт
^ т - / ш т
Согласно элементарной теории выше было найдено, что |
|
|||||
|
|
u>B = |
co2rcoscp, |
wBmax = (02r. |
|
|
Следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U7B = ^BmaxC0S(P- |
|
||
Подставляя |
значения |
wB и |
+ Gi в выражение для |
Р , по |
||
лучим |
|
|
|
|
|
|
р __ G |
а |
WB шах |
[<.Р+ *е>£ + (* + т)£. coscp. |
(V. 36) |
||
Гт - ~2 |
Т + |
в |
|
Из этого выражения можно определить усилие в шатуне для хода головки балансира вверх при любом значении угла <р, причем это усилие будет растягивающим.
Для хода головки балансира вниз составим уравнение моментов сил, действующих на балансир, относительно оси О:
|
Qua — P'mb — Хс + |
XiC = |
0 , |
|
||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
Р ш = < ? п т - Х т + Ъ т - |
|
||||
Подставляя ранее найденные |
|
|
|
|||
гая /?тр, получим |
! й д а ч с а и д д . д л |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
=<р+р«)I - (р+#)т т |
+1)Н |
' в С |
||||
b g |
||||||
'* |
1 * -ч ь |
\~ 1 2 с о |
1 V' |
2 / <’ |
||
После сокращения |
и замены Pi и wB, получим |
|
||||
г/ |
G а . |
WBgmax ./>-J+(i3+f)f-]cos(p-<v-37> |
Из этого выражения можно определить усилие в шатуне для хода головки балансира вниз при любом значении угла ср, причем это усилие будет сжимающим.
Для более удобного пользования формулами |
(V. 36) |
и (V. 37), |
в которых переменная величина только cos ф, |
введем |
следующие |
обозначения для статических и динамических сил. Для хода вверх статическая сила
а динамическая сила
Для хода вниз статическая сила
_ |
— А' |
2 |
Ъ ~ А |
адинамическая сила
Врезультате формулы (V. 36) и (V. 37) примут следующий уп рощенный вид.
Для хода вверх
А д = А + Б с о в ф . |
(V. 38) |
Для хода вниз |
|
Ап = А' + В' СОБф. |
(V. 39) |
2. При роторном уравновешивании.
Согласно рис. 155 уравнение моментов сил, действующих на балансир при ходе вверх, примет вид:
QBa -г РтЬ = 0.
Подставив значение QB и решая относительно Ап, получим
P m = (P + G + Pi + Gi) ^ .
Принимая, как и ранее,
(Pi + G J ^ i P + G ) ^ £
И
получим
WB шах |
(V. 40) |
Pui = (P + G ) j + ^ ^ ( P + G)~cos(p, |
Для хода вниз получим соответственно
(V.41)
8
При роторном уравновешивании шатун растянут как при ходе вверх, так и при ходе вниз и он не нагружается противовесом.
3. При комбинированном уравновешивании.
Согласно схеме (рис. 158) уравнение моментов сил, действующих на балансир при ходе вверх, примет вид:
|
|
QBa — Pmb — qnzc + |
(qnz)х с = 0, |
|
|||
где qn Zi — сила |
инерции противовеса |
(плит) |
на балансире. |
||||
Подставив значение QB и решая |
|
относительно |
Р т , получим |
||||
Рт — {Р + G + Р\ + Gi) у — qnz у + (qnz) -Р- у у . |
|||||||
Заменив Pv |
G. и wBi |
получим |
|
|
|
|
|
Лп= (Р + 0 -1 |
- |
quz i ] |
+ . ^ [ ( Р |
+ |
о i |
+ ?пг 62 |
coscp. (V. 42) |
Из сравнения (V. 40) и (V. 42) видно, что при комбинированном уравновешивании статическая сила (выражение, заключенное в пер вую квадратную скобку) получается несколько меньше, чем при роторном уравновешивании, динамические же силы за счет силы
инерции хвостового противовеса балансира увеличиваются. |
|
|||
Формула (V. 42) при z = 0 (при |
отсутствии балансирных плит) |
|||
превращается в формулу (V. 40). |
|
для |
усилия |
|
При ходе вниз |
получим следующее выражение |
|||
в шатуне: |
|
|
|
|
Р ш = ( р ^ - |
gaz |
fL + qnz - J ] |
созф. |
(V.43) |
Следует иметь в виду, что станок-качалка имеет два шатуна,
поэтому найденные усилия Рт и Рш будут суммарными для обоих шатунов
§ 100. Тангенциальные усилия при различных способах уравновешивания
1. При балансирном уравновешивании.
Из схемы (рис. 158) видно, что усилие Р т вдоль шатуна можно разложить по двум направлениям: по касательной к окружности, описываемой кривошипом, и нормально к этой окружности, т. е. вдоль кривошипа. Первая из составляющих Т называется танген циальной, а вторая Р Нор называется нормальной.
Нормальная составляющая воспринимается опорами кривошип
ного вала. |
Величина ее равна |
|
-Рнор = Рщ COS (ф - |- ф ) . |
20 Закаэ |
298 . |