СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ТОЧКЕ ПОДВЕСА ШТАНГ

Нагрузка в точке подвеса штанг балансирного станка-качал­ки обусловлена:

1) статическими нагрузками от силы тяжести жидкости и штанг, сил трения плунжера в цилиндре и штанг о трубы;

2) силами инерции движущихся масс, возникающими при движении с ускорением колонны штанг, и столба жидкости;

3) динамическими нагрузками, возникающими в результате, вибрации штанг.

Практическое значение имеют суммарные минимальные и максимальные нагрузки на штанги, величина которых может быть определена либо непосредственно изменениями динамометри-рованием, либо рассчитана.

Как уже было показано, максимальная величина статической нагрузки будет при ходе штанг вверх

Р_ст = Р_ж + Р_шт

где Р_ж — сила тяжести жидкости, находящейся над плунже­ром; Р_шт — тяжести штанг в жидкости.

Приняв для упрощения расчетов глубину спуска насоса рав­ной динамическому уровню, можно записать

Р_ст = q_ж L + q_шт Lb_γ,

где q_ж — вес 1 м столба жидкости над плунжером глубинного насоса; q_шт — вес 1 м штанг (с учетом веса муфт) в воздухе; L — длина штанг; b_γ = 1 — р_ж/р_шт (здесь р_шт, р_ж — плотность матери­ала штанг и жидкости).

Силой трения штанг о трубы можно, как показывают иссле­дования, пренебречь, если искривление скважины не превыша­ет 5—6°. Силы инерции могут быть определены по формуле

Р_i = M I _max (2.76)

где М — масса движущихся деталей; I_mах — максимальное ус­корение точки подвеса штанг.

Поскольку откачиваемая жидкость сжимаема вследствие на­личия растворенного и свободного газа, то в расчете может учи­тываться только масса штанг М = Р_шт/q.

С учетом сил инерции максимальная нагрузка в точке подве­са штанг будет

(2.77)

Динамическая нагрузка при ходе штанг вниз

 

УРАВНОВЕШИВАНИЕ БАЛАНСИРНЫХ СТАНКОВ-КАЧАЛОК

 

Как уже отмечалось, равномерная нагрузка приводного дви­гателя штанговой глубиннонасосной установки возможна толь­ко при наличии уравновешивающего устройства. В балансирных станках-качалках наиболее широко применяют уравновешиваю­щие устройства, состоящие из грузов, установленных на балансире и роторе.

* Под уравновешенностью установки подразумевается равенство ра­бот, совершаемых двигателем при ходе вверх и вниз, т.е. А_в = А_н.

Определим вес груза, устанавливаемого на балансире, при котором установка будет уравновешена. Воспользуемся для это­го элементарной теорией. Механическая работа сил инерции на полированном штоке будет равна нулю, так как при его разгоне силы инерции будут иметь положительный знак, а при тормо­жении — отрицательный.

При движении штанг вверх работа будет затрачиваться на перемещение штанг и жидкости

А _в =

при ходе вниз

Полезная работа за двойной ход будет

При установке на балансире в точке В уравновешивающего груза G (рис. 2.56) механическая работа при ходе вверх и вниз будет соответственно равна (полагаем, что переднее плечо ба­лансира равно заднему)

A_в=(P_ж + P_щm)S-GS

А_н=-Р_штS ₊ GS

 

Рис. 2.56. Кинематическая схема балансирного станка- качалки с балансирным уравновешиванием

 

Если в уравновешенном станке-качалке А_в = А_н, то, прирав­няв правые части уравнений, получим

 

Поскольку в реальных станках-качалках груз в точке В не устанавливают, то с учетом различных длин плеч балансира вес уравновешивающего груза будет равен

 

Данный способ уравновешивания называется балансирным, он прост, но его основным недостатком является появление допол­нительных инерционных сил, обусловленных наличием массы груза G. Инерционные силы отрицательно сказываются на ра­боте всех деталей установки.

От этого недостатка свободен роторный способ уравновеши­вания (рис. 2.57). Уравновешивающий груз G_p монтируют на кри­вошипе. При ходе штанг вверх и вниз совершенная двигателем работа будет равна

 

 

Приравняв правые части уравнений, получим (полагая, а = b)

а с учетом различной длины плеч балансира

При роторном уравновешивании постоянен вес грузов, кото­рые уравновешивают их перемещением по кривошипу, т.е. из­меняют радиус R.

Значение величины R определяется по формуле

 

Рис. 2.57. Кинематическая схема балансирного станка-качалки с роторным уравновешиванием

Рис. 2.58. Кинематическая схема балансирного станка-качалки с комбинированным уравновешиванием

 

При роторном уравновешивании инерционные усилия, воз­никающие при движении грузов, воспринимаются только под­шипниками кривошипного вала и при его постоянной угловой скорости вращения не передаются на другие детали установки.

При комбинированном уравновешивании на балансире уста­навливают уравновешивающий груз G (рис. 2.58).

Вес груза на роторе определяется следующим образом:

При ходе штанг вверх и вниз работа, затрачиваемая двигате­лем, равна

Определим величину груза G_p, задавшись значением веса гру­за G. Для этого приравняем правые части уравнений.

Тогда получим

Комбинированное уравновешивание применяют в основном на средних по мощности станках-качалках, где использование балансирного уравновешивания привело бы к появлению зна­чительных сил инерции от противовеса.

Уравновешенность установки контролируют замером вели­чины тока электродвигателя, максимальные значения которого при ходе штанг вверх и вниз должны быть одинаковыми.