УДК 621.01

Иманбаева Нурбиби Сайрамовна – к.т.н. (ИМиМаш им. У.А. Джолдасбекова ), Нурмаганбетова Айман Турумовна – к.т.н. (ИМиМаш, им. У.А. Джолдасбекова),

Сазанбаева Роза Ибраевна – к.т.н. , доцент (КазАТК),

Аубакирова Бахыт Майнышевна - – к.т.н. , доцент (КазАТК)

АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РОТОРНОГО УРАВНОВАШИВАНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННОГО САМОУСТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ МЕХАНИЗМА ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Из существующих механизированных способов добычи нефти самым распространенным, является штанговый глубиннонасосный с балансирными индивидуальными приводами станок механического действия - так называемые станки-качалки (СК).

Основными их недостатками является большая металлоемкость конструкции, низкий КПД, плохая уравновешенность, необходимость массивного фундамента и др.

Рисунок 1

Конструкция существующих СК (рисунок 1) представляет собой, по-существу, два спаренных кинематических цепи, работающих в параллельных плоскостях. Преобразующий механизм имеет два кривошипа и два шатуна, присоединяемых к балансиру через траверсу. Механизм представляет собой статически неопределимую систему по Л.Н.Решетову и С.Н.Кожевникову [1], что значительно влияет на КПД и вызывает дополнительный износ элементов.

Устранение статической неопределимости возможно на основе использования пространственных механизмов. Если заменить вращательные кинематические пары шатуна на сферические (рисунок 17),

Рисунок 2

тогда степень свободы

,

где - местная избыточность.

Поэтому необходимо добавить дополнительную подвижность, для чего предлагается использовать расчлененный балансир, т.е. добавляется вращательная кинематическая пара (В).

Заметим, что кинематическая пара В_б, разделяющая балансир на два звена по существу необходима для компенсации различия усилий в двух сферических кинематических парах траверсы.

Поэтому при исследовании кинематики будем рассматривать идеализированный механизм с полной симметрией относительно плоскости , т.е. когда кинематическая пара балансира В_б отсутствует, т.е. рассматриваем четырехзвенный пространственный механизм вида ВССВ, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3

Заданы все линейные параметры пространственного механизма (рисунок 3), где - длина кривошипа, - длина шатуна, - длина заднего плеча балансира, - переднее плечо балансира, - расстояние от до центра тяжести траверсы, - расстояние до центра масс кривошипа и т.д.

Рассмотрим динамические режимы работы привода штанговой насосной установки при роторном и комбинированном способах уравновешивания. При ходе колонны штанг вверх уравновешивающие устройства отдают силовому органу энергию, накопленную при ходе штанг вниз. В рассматриваемых устройствах применяется роторный способ уравновешивания, когда противовесы прикрепляются специальными приспособлениями к кривошипу AВ.[2]

В данной работе предлагается метод аналитического нахождения оптимального места расположения дополнительных грузов и их количества для обеспечения нормальной работы двигателя.

На механизм действуют нагрузка в устьевом сальнике скважины и силы тяжести звеньев и грузов. Воспользуемся известным принципом возможных перемещений

или

В рассматриваемом нами пространственном механизме, действуют нагрузка в устьевом сальнике скважины и силы тяжести звеньев и грузов:

G_кр –вес кривошипа (должен быть удвоен);

G₂₁=2 G_нш, где G_нш –вес нижней головки шатуна;

G₂₂= 2G_ш,, где G_ш вес шатуна;

G₂₃=G_вш –вес траверсы;

G₃₁= G_Т –вес опоры траверсы на балансире;

G₃₂=G_б –вес балансира;

G₃₃=G_Г –вес головки балансира;

G_Q –вес жидкости;

G_П –вес противовеса;

По принципу возможных перемещений сумма мощности этих сил должны быть равны нулю для каждого i -го положения механизма, i=1,…,N.

(1)

Здесь введены обозначения:

- это скорости соответствующих точек приложения сил тяжести;

- угловая скорость кривошипа;

М – крутящий момент на валу кривошипа.

, где . Тогда

(2)

Из полученного выражения находим M_i, выразив его через остальные значения мощностей:

(3)

Введем обозначения:

,

(4)

и переписываем выражение (3)

. (5)

Считаем что M_i=М^*= const, введем новую переменную х₂= М^*. Тогда выражение (5) примет следующий вид

(6)

Левую часть этого выражения (6) обозначим через и тогда условие синтеза заключается в нахождении таких х₁ и х₂ , при которых достигается приближенно =0. Для этого будем минимизировать среднеквадратическое значение S

(7)

Из необходимого условия минимума функции , получим два уравнения для определения двух неизвестных, откуда

(8)

Результаты исследования режимов уравновешивания представлены в таблице 1. Установлено также, что при изменении направления вращения кривошипа (против часовой стрелки) момент на валу кривошипа практически не изменяется, но режим уравновешивания несколько хуже (противовесы удаляются от оси вращения).

Таблица 1- Результаты исследования режимов уравновешивания

Режим откачки				Максимальный крутящий момент на валу кривошипа	Масса противовеса при оптимальном уравновешивании		Расстояние противовеса от оси вращения кривошипа
PВ	PН	Угловая скорость	Длина кривошипа
кН	КН	об/мин	мм	кН м	кг		Мм
ПШН8-3-4500
80	40	4,3	1195	37,5		4576	1185
80	40	6,8	570	14,5		1144	900
80	53	4,3	1195	32,6		4576	1371
80	53	6,8	570	11,5		1144	1201

Опыт эксплуатаций станков-качалок позволяет судить о том, в какой степени выпущенные станки-качалки удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым промышленностью.

При роторном уравновешивании за критерий уравновешенности принималось совпадение пиковых значений мощности при ходах вверх и вниз; а также можно заключить, что величина отрицательных тангенциальных усилий зависит от направления вращения кривошипа.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Чичеров Л.Г., Молчанов Г.В., Рабинович А.М, и др. Расчёт и конструирование нефтепромыслового оборудования. М.: Недра, 1987. – 422 с.

2. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. М.: Недра, 1984.

3. А.С. №41991. Механизм привода станка-качалки. Предварительный патент РК № 15043. Ибраев С.М. и др. Қазпатент Ұлттық патент ведомствосы, 10.08.2005.