Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Ноябрь, 2017 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №8 2017

Автор: Острицов Иван Владимирович, Магистрант
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Методика расчета основных размеров станка-качалки

УДК 622.276:004.94

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ СТАНКА-КАЧАЛКИ

Острицов Иван Владимирович

Магистрант 2 курса

Оселедец Виктор Александрович

Магистрант 2 курса

Кадеров Хайдярь Кадерович

Кандидат технических наук, доцент, доцент

Киреев Сергей Олегович

Доктор технических наук, профессор

Донской государственный технический университет (ДГТУ), г. Ростов-на-Дону


Аннотация. В статье описывается метод расчета основных размеров станка качалки необходимых для проектирования данного оборудования. Основное внимание любого инженера-конструктора разрабатывающего кинематическую схему станка-качалки должно быть обращено на правильность построения звеньев шарнирного четырехзвенного механизма, чтобы движение точки подвеса штанг происходило по определенному закону, обеспечивающему нормальную и заданную работу глубинного насоса, колонны насосных штанг и т.д. Описываемый метод расчета необходим для точности проектирования шарнирного четырехзвенного механизма станка-качалки.

Ключевые слова: Методика расчета, метод расчета, станок-качалка, СК, четырехзвенный механизм, проектирование станка-качалки.


Станок-качалка является индивидуальным приводом штангового скважинного насоса, спускаемого в скважину и связанного с приводом колонной штанг.

В конструктивном отношении станок-качалка представляет собой механизм, преобразующий вращательное движение электродвигателя в возвратно- поступательное движение колонны штанг. Для этого используется шарнирный четырехзвенных механизм, который можно представить в виде схемы (рис. 1).


Рис. 1. Шарнирный четырехзвенных механизм станка-качалки.

Основное внимание любого инженера-конструктора разрабатывающего кинематическую схему станка-качалки должно быть обращено на правильность проектирования шарнирного четырехзвенного механизма, так чтобы преобразующий механизм СК обеспечивал движение точки подвеса штанг по закону, наиболее близкому к идеальному – гармоническому, обеспечивающему нормальную и заданную работу глубинного насоса, колонны насосных штанг и т.д [1].

Станок-качалка представляет собой механизм с одной степенью свободы. Поэтому при использовании в нем электродвигателя можно получить закон движения балансира и связанного с ним верхней части колонны насосных штанг. Движение такого механизма всегда будет определяться кинематическими параметрами: длиной хода полированного штока, числом двойных ходов в минуту, длинами и взаимным расположением подвижных и неподвижных звеньев.

Конструирование штанговых скважинных насосных установок ШСНУ является относительно не простой задачей. Однако, определение кинематических характеристик и параметров уравновешивания СК является основной, локальной задачей, т.к. эти параметры обеспечивают наиболее эффективную работу станка-качалки в качестве привода ШСНУ [2]. Для облегчения проектирование СК и создаются методики расчета.

Целью данной статьи является – изложение метода расчета, который в дальнейшем может послужить для автоматизирования проектирования станков-качалок в различных системах автоматизированного проектирования (САПР).

Для решения задачи по созданию методики расчета основных размеров станка-качалки необходимо начать с понимания того, что станок-качалка является, в кинематическом понимании, простым четырехзвенным механизмом с одной степенью свободы. Это означает, что если задаться соотношениями длин звеньев и длиной хода полированного штока, то можно рассчитать все длины звеньев, а так же определить угол размаха плеча балансира. Более того, зная длины звеньев и частоту вращения входного звена, мы можем определить скорости и ускорения всех звеньев станка-качалки.

Зададимся расчетными соотношениями длин звеньев согласно [1], которые должны находиться в рекомендованных значениях: ,

Длину хода полированного штока примем согласно выбранному насосу – НВ1С-29-12-15. Характеристики насоса представлены в таблице 1.

Таблица 1. Техническая характеристика насоса НВ1С-29-12-15

Насос

НВ1С-29-12-15

Диаметр насоса, мм

29

Длина хода плунжера, мм

1200

Идеальная подача при 10- и 2-ных ходах в мин., м3/сут

11,4

Напор, м

1500

Длина плунжера, мм

1200

Присоединительная резьба к штангам ГОСТ13877-80

Ш19

Габаритные размеры, мм не более

Диаметр, D, мм

48,2

Длина, L, мм

4000

Масса, кг (не более)

36


При симметричном цикле откачки, когда угол несимметричности , центр вращения кривошипа всегда находится на прямой, проходящей через крайние точки и (рис. 2).


Рис. 2. Кинематическая схема при симметричном цикле откачки.

Поскольку при симметричном цикле откачки длины звеньев четырехзвенного механизма станка-качалки являются функцией длины хода , то длины звеньев преобразующего механизма станка-качалки прямо пропорциональны длине хода точки подвеса штанг и зависят от отношений длин звеньев , и . Причем с увеличением трех кинематических отношений , и длины звеньев уменьшаются.

Зависимость между отношениями длин звеньев станка, имеющего симметричную схему:

Тогда для симметричного цикла откачки можно воспользоваться формулами [1]:

Длину переднего плеча балансира можно определить по формуле:

(1)

Длину заднего плеча можно определить по формуле:

(2)

Радиус кривошипа определим по формуле:

(3)

Длина шатуна определяется по формуле:

(4)

Кратчайшее расстояние между центром качания балансира и центром вращения кривошипа можно определить по формуле:

(5)

При определенных длинах хода и переднего плеча угол размаха балансира будет иметь значение:

Габариты преобразующего механизма, т.е. его длина и высота , в случае симметричной схемы определяются по формулам:

(6)

(7)

Подставляя известные величины в формулы получаем:

Если сравнить полученные значения со значениями приведенными в ГОСТ 5866-76 на станки-качалки [3], то можно убедиться в том, что данный расчет произведен корректно. Отклонения расчетных величин составляет не более 5%.

При расчете следует уделить внимание тому, что с увеличением длин звеньев механизма станка-качалки, как правило, снижаются усилия в точке подвеса штанг, нагрузки на звенья и шарниры станка-качалки и повышается степень совершенства его уравновешивания, что способствует увеличению срока службы подшипниковых узлов и снижению расхода электроэнергии. Однако при этом увеличиваются габариты и масса СК.

Так же следует принять во внимание, что для каждой кинематической схемы существуют два закона движения точки подвеса штанг, в зависимости от направления вращения кривошипа.

В итоге, описываемый метод расчета для симметричной схемы реального станка-качалки, позволяет при заданной длине хода погружного насоса и соотношениями длин звеньев рассчитать длины всех звеньев четырёхзвенного шарнирного механизма станка-качалки, расстояние от центра балансира до центра вращения кривошипа и габаритные размеры получившегося механизма.

Поскольку центральной задачей, безусловно, является проектирование размерного ряда станков-качалок, то основной путь ее решения – разработка на основе современных технологий быстрого и точного компьютерного расчета. Это позволит создавать несколько вариантов размерного ряда и последующее расчетное их сопоставление по затратам на эксплуатацию оборудования и его изготовление, а также сократит сроки проектирования новых размерных рядов СК.

Глобальной задачей проектирования оптимальных ШСНУ является создание не только отдельных типоразмеров, но и размерных рядов элементов оборудования ШСНУ, обеспечивающих минимизацию затрат при совокупном их применении, что так же возможно с применением подобного метода расчета с использованием компьютерного вычисления.

Список литературы:

  1. Чичеров, Л.Г. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования // Л.Г. Чичеров, Г.В. Молчанов, А.М. Рабинович и др. – М: Педра, 1987. – 422 с.
  2. Мищенко, И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов // Мищенко И.Т. – М: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – 816с.
  3. Государственный стандарт союза ССР. Станки-качалки. Технические условия : ГОСТ 5866-76 // Государственный Комитет СССР по стандартам. – Москва : Издательство стандартов 1986 – 8 с.