游梁式抽油機雙驢頭抽油機的設(shè)計

游梁式抽油機雙驢頭抽油機的設(shè)計

目前，國內(nèi)外對浮式發(fā)動機的運動學(xué)和動力學(xué)分析進行了大量研究，得出了更準(zhǔn)確、更成熟的理論依據(jù)。但對雙驢頭抽油機的運動學(xué)和動力學(xué)分析還比較少,分析方法也各異,這不利于雙驢頭抽油機的開發(fā)和應(yīng)用。因此,給出了雙驢頭抽油機的運動學(xué)和動力學(xué)的解析方程,并精確描繪其變化規(guī)律,這對提高雙驢頭抽油機的應(yīng)用和設(shè)計水平,改善其工作性能是十分重要的。1相對懸點載荷的影響雙驢頭抽油機是將常規(guī)游梁式抽油機的游梁后臂加裝后驢頭,用驅(qū)動繩來代替連桿的硬連接。工作時,游梁后臂的有效長度(游梁支點到驅(qū)動繩與后驢頭切線的垂直線段長度)隨曲柄轉(zhuǎn)角變化而變化,當(dāng)懸點載荷較大時,游梁后臂有效長度變大,這使得曲柄轉(zhuǎn)矩不致過大;當(dāng)懸點載荷較小時,游梁后臂有效長度變小,使曲柄轉(zhuǎn)矩不致過小,從而降低了凈轉(zhuǎn)矩值,達到了更好的平衡效果,而且降低了能耗和整機的質(zhì)量,有利于提高沖程。為了分析雙驢頭抽油機的運動,建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系,將游梁抽油機的機構(gòu)簡圖置于坐標(biāo)系中。1.1雙驢頭抽油機的特點分析如圖1所示,曲柄旋轉(zhuǎn)中心O(0,0)、曲柄半徑R、游梁支承中心O1(x01,y01)、后驢頭的幾何中心O2(x02,y02)、半徑R2以及旋轉(zhuǎn)中心O1到后驢頭幾何中心O2的距離R1。假設(shè)曲柄轉(zhuǎn)角θ(以曲柄半徑R處于12點鐘的位置作為零度)順時針方向度量,O1O2與游梁水平方向(x方向)的交角為γ,則坐標(biāo)O2(x02,y02)為:{x02=x01+R1cosγy02=y01-R1sinγ(1)后驢頭上某一點的坐標(biāo)(x,y)在以O(shè)2為圓心、以R2為半徑的圓上,由于連桿和驅(qū)動繩以銷軸連接,則在抽油機工作中,連桿和驅(qū)動繩與后驢頭的圓弧始終相切,其切點為T(x2,y2),設(shè)曲柄與連桿的交點(曲柄銷中心)為D(Rcosθ,Rsinθ),則過圓O2上切點T(x2,y2),且過點的切線方程為:(x2-x02)(Rcosθ-x02)+(y2-y02)(Rsinθ-y02)=R22(2)由式(2)并由雙驢頭抽油機的特點可得y2,并取其最大值,即:y2=B1+√B21-A1C1A1x2=A0-B0(B1+√B21-A1C1A1)(3)式中:A0=R22+(Rsinθ-y02)y02Rcosθ-x02+x02;B0=Rsinθ-y02Rcosθ-x02;A1=1+B20;B1=(A0-x02)B0+y02;C1=(A0-x02)2+y202-R22。雙驢頭抽油機在工作中,驅(qū)動繩有效長度與連桿長度之和為一常數(shù)L,根據(jù)以上分析可知,要取得連桿與驅(qū)動繩對圓O2的切點T(xt,yt),需要借助于計算機進行輔助計算,同時通過以上幾何方程,可以得到需要的結(jié)果,并建立起相互的運動關(guān)系。1.2游梁擺角的速度、加速度曲線利用速度瞬心法(如圖2所示)可得T點的速度vT(垂直于T點與O1連線的速度)、角速度ωT:ωΤ=1CRωsinαsinβ(4)式中:ω——曲柄轉(zhuǎn)角速度,rad/s;n——抽油機沖次,沖/min;ωT——游梁擺角的角速度,rad/s。懸點速度v為:v=AωΤ=ACRωsinαsinβ(5)由角速度ωT對時間求導(dǎo)數(shù),可以得到游梁擺角的角加速度。其懸點加速度是驢頭圓弧上與懸繩切點的切向加速度,用a(m/s2)表示:a=AεT(6)按照上述的分析,當(dāng)沖程為5m的雙驢頭抽油機,沖數(shù)分別為3、4、5(沖/min)時,得到懸點速度、加速度曲線如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出,抽油機懸點的速度按正弦規(guī)律變化,加速度按余弦規(guī)律變化,變化規(guī)律符合其實際情況。其中加速度值不大,最大加速度絕對值為1.448m/s2,動載系數(shù)為1.0914,從而可以說明雙驢頭抽油機運行平穩(wěn),動載系數(shù)小。2抽油機沖數(shù)對懸點載荷的影響在抽油機上、下沖程過程中,抽油桿柱自重始終作用于抽油機驢頭懸點上,是一個不變化的載荷,可以用一個恒定的值來表示,考慮液體浮力的影響,抽油桿在液體中的質(zhì)量用Q′r表示。作用于抽油泵柱塞上的液柱載荷隨抽油泵的泵閥啟閉狀態(tài)的不同而變化。下沖程時,抽油泵柱塞上的游動閥是開啟的,柱塞上下連通,不計液體通過游動閥和柱塞腔內(nèi)的阻力,則柱塞上下的液體壓力相等。因此,下沖程時柱塞上的液體載荷等于零。上沖程時,抽油泵中的游動閥關(guān)閉,固定閥打開,柱塞上下不再連通,柱塞上面的液體壓力等于油管內(nèi)液柱靜壓力,柱塞下面的液體壓力等于油管外動液面以下液柱的靜壓力(忽略固定閥阻力)。這一壓力差在柱塞上產(chǎn)生的液柱載荷用Q′f表示:Q′f=ρfg(L-h)Ap=ρfgH0Ap(7)抽油桿柱和液柱在非勻速運動過程中,產(chǎn)生的慣性力而作用于懸點的載荷稱動載荷。慣性力的方向與加速度方向相反。在抽油系統(tǒng)中,習(xí)慣取向上的加速度為正,取向下的載荷為正。這里,為簡化計算,只考慮加速度對懸點載荷的影響,同時認(rèn)為桿柱與油柱的加速度相等。為此,懸點載荷由兩部分組成,即靜載和動載,可以分別求出上下沖程懸點載荷Qs和Qx。上沖程時:Qs=(Q′r+Q′f)(1+ag)(8)下沖程時:Qx=Q′r(1+ag)(9)式中:a——上、下沖程時的加速度。按照上述的分析,以沖程為5m的雙驢頭抽油機為研究對象,抽油機沖數(shù)分別為3、4、5(沖/min)時,抽油機的懸點載荷曲線如圖5所示。從圖5可以看出異形游梁式抽油機的懸點載荷曲線變化規(guī)律符合實際情況。其懸點最大載荷為133kN,最小載荷為51.1kN,并從曲線的變化趨勢可以看出,異形游梁式抽油機的下死點滯后,上死點超前,也就是上沖程所用的時間比下沖程所用的時間長。3.1抽油機的曲柄扭矩雙驢頭抽油機的轉(zhuǎn)矩因數(shù)ˉΤF的定義是:曲柄在任意角度的轉(zhuǎn)矩因數(shù)是一個系數(shù),該系數(shù)乘以光桿載荷(kN),可以得到抽油機減速器的曲柄轉(zhuǎn)矩(kN·m),換言之,雙驢頭抽油機的轉(zhuǎn)矩因數(shù)ˉΤF是懸點載荷Q在曲柄軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TQ與懸點載荷Q的比值,單位m,即:ˉΤF=ΤQ/Q或:ΤQ=ˉΤF×Q(10)3.2雙驢頭抽油機的特性減速箱輸出轉(zhuǎn)矩是指游梁抽油機在減速箱輸出軸(曲柄)實際產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,其大小與懸點載荷、沖程長度、抽油機幾何參數(shù)、抽油機的平衡狀況有關(guān)。雙驢頭抽油機的減速箱輸出轉(zhuǎn)矩Tn與其它游梁抽油機相同,其計算公式為:Τn=(Q-Bcosδ)ˉΤF-Μsinθ(11)式中:B——游梁的結(jié)構(gòu)不平衡重,kN;δ——游梁的擺角,(°);ˉΤF=v/ω;v——懸點速度;ω——角速度;M——平衡力矩,是指曲柄處于水平位置時,平衡重和曲柄自重對減速箱輸出軸中心的力矩,kN·m。按照上述的分析,以沖程為5m的雙驢頭抽油機為研究對象,抽油機沖數(shù)分別為3、4、5(沖/min)時,抽油機的轉(zhuǎn)矩因數(shù)、減速箱輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出,雙驢頭抽油機的轉(zhuǎn)矩因數(shù)曲線、減速箱輸出轉(zhuǎn)矩曲線變化規(guī)律均符合實際情況。其中減速箱輸出轉(zhuǎn)矩值均為正值,使雙驢頭抽油機的驅(qū)動電機在上、下沖程過程中均能做正功,保證了抽油機工作的穩(wěn)定性,也充分說明了所分析的雙驢頭抽油機的幾何關(guān)系的合理性。4雙驢頭抽油機懸點控制速度分析(1)提出了一套雙驢頭抽油機的運動、動力特性的計算方法,為合理選擇電動機、設(shè)計機械換向及平衡重提供了理論依據(jù)。(2)通過對雙驢頭抽油機的計算分析可知,抽油機懸點的速度、