游梁式抽油機雙驢頭抽油機的設計

目前，國內外對浮式發動機的運動學和動力學分析進行了大量研究，得出了更準確、更成熟的理論依據。但對雙驢頭抽油機的運動學和動力學分析還比較少,分析方法也各異,這不利于雙驢頭抽油機的開發和應用。因此,給出了雙驢頭抽油機的運動學和動力學的解析方程,并精確描繪其變化規律,這對提高雙驢頭抽油機的應用和設計水平,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游梁式抽油機的游梁后臂加裝后驢頭,用驅動繩來代替連桿的硬連接。工作時,游梁后臂的有效長度(游梁支點到驅動繩與后驢頭切線的垂直線段長度)隨曲柄轉角變化而變化,當懸點載荷較大時,游梁后臂有效長度變大,這使得曲柄轉矩不致過大;當懸點載荷較小時,游梁后臂有效長度變小,使曲柄轉矩不致過小,從而降低了凈轉矩值,達到了更好的平衡效果,而且降低了能耗和整機的質量,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所示的直角坐標系,將游梁抽油機的機構簡圖置于坐標系中。1.1雙驢頭抽油機的特點分析如圖1所示,曲柄旋轉中心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以及旋轉中心O1到后驢頭幾何中心O2的距離R1。假設曲柄轉角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O2(x02,y02)為:{x02=x01+R1cosγy02=y01-R1sinγ(1)后驢頭上某一點的坐標(x,y)在以O2為圓心、以R2為半徑的圓上,由于連桿和驅動繩以銷軸連接,則在抽油機工作中,連桿和驅動繩與后驢頭的圓弧始終相切,其切點為T(x2,y2),設曲柄與連桿的交點(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,驅動繩有效長度與連桿長度之和為一常數L,根據以上分析可知,要取得連桿與驅動繩對圓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,可以得到需要的結果,并建立起相互的運動關系。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對時間求導數,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,當沖程為5m的雙驢頭抽油機,沖數分別為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律變化,加速度按余弦規律變化,變化規律符合其實際情況。其中加速度值不大,最大加速度絕對值為1.448m/s2,動載系數為1.0914,從而可以說明雙驢頭抽油機運行平穩,動載系數小。2抽油機沖數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。在抽油系統中,習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矩因數ˉΤF的定義是:曲柄在任意角度的轉矩因數是一個系數,該系數乘以光桿載荷(kN),可以得到抽油機減速器的曲柄轉矩(kN·m),換言之,雙驢頭抽油機的轉矩因數ˉΤF是懸點載荷Q在曲柄軸上產生的轉矩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矩是指游梁抽油機在減速箱輸出軸(曲柄)實際產生的轉矩,其大小與懸點載荷、沖程長度、抽油機幾何參數、抽油機的平衡狀況有關。雙驢頭抽油機的減速箱輸出轉矩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——游梁的結構不平衡重,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,抽油機沖數分別為3、4、5(沖/min)時,抽油機的轉矩因數、減速箱輸出轉矩曲線如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出,雙驢頭抽油機的轉矩因數曲線、減速箱輸出轉矩曲線變化規律均符合實際情況。其中減速箱輸出轉矩值均為正值,使雙驢頭抽油機的驅動電機在上、下沖程過程中均能做正功,保證了抽油機工作的穩定性,也充分說明了所分析的雙驢頭抽油機的幾何關系的合理性。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、設計機械換向及平衡重提供了理論依據。(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、