游梁式抽油机双驴头抽油机的设计

游梁式抽油机双驴头抽油机的设计

目前，国内外对浮式发动机的运动学和动力学分析进行了大量研究，得出了更准确、更成熟的理论依据。但对双驴头抽油机的运动学和动力学分析还比较少,分析方法也各异,这不利于双驴头抽油机的开发和应用。因此,给出了双驴头抽油机的运动学和动力学的解析方程,并精确描绘其变化规律,这对提高双驴头抽油机的应用和设计水平,改善其工作性能是十分重要的。1相对悬点载荷的影响双驴头抽油机是将常规游梁式抽油机的游梁后臂加装后驴头,用驱动绳来代替连杆的硬连接。工作时,游梁后臂的有效长度(游梁支点到驱动绳与后驴头切线的垂直线段长度)随曲柄转角变化而变化,当悬点载荷较大时,游梁后臂有效长度变大,这使得曲柄转矩不致过大;当悬点载荷较小时,游梁后臂有效长度变小,使曲柄转矩不致过小,从而降低了净转矩值,达到了更好的平衡效果,而且降低了能耗和整机的质量,有利于提高冲程。为了分析双驴头抽油机的运动,建立如图1所示的直角坐标系,将游梁抽油机的机构简图置于坐标系中。1.1双驴头抽油机的特点分析如图1所示,曲柄旋转中心O(0,0)、曲柄半径R、游梁支承中心O1(x01,y01)、后驴头的几何中心O2(x02,y02)、半径R2以及旋转中心O1到后驴头几何中心O2的距离R1。假设曲柄转角θ(以曲柄半径R处于12点钟的位置作为零度)顺时针方向度量,O1O2与游梁水平方向(x方向)的交角为γ,则坐标O2(x02,y02)为:{x02=x01+R1cosγy02=y01-R1sinγ(1)后驴头上某一点的坐标(x,y)在以O2为圆心、以R2为半径的圆上,由于连杆和驱动绳以销轴连接,则在抽油机工作中,连杆和驱动绳与后驴头的圆弧始终相切,其切点为T(x2,y2),设曲柄与连杆的交点(曲柄销中心)为D(Rcosθ,Rsinθ),则过圆O2上切点T(x2,y2),且过点的切线方程为:(x2-x02)(Rcosθ-x02)+(y2-y02)(Rsinθ-y02)=R22(2)由式(2)并由双驴头抽油机的特点可得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。双驴头抽油机在工作中,驱动绳有效长度与连杆长度之和为一常数L,根据以上分析可知,要取得连杆与驱动绳对圆O2的切点T(xt,yt),需要借助于计算机进行辅助计算,同时通过以上几何方程,可以得到需要的结果,并建立起相互的运动关系。1.2游梁摆角的速度、加速度曲线利用速度瞬心法(如图2所示)可得T点的速度vT(垂直于T点与O1连线的速度)、角速度ωT:ωΤ=1CRωsinαsinβ(4)式中:ω——曲柄转角速度,rad/s;n——抽油机冲次,冲/min;ωT——游梁摆角的角速度,rad/s。悬点速度v为:v=AωΤ=ACRωsinαsinβ(5)由角速度ωT对时间求导数,可以得到游梁摆角的角加速度。其悬点加速度是驴头圆弧上与悬绳切点的切向加速度,用a(m/s2)表示:a=AεT(6)按照上述的分析,当冲程为5m的双驴头抽油机,冲数分别为3、4、5(冲/min)时,得到悬点速度、加速度曲线如图3、图4所示。从图3、图4可以看出,抽油机悬点的速度按正弦规律变化,加速度按余弦规律变化,变化规律符合其实际情况。其中加速度值不大,最大加速度绝对值为1.448m/s2,动载系数为1.0914,从而可以说明双驴头抽油机运行平稳,动载系数小。2抽油机冲数对悬点载荷的影响在抽油机上、下冲程过程中,抽油杆柱自重始终作用于抽油机驴头悬点上,是一个不变化的载荷,可以用一个恒定的值来表示,考虑液体浮力的影响,抽油杆在液体中的质量用Q′r表示。作用于抽油泵柱塞上的液柱载荷随抽油泵的泵阀启闭状态的不同而变化。下冲程时,抽油泵柱塞上的游动阀是开启的,柱塞上下连通,不计液体通过游动阀和柱塞腔内的阻力,则柱塞上下的液体压力相等。因此,下冲程时柱塞上的液体载荷等于零。上冲程时,抽油泵中的游动阀关闭,固定阀打开,柱塞上下不再连通,柱塞上面的液体压力等于油管内液柱静压力,柱塞下面的液体压力等于油管外动液面以下液柱的静压力(忽略固定阀阻力)。这一压力差在柱塞上产生的液柱载荷用Q′f表示:Q′f=ρfg(L-h)Ap=ρfgH0Ap(7)抽油杆柱和液柱在非匀速运动过程中,产生的惯性力而作用于悬点的载荷称动载荷。惯性力的方向与加速度方向相反。在抽油系统中,习惯取向上的加速度为正,取向下的载荷为正。这里,为简化计算,只考虑加速度对悬点载荷的影响,同时认为杆柱与油柱的加速度相等。为此,悬点载荷由两部分组成,即静载和动载,可以分别求出上下冲程悬点载荷Qs和Qx。上冲程时:Qs=(Q′r+Q′f)(1+ag)(8)下冲程时:Qx=Q′r(1+ag)(9)式中:a——上、下冲程时的加速度。按照上述的分析,以冲程为5m的双驴头抽油机为研究对象,抽油机冲数分别为3、4、5(冲/min)时,抽油机的悬点载荷曲线如图5所示。从图5可以看出异形游梁式抽油机的悬点载荷曲线变化规律符合实际情况。其悬点最大载荷为133kN,最小载荷为51.1kN,并从曲线的变化趋势可以看出,异形游梁式抽油机的下死点滞后,上死点超前,也就是上冲程所用的时间比下冲程所用的时间长。3.1抽油机的曲柄扭矩双驴头抽油机的转矩因数¯ΤF的定义是:曲柄在任意角度的转矩因数是一个系数,该系数乘以光杆载荷(kN),可以得到抽油机减速器的曲柄转矩(kN·m),换言之,双驴头抽油机的转矩因数¯ΤF是悬点载荷Q在曲柄轴上产生的转矩TQ与悬点载荷Q的比值,单位m,即:¯ΤF=ΤQ/Q或:ΤQ=¯ΤF×Q(10)3.2双驴头抽油机的特性减速箱输出转矩是指游梁抽油机在减速箱输出轴(曲柄)实际产生的转矩,其大小与悬点载荷、冲程长度、抽油机几何参数、抽油机的平衡状况有关。双驴头抽油机的减速箱输出转矩Tn与其它游梁抽油机相同,其计算公式为:Τn=(Q-Bcosδ)¯ΤF-Μsinθ(11)式中:B——游梁的结构不平衡重,kN;δ——游梁的摆角,(°);¯ΤF=v/ω;v——悬点速度;ω——角速度;M——平衡力矩,是指曲柄处于水平位置时,平衡重和曲柄自重对减速箱输出轴中心的力矩,kN·m。按照上述的分析,以冲程为5m的双驴头抽油机为研究对象,抽油机冲数分别为3、4、5(冲/min)时,抽油机的转矩因数、减速箱输出转矩曲线如图6、图7所示。从图6、图7可以看出,双驴头抽油机的转矩因数曲线、减速箱输出转矩曲线变化规律均符合实际情况。其中减速箱输出转矩值均为正值,使双驴头抽油机的驱动电机在上、下冲程过程中均能做正功,保证了抽油机工作的稳定性,也充分说明了所分析的双驴头抽油机的几何关系的合理性。4双驴头抽油机悬点控制速度分析(1)提出了一套双驴头抽油机的运动、动力特性的计算方法,为合理选择电动机、设计机械换向及平衡重提供了理论依据。(2)通过对双驴头抽油机的计算分析可知,抽油机悬点的速度、