Підвищення ефективності експлуатації верстатів-гойдалок

Abstract

Дисертація присвячена удосконалення методів підвищення ефективності експлуатації обладнання для видобування нафти, зокрема насосних штангових установок. Проведено аналіз сучасного стану досліджень у галузі забезпечення ефективної експлуатації верстатів-гойдалок. Розглянуто конструкції та особливості експлуатації верстатів-гойдалок і встановлено, що на вузли виконавчого механізму діють різні за величиною і напрямком статичні і динамічні зусилля, які суттєво змінюються за один цикл роботи механізму. Проведений структурний аналіз кінематичних схем виконавчих механізмів показав наявність надлишкових зв’язків, що призводить до виникнення додаткових навантажень, ударів у кінематичних парах, шуму і, як наслідок, до зменшення довговічності вузлів механізму. Проведено дослідження впливу динамічних похибок важільного механізму верстата-гойдалки на деформацію і переміщення його ланок. Встановлено, що поява похибки взаємного розміщення гілок кривошипа призводить до відхилення шатунів від вертикалі та взаємного відносного положення. Зміщення шатунів у вертикальній площині відбувається за рахунок їх пружної деформації. Окрім того, відхилення траєкторії траверси в горизонтальній площині призводить до закручування шатунів. Розроблено алгоритм для проведення кінетостатичного дослідження важільного механізму верстата-гойдалки, причому механізм розглядався як просторовий шестиланковий. На основі проведених досліджень розроблено структурні схеми виконавчих механізмів верстатів-гойдалок без надлишкових зв’язків, які дають можливість зменшити додаткові навантаження на ланки, що виникають внаслідок пружних деформацій шатунів. Відповідно до розроблених структурних схем запропоновано нові конструкції виконавчих механізмів верстатів-гойдалок. Розроблено систему діагностування технічного стану верстата-гойдалки та проведено експериментальні дослідження на діючій свердловині для виявлення динамічних похибок виконавчого механізму верстата-гойдалки і порівняння результатів з проведеними теоретичними розрахунками.

В первом разделе рассмотрены особенности эксплуатации станков-качалок. Отмечено, что на узлы станка-качалки действуют разные по величине и направлению статические и динамические усилия, которые существенно изменяются за один цикл работы механизма. Проведенный структурный анализ кинематических схем исполнительных механизмов станков-качалок показал наличие избыточных связей. Погрешности геометрических размеров звеньев и несоосность кинематических пар превращают механизмы с избыточными связями в жесткие системы. Движение такого механизма возможен только за счет зазоров в кинематических парах и деформаций звеньев. Это приводит к возникновению дополнительных нагрузок, ударов в кинематических парах, шума и, как следствие, к уменьшению долговечности узлов механизма. Негативное воздействие ударов в кинематических парах можно снизить за счет совершенствования кинематической схемы рычажного механизма и конструкции станка-качалки, ее деталей и узлов. На основе проведенного анализа сформулированы основные задачи, которые необходимо решить в ходе выполнения диссертационной работы. Во втором разделе проведено исследование влияния динамических погрешностей рычажного механизма станка-качалки на деформацию и перемещение звеньев. В результате исследования установлено, что появление погрешности взаимного расположения ветвей кривошипа приводит к отклонению шатунов от вертикали и взаимного положения относительно друг друга. Смещение шатунов в вертикальной плоскости происходит за счет их упругой деформации. Кроме того, отклоненйя траектории траверсы в горизонтальной плоскости приводит к закручиванию шатунов. На основе проведенных исследований предложены структурные схемы исполнительных механизмов станков-качалок без избыточных связей, которые дают возможность уменьшить дополнительные нагрузки на звенья, возникающих от упругих деформаций шатунов. В третьем разделе проведены кинетостатические исследования рычажного механизма привода станка-качалки. Для определения сил реакций и моментов сил реакций в кинематических парах механизма составлены расчетные схемы для рационального механизма без избыточных связей и реального с учетом упругих деформаций изгиба и кручения шатунов. Разработан алгоритм для проведения кинетостатичного исследования рычажного механизма станка-качалки, причем механизм рассматривался как пространственный шестизвеньевой. Четвертый раздел посвящен разработке системы диагностирования технического состояния станка-качалки и проведению экспериментальных и промышленных испытаний разработанной системы. Для проведения экспериментальных исследований разработана система диагностирования технического состояния станка-качалки, основное назначение которой обеспечить синхронное измерения и регистрацию информационных сигналов от датчиков деформации, установленных на шатунах. Для оценки технического состояния станка-качалки предложено использование разницы в нагрузке шатунов как диагностического параметра. Использование такого параметра позволяет определить критическое значение разницы нагрузки, что очень важно, поскольку можно предупредить разрушение отверстий кривошипа, шатунов и предотвратить преждевременный выход из строя исполнительного механизма станка-качалки в целом.

The thesis is devoted to improving the methods of increasing equipment operation efficiency for the oil extraction, in particular rod pumping units. The analysis of the current state of research in the area of pumping units effective operation has been conducted. The structure and characteristics of pumping units operation were considered. It was founded that different in magnitude and direction static and dynamic forces influence on the components of the actuator, that change substantially in one cycle of the mechanism. Structural analysis of the kinematic schemes actuators showed the presence of redundant links, which leads to additional loads, shocks in the kinematic pairs, noise and, as a consequence, to mechanism durability decreasing. The influence of dynamic errors linkage pumping unit on the deformation and movement of units has been carried out. It is found that the occurrence of an error of mutual disposition of the branches of the crank results in a deviation from the vertical rods and the relative position with relative to each other. The displacement rods in the vertical plane is is caused by their elastic deformation. Furthermore, the trajectory deflection yoke in the horizontal plane leads to a twisting of rods. The algorithm for kinetostatic study linkage pumping unit was developed, the mechanism was considered as a spatial six-links mechanism. Based on conducted research, actuators pumping units without redundant links structural schemes were developed, which allow to reduce the load on the additional units arising from elastic deformation of rods. According to the structural scheme new design actuators pumping units was proposed. A system of the pumping unit technical condition diagnosing was proposed and experimental studies on the existing wells to identify the dynamic errors actuator pumping unit and comparing the results with theoretical calculations was carried out.