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1、长冲程抽油机传动胶带动载荷分析引言目前,国内外开发研制的多种形式的长冲程抽油机,其中部分抽油机采用胶带作为传动件用以带动抽油杆和配重作上､下往复的冲程运动｡如美国的Rota—Flex公司､法国的Mape公司等生产的长冲程抽油机,国内兰州石油机械研究所等共同研制的KCJ型宽带长冲程抽油机均采用胶带作为传动件”,而在“柔性传动件全平衡长冲程抽油机”中则采用了钢绳芯胶带｡在抽油机工作中胶带受到各种大小和作用不同的载荷,包括工艺载荷､阻尼力､惯性力､振动力和风扰力等,因此处于复杂的应力状态下｡胶带作为柔性传动件,位于抽油杆和卷简､卷简与配重､配重与抽油杆之间,成为机一电传动系统中的弹性环节｡由于它的粘
2、弹性比钢制零件明显得多,使得抽油机在运动传递和力传递特性方面与刚性系统有明显的区别,这一区别产生的根本原因是由于胶带一弹性元件引起的系统的振动,这种振动会引起动载荷,这是胶带动力学特性表现中最主要的现象,对抽油机工作状况的影响也最大｡动载荷通常产生于抽油机运行的过渡过程中,如在起制动过程中,当抽油机卷简的转速选取不当,机一电系统的惯性参量与弹性参量选取不当时,在胶带､卷简和天车轮上将引起附加动载荷,从而降低了抽油机的可靠性｡另外,当卷简或天车轮的质心偏心量超限或风力扰动很强而胶带的支承跨距过大时也会产生幅值较大的振动,甚至发生共振,导致胶带､卷筒､天车轮轴承中产生较大的动载荷,致使它们过早失效
3、｡因此,只有考虑胶带的动力学特性,分析研究胶带上的动载荷,统筹确定机一电系统的力学参量,才能保证抽油机达到预定的技术性能指标｡1不考虑胶带弹性时的动载荷在“柔性传动件全平衡抽油机”中,钢绳芯胶带通过滚筒与前､后天车轮和主､副配重及抽油杆相连,电机正､反转实现冲程换向,因此每个冲程中均有起制动过程｡在这一过程中,胶带的弹性对动载荷是有影响的｡首先分析不考虑胶带弹性的动载荷｡计算胶带所受的动载荷时,可将系统简化为图l所示的简图0,为不考虑胶带弹性时的情况,这时系统的力平衡方程为:式中:mt为驱动系统的等效质量;m:为配重或抽油杆的质量;x为质量块m:的位移;为胶带的拉力;P为等效起动力｡联立解式(
4、1)和式(2),可得:胶带所受的拉力为:式(4)的右边第一项为动载荷,第二项为静载荷｡2考虑胶带弹性时的动载荷图2为考虑胶带弹性时的系统力学模型,由该图可建立系统的动力学方程为:将和代入式(8),可得到式(7)的通解,这时,胶带所受到的拉力为:比较式(11)和式(4),可以看出由于胶带弹性的影响,惯性载荷即动载荷增加了一倍,此外还可以看出在考虑胶带弹性的情况下,质量块m2的运动规律也与刚性系统时不同｡在刚性系统中,质量块的运动规律为匀加速运动,其位移x=0.5af｡而在弹性系统中,质量块m:的加速度可由式(6)求出律为匀加速与振动的复合运动,质量块m:的位移为:通过上述的分析可知:1)由于胶带
5、的弹性影响,使弹性系统中的动载荷比刚性系统增加了一倍,而且质量块m:的运动带有振动｡2)胶带的动载荷的最大值与胶带的刚度系数值无关,说明胶带的弹性只影响振动的频率而不影响振动的幅度｡3)在具体分析柔性件长冲程抽油机胶带受力时,根据情况不同,m:可视为抽油杆系统的质量,也可视为配重系统的质量｡在根据载荷选用胶带时应考虑到动载荷的增加量｡3质量块m突然离地时的起动长冲程抽油机新安装后起车,或抽油杆断杆更换新杆后起车,均会遇到配重由受支承位置突开的起动工况｡这种工况与质量块m:悬空状态起动(正常工况时)具有不同的动态特性,分析如下｡该工况的力学模型见图3,与图2比较,可知这两种工况时的系统运动微分方
6、程是相同的,但初始条件不同,在质量块m:离开支承位置开始起升运动的瞬时,由于胶带处于松弛状态,所以胶带的弹性变形为零｡当胶带在逐渐消除松弛状态过程中已具有了额定起升速度并于完全张紧的瞬间传给质量块,因而其初始条件为:t=O时,x=O,o=v｡将该初始条件代入式(8)中可得:4结论1)将式(15)与式(11)相比较,可以看出质量块m:悬空起动时,最大动载荷与胶带的刚度和起升速度无关,而当质量块m:离开支承起动时,最大动载荷与胶带的刚度和起升速度有关｡因此在抽油机装机后起动和更换抽油杆后起动时,均应将变频器的给定频率调至额定频率的1/5左右,以降低速度v,从而减小最大动载荷,待质量块m:离开支承后
7、,调大变频器给定频率至额定值｡2)传动系统中由于有弹性较大的元件——胶带的存在,对系统的传动特性有很大的影响,特别是在起制动的过渡过程中和质量块m:突然离地时的工况下,将产生很大的动载荷,这一点在抽油机零件的强度设计时要予以考虑｡3)利用已给出的公式,正确地优化动力参数,合理地确定抽油机的结构设计,对于降低含有柔性件的弹性系统的动载荷,保证所需要的运动传递函数是很重要的,这方面仍需继续深入地研究｡
