Проверка колонны штанг на прочность

Колонну штанг проверяют на усталостную прочность в точке подвеса штанг к балансиру по следующей формуле:

, (20)

где к_зап – коэффициент запаса прочности, к_зап =1,3÷1,5; – допускаемое приведенное напряжение, для стали марки 20Н2М ; – расчетное приведенное напряжение.

Приведенное напряжение рассчитывается по формуле:

(21)

где – максимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения; – амплитуда напряжения в теле штанги за цикл нагружения. Амплитуда напряжения равна:

(22)

где – минимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения.

В колонне штанг в точке подвеса действуют как статические силы, так и инерционные силы и силы трения (трения поршня о цилиндр и штанг о насосные трубы). Силы трения можно не учитывать при малой кривизне скважины и исправном насосе, но они могут быть велики в искривленной скважине.

Динамические нагрузки вызываются тем, что колонна непрерывно приводится в движение с помощью кривошипно-шатунного механизма и скорость ее постоянно меняется.

Динамические силы выражают произведением массы на ускорение. При ходе поршня вверх движущая масса m=P_ст/g , а при ходе поршня вниз – mʹ=Pʹ_ст/g.

Ускорение поршня при постоянной скорости вращения пальца кривошипа:

(23)

где r – радиус кривошипа, примем r=0,125 м; ω – угловая скорость; α – угол поворота пальца кривошипа от вертикального положения.

При ходе поршня вверх и вниз динамические силы равны соответственно:

(24)

(25)

С учетом, что ω=πn/30, получаем следующее выражение:

(26)

(27)

Полное усилие в точке подвеса штанг при ходе поршня вверх и вниз будет равно соответственно:

(28)

(29)

где – статическая сила при ходе поршня вверх; – статическая сила при ходе поршня вниз.

Полное усилие в точке соединения штанг с балансиром зависит от угла поворота пальца кривошипа α. Наибольшее усилие при ходе поршня вверх будет тогда, когда cosα=1, т.е. α=0̊. В этом случае получаем следующее:

(30)

Наименьшее усилие при ходе поршня вниз будет тогда, когда cosα=-1, т.е. α=180̊. В этом случае получаем следующее:

(31)

Вес столба поднимаемой жидкости будет равен:

(32)

Далее рассчитываем полное усилие в точке соединения штанг с балансиром при n=12 об/мин=0,2 об/сек, т.е. при работе насоса за 6 часов в сутки:

После определения полного усилия рассчитываем максимальное и минимальное напряжения в теле штанги за цикл нагружения:

(33)

(34)

Далее находим амплитуду напряжения в теле штанги за цикл нагружения:

Находим приведенное напряжение в теле штанг:

Далее проверяем колонну штанг на усталостную прочность:

Таким образом, колонна штанг соответствует условиям усталостной прочности при заданных условиях эксплуатации насоса.

Заключение

В данной работе были спроектированы штанговый насос двойного действия и его привод. Расчеты курсового проекта позволяют судить о работоспособности насоса при заданных и принятых значениях, на основании полученных данных был выбран привод водоподъемного устройства. В ходе выполнения курсового проекта были получены и закреплены знания основ конструирования и проектирования узлов и деталей буровых машин. В заключении работы был выполнен чертеж, который наглядно показывает расположение основных элементов насоса двойного действия и его привода.

Список литературы

1. Шелковников И.Г. Прикладная буровая механика: Учебное пособие. Часть 2. СПб, 1998.

2. Юшков А.С., Пилипец В.И. Геологоразведочное бурение: Учебное пособие.-Донецк: Норд-Пресс, 2004.

3. Бродов Г.С. Бурение и оборудование скважин на воду. Практическое руководство, проектирование и расчет. СПб, 2006.

4. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1981.