При ходе вниз нагрузки минимальные

P_min = Р_шт - P_штi – R,

где Рж – вес столба жидкости;

Ршт – вес штанг;

Ржi – инерционная нагрузка от веса жидкости;

Pштi – инерционные силы от веса штанг;

R – силы трения.

Нагрузки на головку балансира СК, через балансир и шатуны передаются на кривошипный вал редуктора СК.

В точке D усилие шатуна Р_шат раскладывается на нормальное Р_н и тангенцальное Т.

Сила Т создает крутящий момент на кривошипном валу редуктора:

М_кр = Т r = P_шат r sin φ

C учетом изменения нагрузки в течении двойного хода головки балансира от максимального значения до минимального и синусоидальным характером изменения тангенциальной силы, график изменения крутящего момента неуравновешенного СК выглядит следующим образом.

Резкие колебания нагрузок создают ненормальный режим работы двигателя и усиливают износ всех узлов СК.

Для выравнивания нагрузки на редуктор и двигатель СК применяется уравновешивание, т.е. обеспечение равных по величине нагрузок при ходе вверх и при ходе вниз.

При ходе вверх

Pж + Ршт – Х

При ходе вниз

- Ршт + Х

где Х – величина уравновешивающих грузов.

Pж + Ршт – Х = - Рш + Х

Х = 0,5 Рж + Ршт

Урановешивание обеспечивает положительные значения крутящего момента как при ходе вверх, так и при ходе вниз.

Уравновешивание бывает трех видов:

- балансирное (используется для СК грузоподъемностью до 30 кН);

- кривошипное (роторное) – для СК свыше 70 кН;

- комбинированное – для СК 30…70 кН.

Недостатком балансирного урановешивания является дополнительные инерционные силы от массы груза. При роторном урановешивании инерционные усилия воспринимаются только подшипниками кривошипного вала и при его постоянной угловой скорости вращения не передаются на другие детали установки.

Уравновешивание обычно производят в соответствии с заводскими инструкциями для каждого типа СК. На прмыслах при эксплуатации СК уравновешенность систематически проверяют по нагрузке э/д с помощью токоизмерительных клещей.

Мощность приводного двигателя рассчитывается по формуле:

N = M_кр ω

Но так как значение момента постоянно меняется, то мощность двигателя подбирают с некоторым завышением.

Кинематическая схема балансирного станка-качалки представляет собой четырёхзвенник ОВСD.

Неподвижное звено – ОD, подвижные звенья – кривошип (r), шатун (l) и заднее плечо балансира (b). При вращении кривошипа точка С описывает окружность радиуса r, а точка В движется по дуге радиуса b.

Определим закон движения точки В, но для упрощения сделаем некоторые допущения, а именно:

- точка В движется не по дуге, а по прямой;

- радиус кривошипа намного меньше длины балансира;

- угол β, образованный шатуном и линией, соединяющей центр кривошипа с точкой В, принимается раным нулю;

тогда, закон движения т. В соответствует закону движения поршня насоса с кривошипно-шатунным механизмом или S_В = r (l– cos α).

Скорость движения точки В будет равна:

v_B = ω r sin α,

а ускорение:

w_B = ω² r cos α.

Тогда путь, скорость и ускорение т. А определяются соотношением плеч балансира а и b :

S_A = r( l- cos α)

v_A = ω r sin α

w_A = ω² r cos α,

где ω – угловая скорость вращения кривошипа.

Графики изменения скорости и ускорения точки подвеса колонны штанг – это синусоида и косинусоида соответственно.

Более точно закономерность изменения перемещения, скорости и ускорения точки подвеса штанг может быть определена с помощью приближенного расчета.

Кинематическое совершенство станка-качалки характеризуется коэффициентом m, который определяется по формуле:

m = ,

где w_max – максимальное ускорение точки подвеса штанг станка-качалки; w₀ – ускорение при гармоничном движении.

Для определения показателя m удобно пользоваться следующей формулой:

m =

В зависимости от глубины подвески наоса допустимый коэффициент кинематического совершенства изменяется и для глубоких скважин должен быть не более 1,3.

Т. о., кинематическое совершенство станка-качалки определяется соотношениями звеньев – r/l, r/b и а/b. Эти параметры в сочетании с максимальной нагрузкой в точке подвеса штанг, а также длиной её хода определяют конструкцию, габариты, массу и эксплуатационные характеристики станка-качалки.