直线式抽油机应急刹车装置设计

学术论文 2018-07-31 11:12:55
  直线式抽油机目前在我作业区应用较为广泛,相比传统游梁式抽油机具有占地面积小、装配简易、参数调节方便准确等优点,负载平衡效果好,节能效果明显。但是,由于直线式抽油机的设计特点,其本身也存在一定的安全隐患:当油井发生抽油杆上部分杆断或抽油机皮带断裂会造成配重箱迅速坠落,皮带、光杆容易甩出轨道,导致安全事故的发生。
  1 抽油机结构分析
  直线式抽油机又称塔式抽油机,目前在我作业区应用的主要有三类,分别为辽宁盘锦石油机械厂、中国东营胜利高原有限公司以及冀东机械厂生产,其主要结构原理基本相同,本文将针对我作业区应用较为广泛的盘锦石油机械厂生产的直线式抽油机进行分析。
  当抽油机发生失载时系统受力平衡被打破,配重箱在重力作用下迅速坠落,从而带动皮带、光杆等部件运动,因此应急刹车装置的主要作用对象应为配重箱,建立一套能够迅速制止配重箱下落的刹车装置是本设计的目的。
  2 应急刹车硬件设计
  本刹车装置安装在配重箱上,利用刹车器与配重箱滑轨的摩擦力使配重箱制动。具体设计方案如下:
  1)系统框图
  刹车装置主要由:失载传感器、运算放大器、A/D转换、单片机、继电器、电磁铁以及刹车钳五部分构成。其中失载传感器可以安装在皮带与悬绳器或配重箱的连接部位,单片机对负荷传感器的信号进行采样判断,一旦判定抽油机失载则发出两个指令信号:1)传输至抽油机控制柜,命令电动机断电;2)通过继电器将该指令信号放大后触发电磁铁吸合,继而使安装在配重箱上的刹车钳产生动作,抱死配重箱滑轨,最终使得配重箱制动。
  2)机械部分
  机械部分的设计主要是针对于刹车钳的设计,刹车钳是刹车装置的关键部位,也是最终的受力部位,刹车钳必须产生足够的摩擦力来使配重箱制动,在本设计中我们利用木楔原理。我们知道,在使用木楔固定家具时只需用很小的力将木楔钉入却能产生很大的摩擦力固定家具。
  根据木楔原理,我们将刹车钳设计成楔形,利用楔块的插入产生摩擦力。如图2:
  图2 楔形刹车钳原理图
  根据受力分析图3,我们可以发现楔块在刹车抱死时受到以下几个力的作用:F,配重箱对楔块的压力;f,楔块与配重箱滑轨产生的摩擦力。N与G分别为F在水平方向与纵向的两个分力。
  不难得知,楔块产生的摩擦力为:
  f=N*μ=cosa*F*μ 式1
  F的纵向分力G为:
  G=sina*F 式2
  若要使配重箱产生制动效果,需使楔块受力平衡,即:
  f=G 式3
  => cosa*F*μ=sina*F 式4
  => μ = tana 式5
  由式5可知,楔块所产生的摩擦力能否使配重箱产生制动,只与楔角a以及摩擦系数μ有关,与配重箱的质量并无直接关系。配重箱的自重越大则楔块所产生的摩擦力越大。
  在实际情况中,我们会在配重箱两侧滑轨上同时安装刹车钳。因此,式3在实际情况中应为:
  2f=G
  =>2μ=tana
  =>a=arc tan(2μ) 式6
  在这里,我们拟选用摩擦系数较大的橡胶作为楔块的材质,橡胶与钢的摩擦系数为0.75,计算得出楔角的大小为56.3°。由此可知,在实际使用中,采用橡胶材质的楔角,只要楔角不大于56.3°,即可实现配重箱的制动。
  3)控制部分
  刹车装置的控制部分我们采用单片机为核心的控制单元,配合电磁铁以及相应的联动装置实现楔块的动作。
  本系统通过负荷传感器传输负荷信号,经由运算放大器对信号进行放大。由于负荷传感器的输出信号为模拟信号,因此要通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号,再输入单片机。单片机对负荷信号进行判定,发现失载信号后同时发出两个控制指令。由于电动机断电指令的执行涉及到具体抽油机的核心控制单元,目前没有进行深入研究,只对刹车钳的联动控制部分进行设计。
  在本系统中,单片机发出指令为弱电信号,通过继电器转换为强电信号,触发电磁铁工作吸合,触动连杆使得楔块向上运动,楔入刹车钳内产生摩擦力。
  3 应急刹车软件设计
  本文设计的刹车系统是在应急情况下启动,因此对响应时间要求较高。在程序设计上我们放弃采用程序循环的方式,而采用硬件中断的方式对传输信号进行读取,提高了程序的可靠性和实效性。
  4 结论
  本文设计了一套通过单片机控制的直线式抽油机应急刹车装置。通过受力分析计算,理论上可以实现配重箱的应急制动。本文提出的设计还处于理论模型设计阶段,没有深入到具体技术层面,距离现场应用还有一段距离。
  下一步我们将针对现场抽油机进行具体环节的设计,不断优化刹车装置的响应速率,实现快速执行的应急刹车装置。
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