Расчет напряженно-деформированного состояния балансира станка-качалки-Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчет напряженно-деформированного состояния балансира станка-качалки-Курсовая работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Основные узлы станка-качалки - рама, стойка в виде усеченной четырехгранной пирамиды, балансир с поворотной головкой, траверса с шатунами, шарнирноподвешенная к балансиру, редуктор с кривошипами и противовесами. СК комплектуется набором сменных шкивов для изменения числа качаний, т.е. регулирование дискретное. Для быстрой смены и натяжения ремней электродвигатель устанавливается на поворотной раме-салазках.
Монтируется станок-качалка на раме, устанавливаемой на железобетонное основание (фундамент). Фиксация балансира в необходимом (крайнем верхнем) положении головки осуществляется с помощью тормозного барабана (шкива). Головка балансира откидная или поворотная для беспрепятственного прохода спускоподъемного и глубинного оборудования при подземном ремонте скважины. Поскольку головка балансира совершает движение по дуге, то для сочленения ее с устьевым штоком и штангами имеется гибкая канатная подвеска. Она позволяет регулировать посадку плунжера в цилиндр насоса или выход плунжера из цилиндра, а также устанавливать динамограф для исследования работы оборудования.
Амплитуду движения головки балансира регулируют путем изменения места сочленения кривошипа с шатуном относительно оси вращения (перестановка пальца кривошипа в другое отверстие).
За один двойной ход балансира нагрузка на СК неравномерная. Для уравновешивания работы станка-качалки помещают грузы (противовесы) на балансир, кривошип или на балансир и кривошип. Тогда уравновешивание называют соответственно балансирным, кривошипным (роторным) или комбинированным.
Блок управления обеспечивает управление электродвигателем СК в аварийных ситуациях (обрыв штанг, поломки редуктора, насоса, порыв трубопровода и т.д.), а также самозапуск СК после перерыва в подаче электроэнергии.
Выпускают СК с грузоподъемностью на головке балансира от 2 до 20 т.
Электродвигателями к СК служат короткозамкнутые асинхронные во влагоморозостойком исполнении трехфазные электродвигатели серии АО и электродвигатели АО2 и их модификации АОП2.
Частота вращения электродвигателей 1500 и 500 мин –1.
В настоящее время российскими заводами освоены и выпускаются новые модификации станков-качалок: СКДР и СКР (унифицированный ряд из 13 вариантов грузоподъемностью от 3 до 12 т.), СКБ, СКС, ПФ, ОМ, ПШГН, ЛП-114.00.000 (гидрофицированный). Станки-качалки для временной добычи могут быть мобильными (на пневмоходу) с автомобильным двигателем.











1 Схема рассчитываемого узла





 No двутавра b,мм R,мм c,м m,м n,м α,гр. β,гр. G,H P,H k,м
 26к2 260 2000 1.1 0,6 2.8 25 9 1500 800 0,7





















2 Обоснование выбора конечных элементов и их описание

Рассчитываемый узел подвергается воздействию больших осевых нагрузок.
Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, являются смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются напряжения, пластическая деформация. В нашем случае смещение происходит вдоль одной из осей, с одной степенью свободы. Степени свободы не определяются явно, а подразумеваются типами конечных элементов, приложенными к ним.
 Конечный элемент SOLID186 удовлетворяет заданным параметрам. Представляет собой элемент для трехмерного твердотельного моделирования с 20 узлами и хорошо подходит для моделирования импортированных твердотельных моделей.
 Элемент имеет три степени свободы и может использоваться при моделировании пластичности, гиперупругости, ползучести, больших деформаций а также имитации почти несжимаемых материалов и полностью несжимаемых гиперупругих материалов.
 Как видно из рисунка элемент может формироваться и трансформироваться, определяя местоположение вершин K,L,S и O,P,W и др. Принимая тетраэдральную, пирамидаидальную или призматическую форму (в виде треугольной призмы).
 В случае моделирования гиперупругих материалов, направление напряжения и деформации всегда определяются относительно глобальной декартовой системы координат.
 Характеристики элемента SOLID186.
1. Количество узлов – 20 (I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y, Z, A, B).
2. Реальные константы – нет.
3. Степени свободы - 3 (ОX, ОY, ОZ).
4. Предназначен для моделирования: пластичности, гиперупругости, вязкоупругости, вязкопластичности, ползучести, придания жесткости, больших смещений, большой деформации, ввода начального напряжения, автоматический отбора технологии элемента, рождения и смерти.
5. Свойства материала.
EX - модуль упругости в направлении OX;
EY - модуль упругости в направлении OY;
EZ - модуль упругости в направлении OZ;
ALPX – коэффициент теплового расширения в направлении OX;
ALPY – коэффициент теплового расширения в направлении OY;
ALPZ – коэффициент теплового расширения в направлении OZ;
  PRXY - коэффициент поперечного сжатия в плоскости X-Y;
  PRYZ - коэффициент поперечного сжатия в плоскости Y-Z;
  PRXZ - коэффициент поперечного сжатия в плоскости X-Z;
 DENS – плотность материала;
  GXY – модуль сдвига в плоскости X-Y;
  GYZ - модуль сдвига в плоскости Y-Z;
  GXZ - модуль сдвига в плоскости X-Z;
  DAMP – демпфирование.




Рисунок 2.1- Геометрическая форма конечного элемента SOLID186.

Из рисунка видно, что направления выходных напряжений параллельны системе координат элемента. При работе с SOLID186 необходимо учитывать следующие допущения.
1. Элемент не должен иметь нулевого объема, а также искривлен так, чтобы образовывалось два отдельных объема.
2. Смещение края с удаленной средней вершиной происходит линейно, а не параболически.
3. Следует использовать, по крайней мере, два элемента в каждом из направлений.
4. Трансформирование элемента в четырехгранник, клин или пирамиду должно использоваться с предостережением. Размеры элемента должны быть относительно малы, чтобы минимизировать градиенты напряжений.
3 Методика решения задачи
Создание геометрической модели средствами ANSYS
В данном случае требуется создать три точки и одну линию. Геометрическая точка (объект Keypoint) создается командами экранного меню Preprocessor - Create - Keypoints - In Active CS.
Точка создается по трем своим координатам при помощи панели Create Keypoints in Active Coordinate System. В этой панели в строке NPT Keypoinits number указывается номер создаваемой точки. В принципе, номер указы¬вать не обязательно, система сама присвоит номер точке из числа не занятых.
В трех строках X, Y,Z Location in active CS указываются координаты точки.
После этого от точки No 1 до точки No 2 требуется провести прямую линию. Эта линия строится команда¬ми экранного меню Preprocessor - Create - Lines - Straight Line. После этого на экране появится панель Create Straight Line, при помощи которой строится тре¬буемая линия. После появ¬ления данной панели на экране требуется указать курсо¬ром сначала точку No 1, затем No 2.
Итак, требуемая линия создана, и процесс создания геометрической модели завершен.
Создание расчетной модели
В данном случае требуется присвоить линии атрибуты и создать сами конечные элементы.
Указание атрибутов для линии, на которой будут созданы балочные конечные элементы, имеет определенное отличие от указания атрибутов для линии, на которой строятся стержневые элементы. Это отличие заключается в необходи¬мости указания пространствен¬ной ориентации поперечного се¬чения балки. Поэтому в панели Line Attributes, следует установить пере¬ключатель Pick Orientation Keypoint(s) в положение Yes и на¬жать кнопку ОК
После этого панель Line Attributes исчезает, но появляет¬ся новая, меньшего размера и того же наименования.
При этом следует указать курсором на экране требуемую ориентационную точку и нажать кнопку ОК в находящейся на экране панели Line Attributes В результате линия получает все требуемые атрибуты
Далее требуется указать число создаваемых конечных элементов на линии и создать сами конечные элементы. На этом создание модели завершается.
Приложение нагрузок и закреплений
В качестве нагрузки будет приложена сосредоточенная сила. Сосредото-ченная сила может прикладываться в геометрической точке или в узле сетки Принципиальной разницы между двумя видами задания нагрузки нет. Однако есть сетка конечных элементов пользователем будет удалена для последую¬щего создания новой нагрузки, то закрепления, приложенные к узлам также будут уничтожены. В то же время нагрузки и закрепления приложенные к объектам геометрической модели (в частности к точкам), сохранятся.
Сосредоточенная нагрузка прикладывается командами экранного меню Preprocessor - Loads - Loads - Apply - Force/Moment. После этого на экране появляется панель указания точки Apply F/M on KPs (первая часть). При этом на экране требуется указать точку (одну или несколько, в зависимости от контекста) и нажать кнопку ОК.
Далее на экране появился панель Apply F/M on RPs назначения направления и значения сосредоточенной силы Apply F/M on KPs. В данной панели в списке Lab Direction of force/mom следует выбрать требуемое направление силы (или момента сил)
В строке VALUE Force/moment value указывается значение силы или момента. Далее следует нажать кнопку ОК (или Apply, если требуется задать другие силы).
В данном случае приложена сосредоточенная сила в направлении оси Y, значением — 1000 (в данном случае ньютонов).
На этом приложение нагрузок закончено.

Просмотр результатов
Графическое отображение результатов на экране осуществляется как из эк-ранного, так и из выпадающего меню. Просматривать можно как узловые ре-зультаты, так и элементные.
Вывод узловых результатов осуществляется следующим образом: из экранного меню General Postproc - Plot Results - Contour Plot - Nodal Solution, из выпадающего меню Plot - Results - Contour Plot - Nodal Solution.
Вывод элементных результатов осуществляется из экранного меню General Postproc - Plot Results - Contour Plot - Element Solution, а из выпадающего меню Plot - Results - Contour Plot - Elem Solution.
В случае вывода узловых результатов на экране появляется панель выбора типа просматриваемых узловых результатов Contour Nodal Solution Data.
В этой панели нужно выбрать для просмотра следующие группы результатов:
Stress — напряжения (осевые, касательные, главные, эквивалентные);
В случае графического просмотра элементных результатов возникает панель Contour Element Solution Data.
На этом рассмотрение расчета можно считать завершенным.











4 Анализ полученных результатов и предложения по улучшению работы рассчитываемого узла
В данном разделе приведены результаты расчета станка-качалки при использовании двутавра.
На рисунках 4.1 и 4.2 представлен расчет напряженно-деформированного состояния балансира.





Рисунок 4.1 - Расчет напряжённо-деформированного состояния
 балансира станка-качалки





Из представленных рисунков видно, что напряжения возникают в основном в центре балансира. При чем на головку балансира нагрузка незначительна и напряжения возникают только у стыка соединения балансира с головкой.
В данном курсовом необходимо было определить наибольшие напряжения возникающие в сечении балансира изготовленного из 2-х швеллеров, свариваемых между собой.
В данном случае при проведенных расчетах мы можем сказать, что возможно использовать балансир станка-качалки изготовленного из швеллера, но предпочтительнее использовать балансир изготовленного из двутавра.








































5 Вывод

ANSYS позволяет не только создавать геометрические модели собственными средствами , но импортировать уже готовые, созданные средствами CAD-систем (например SolidWorks и др.). Нужно отметить, что геометрическая модель в дальнейшем может быть модифицирована любым образом, поскольку при импорте осуществляется перетрансляция данных в геометрический формат ANSYS. Возможно удаление несущественные мелких подробностей, достраивание определенных деталей. Построение поверхностей, твердотельной геометрии и внесение изменений осуществляется средствами собственного геометрического редактора.