CN101672260B - 齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种齿轮齿条耦合的直线电机往复泵，主要由直线电机、联轴器、工作液缸、活塞、活塞杆、齿轮、吸入阀、排出阀、数据采集卡、控制计算机、驱动器等组成，一个齿轮齿条耦合的两缸为一个基本单元，可组成双缸、四缸及以上偶数缸的多缸往复泵。一个基本单元中两个直线电机可在各自正行程通电，反行程断电，也可同时在正反行程都通电。一个单元中只安装一个位置检测传感器，检测出电机的位移信号，通过数据采集卡采集并转换，输入控制计算机，经分析后向驱动器发出控制信号，使电机实现需要的运动规律。本发明齿轮齿条耦合的直线电机往复泵吸入性能好，系统效率高，排量大、泵压高，泵压和排量波动小，能够更好地满足石油、化工等生产要求。

Description

齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵
技术领域
本发明涉及化工、矿山、石油等行业用的一种齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵。
背景技术
目前国内外所广泛使用往复泵，主要由齿轮传动、曲轴、连杆和活塞等组成，其冲次高、冲程短、排量调节困难、排量和排出压力波动大，易损件寿命短，吸入性能较差，难以满足现代钻井技术、酸化压裂技术和注水开采技术的要求。现有的往复泵要实现低冲次、大排量、高泵压，必须采用更大的传动比、更长的冲程，传动系统更复杂，系统效率更低，泵的结构尺寸更大，特别是往复泵的缸数越多，系统越复杂，制造难度越大，成本越高，使用和维护越复杂。直线电机往复泵采用直线电机作为动力端，将电能转换为电机动子的往复运动直接驱动往复泵活塞，具有结构紧凑，排量调节方便，排量、压力波动小，冲程长、冲次低，易损件寿命长等优点。2005年，国内第一个关于多个直线电机驱动的往复泵专利(200420061662.1)获得授权，2007年5月，多个直线电机驱动的双作用往复泵专利(200620033246.X)获得授权，同年11月关于多个直线电机驱动往复泵的美国专利(US2007/0261888A1)获得授权。上述专利中，每个直线电机直接驱动一个或两个活塞，在正反行程中，电机均必须通电，直线电机的持续通电时间为100％，电机的发热较严重，工作温度高，容易造成电机故障；当只驱动一个活塞时，反向行程为空行程，电机动子运行速度高，不利于往复泵的液体吸入。此外，单个直线电机的推力较难满足往复泵的大推力要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种能够在较小推力时，只对直线电机正行程供电、反行程断电；而在需大推力时，两个直线电机又能同时驱动一个活塞以获得较高增压能力的齿轮齿条耦合的直线电机往复泵。以实现往复泵的高效节能，延长直线电机寿命，又能实现高泵压、恒流量。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。
本发明齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵，主要由直线电机、联轴器、活塞杆、工作液缸、活塞、排出阀、吸入阀、齿轮、位置检测传感器、控制计算机、驱动器等组成。采用两直线电机及两活塞杆相互平行布置，所述活塞杆上带齿条，用一个齿轮与两活塞杆上的齿条同时啮合，两活塞杆按180。的运动相位差布置。以两个直线电机与一个齿轮齿条耦合的两缸为一个基本单元。
一个基本单元中的两个直线电机可以只在各自正行程中通电，反行程中断电，也可以两个电机同时在正反行程中都通电。当往复泵工作压力较低时，对一个单元中的两个直线电机只在各自正行程中通电，反行程中断电，当第一个直线电机处于正行程时，控制系统对其供电，电机动子推动活塞对工作液缸中的液体加压，同时，活塞杆上的齿条通过与其啮合的齿轮带动另一个工作液缸的活塞杆反向运行，将液体吸入工作液缸，也使另一个直线电机动子反行程运动回到初始位置，这个过程中第二个电机处于断电状态。当第一个直线电机正行程结束时，对其断电，对第二个直线电机通电，使其作正行程运动，电机动子推动活塞对第二个工作液缸中的液体加压，同时，第二个活塞杆上的齿条通过与其啮合的齿轮带动第一个工作液缸的活塞杆反向运行，将液体吸入工作液缸，并使第一个直线电机动子反行程运动回到初始位置，两个直线电机交替通电，实现两个液缸的协调工作。当需要往复泵在较高压力下工作时，在正反行程中，两个直线电机同时供电，当第一个直线电机处于正行程时，其动子直接推动第一个工作液缸，此时第二个电机处于反行程，其通过第二液缸的活塞杆上的齿条，带动与之啮合的齿轮，齿轮带动第一液缸活塞杆与第一个直线电机共同对第一工作液缸的液体加压，这样作用在第一个活塞上的推力为两个电机推力的总和；当第二个直线电机处于正行程时，其动子直接推动第二个工作液缸，此时第一个电机处于反行程，其通过第一工作液缸的活塞杆上的齿条，带动与之啮合的齿轮，齿轮带动第二工作液缸活塞杆与第二个直线电机共同对第二工作液缸的液体加压，同时第一工作液缸吸入液体。
一个基本单元中两个直线电机只需安装一个位置检测传感器。电机运动过程中，各单元的位置检测传感器检测出电机的位移信号，通过数据采集卡采集并转换，输入控制计算机中，控制计算机对其分析计算，并与预设的电机动子运动规律进行比较，然后对电机驱动器发出控制信号，使电机速度达到要求。电机动子可以采用等加速-等减速、或等加速-匀速-等减速运动规律。
以两个直线电机与一个齿轮齿条耦合的两缸为一个基本单元，可以组合成双缸、四缸、六缸及以上偶数缸的多缸往复泵。两个单元组合时，各单元间采用180°运动相位；三个单元组合时，各单元间采用60°或120°运动相位；四个单元组合时，各单元间采用90°或180°运动相位；五个单元组合时，各单元间采用72°运动相位。
与目前已有的直线电机往复泵相比，本发明的优点在于：(1)既能实现往复泵在较低压力下的工作，也能实现往复泵在较高压力下工作。(2)低压下工作时，两直线电机交替供电，减小了电机损耗，提高了效率。(3)泵压和排量波动小。(4)吸入性能好。(5)能实现大排量高泵压。
附图说明
图1是本发明一个基本单元的示意图。
图2是本发明的三个基本单元组合的示意图。
在图中，1、直线电机，2、联轴器，3、活塞杆，4、工作液缸，5、活塞，6、排出阀，7、吸入阀，8、吸入阀，9、排出阀，10、工作液缸，11、活塞，12、齿轮，13、活塞杆，14、位置检测传感器，15、直线电机，16、驱动器，17、数据采集卡，18、控制计算机、19、联轴器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
在图1、图2中，本发明齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵，主要由直线电机(1、15)、联轴器(2、19)、活塞杆(3、13)、工作液缸(4、10)、活塞(5、11)、排出阀(6、9)、吸入阀(7、8)、齿轮12、驱动器16、数据采集卡17、控制计算机18等组成。采用直线电机(1、15)及活塞杆(3、13)相互平行布置；所述活塞杆(3、13)上带齿条，并用一个齿轮12与两活塞杆(3、13)上的齿条同时啮合，两活塞杆按180°的运动相位差布置。
一个基本单元中两电机交替通电方案：
在图1中，当直线电机1处于正行程时，控制系统对其供电，电机动子推动活塞5对工作液缸4中的液体加压，同时，活塞杆3上的齿条通过与其啮合的齿轮12带动另一个工作液缸10的活塞杆13反向运行，将液体吸入工作液缸10，也使另一个直线电机15的动子反行程运动回到初始位置，这个过程中直线电机15处于断电状态。当直线电机1正行程结束时，对其断电，对直线电机15通电，使其作正行程运动，电机动子推动活塞11对第工作液缸10中的液体加压，同时，活塞杆13上的齿条通过与其啮合的齿轮12带动工作液缸4的活塞杆3反向运行，将液体吸入工作液缸4，并使直线电机1的动子反行程运动回到初始位置。两个直线电机交替通电，实现一个单元中两个工作液缸的协调工作。
一个基本单元中两电机同时通电方案：
在图1中，当直线电机1处于正行程时，其动子直接推动第一个工作液缸4的活塞5，此时直线电机15处于反行程，其通过第二工作液缸10的活塞杆13上的齿条，带动与之啮合的齿轮12，齿轮12带动工作液缸4的活塞杆3与直线电机1共同对第一液缸4中的液体加压，这样作用在第一个活塞5上的推力为两个电机推力的总和；当直线电机15处于正行程时，其动子直接推动工作液缸10中的活塞11，此时直线电机1处于反行程，其通过液缸4的活塞杆3上的齿条，带动与之啮合的齿轮12，齿轮12带动液缸10的活塞杆13与直线电机15共同对工作液缸10的液体加压，同时工作液缸4吸入液体。
一个基本单元中两个直线电机只需安装一个位置检测传感器14。在图2中，电机运动过程中，各单元的位置检测传感器14检测出电机的位移信号，通过数据采集卡17采集并转换，输入控制计算机18中，控制计算机18对其分析计算，并与预设的电机动子运动规律进行比较，然后对电机驱动器16发出控制信号，通过改变电源的频率和电压，使电机速度达到要求。电机动子可以采用等加速-等减速、或等加速-匀速-等减速运动规律。采用三个基本单元组合，各单元间采用60°或120°运动相位。

Claims (3)

1.齿轮齿条耦合的直线电机多缸往复泵，主要由直线电机(1、15)、联轴器(2、19)、活塞杆(3、13)、工作液缸(4、10)、活塞(5、11)、排出阀(6、9)、吸入阀(7、8)、齿轮(12)、位置检测传感器(14)、数据采集卡(17)、控制计算机(18)、驱动器(16)组成，其特征在于，直线电机(1、15)相互平行布置，活塞杆(3、13)也相互平行布置，所述活塞杆(3、13)上带齿条，用一个齿轮(12)与两活塞杆(3、13)上的齿条同时啮合，两活塞杆(3、13)按180°的运动相位差布置，即一个活塞在左死点位置时，另一个活塞在右死点位置；以两个直线电机(1、15)与一个齿轮齿条耦合的两缸为一个基本单元，可以组合成双缸、四缸、六缸及以上偶数缸的多缸往复泵；往复泵在低压工作时，一个基本单元中的两个直线电机(1、15)均只在各自正行程中通电，反行程中断电，往复泵在高压工作时，两个电机(1、15)同时通电。
2.根据权利要求1所述的直线电机多缸往复泵，其特征在于，每个基本单元采用一个位置检测传感器(14)，各传感器的信号通过数据采集卡采集并转换，输入控制计算机中，控制计算机对其分析计算，并与预设的电机动子运动规律进行比较，然后对电机驱动器(16)发出控制信号，使电机速度达到要求。
3.根据权利要求1所述的直线电机多缸往复泵，其特征在于，两个基本单元组合时，各单元间采用180°运动相位；三个单元组合时，各单元间采用60°或120°运动相位；四个单元组合时，各单元间采用90°或180°运动相位；五个单元组合时，各单元间采用72°运动相位。
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