EA012103B1 - Механический привод скважинных насосов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и, в частности, может быть использовано в качестве механического привода скважинных насосов при добыче нефти. Предлагаемая конструкция механического привода скважинных насосов выполнена в виде двух кривошипно-ползунных механизмов с планетарными передачами, с жестко закрепленными на корпусе редуктора, соосно с подшипниками скольжения зубчатыми колесами и сателлитами, установленными на кривошипе, а многоступенчатый редуктор, имеющий, по крайней мере, передаточное отношение 1:243, расположен на ведущем и ведомом валах, причем ведомый вал с жестко закрепленным зубчатым колесом связан с кривошипами, а ведущий вал одним концом закреплен к шкиву двухколодочного тормоза, а другим концом через ведомый шкив клиноременной передачи к валу электродвигателя, при этом общее число ступеней редуктора не более чем на одну ступень превышает общее число двухвенцовых блоков шестерен, расположенных по всей длине ведущего и ведомого валов с возможностью свободного вращения вокруг осей соответствующих валов, образующих двойной подшипник скольжения, при этом один из ползунов снабжен силоизмерительным двухсекционным пъезопреобразователем, первая секция которого с возможностью возбуждения ультразвуковых колебаний закреплена к резонатору, установленному под башмаком шатуна, и соединена с генератором ультразвуковой частоты, а вторая секция цепью обратной связи через усилитель напряжения и устройство сравнения присоединена ко входу тиристорного регулятора напряжения, выход которого подключен к фазной обмотке асинхронного двигателя, подключенного к трехфазной сети

Description

Изобретение относится к области нефтяного машиностроения и, в частности, может быть использовано в качестве механического привода скважинных насосов при добыче нефти.

Известна установка (станок-качалка) - механический привод скважинных насосов наиболее близкая по технической сущности прототип [1], содержащая раму, вышку, трехфазный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель, клиноременную передачу, многоступенчатый редуктор, двухколодочный тормоз, кривошип, шатун, траверсу, противовес, верхнюю и нижнюю площадки, подвеску устьевого штока, лесницу и ограждение.

В известной установке рама выполнена в виде двух продольных полозьев, соединенных поперечными связями и вышка в виде усеченной четырехгранной пирамиды соединенной с рамой, кривошипы установлены с противовесами, перемещаемыми по поперечному пазу основания противовеса, редуктор выполнен двухступенчатым с шевронными зубчатыми колесами с цилиндрической передачей Новикова, двухколодочный тормоз имеет верхние и нижние колодки закрепленные к редуктору, стяжным устройством колодки зажимают тормозной шкиф, насаженный на ведущий вал редуктора, на валу асинхронного двигателя установлена конусная втулка, на которую насажен ведущий шкив клиноременной передачи.

Одним из существенных недостатков известной установки (балансирных станков-качалок) является то, что при большой длине хода, кроме увеличения габарита самого станка, увеличиваются также и размеры головки. Это создает затруднения при транспортировке, монтаже и ремонте скважины. При обычном балансире с применением дуговой головки образуется стрела хорды в любом положении механизма. Для ликвидации этой стрелы балансиру необходимо совершать сложное движение по направлению стержня балансира. В этом случае опора балансира должна иметь не жесткое закрепление, а соединение, имеющее возможность совершать поступательное движение. Это обстоятельство требует применения установок (станков-качалок) с плавающим балансиром, имеющих сложную конструкцию.

Работа глубинного насоса при каждом движении плунжера вверх и вниз сопровождается изменением направления движения насосных штанг и переходом через некоторые положения (мертвые точки) с нулевой скоростью, что должно меняться в течение одного цикла работы установки по величине и направлению. При этом немаловажное значение имеет стабильность и плавность движения, а также «Бифуркация» - выход рычажного механизма из мертвой точки при пуске и остановке установки. Причем от величины скорости и ускорения зависят динамические нагрузки на штанги, которые резко проявляются при спуске насосов на большие глубины. Поскольку штанги приводятся в движение посредством установки (станка-качалки), от закона движения подвески устьевого штока существенно зависит работа глубинного насоса. При этом законами движения точки подвеса штанг для идеального случая являются простые гармонические функции, соответственно для пути - косинусоида, скорости - синусоида, ускорения косинусоида с амплитудами г, τω и τω².

Однако в известной конструкции станка-качалки действительный закон изменения пути, скорости и ускорения точки подвеса штанг имеет сравнительно сложный характер, который значительно отличается от простого гармонического.

Известная установка (станок-качалка) состоит из двухступенчатого редуктора классического исполнения, требующая расхода большой мощности с крайне низкой частотой вращения и КПД. Это существенно увеличивает ее габаритные размеры, снижает надежность и коэффициент полезного действия.

Задачей изобретения является энергосбережение, обеспечение стабильности движения привода, уменьшение габаритных размеров, повышение уровня надежности.

Задача изобретения решена тем, что механический привод скважинных насосов, содержащий раму, трехфазный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель, клиноременную передачу, ступенчатый редуктор, двухколодочный тормоз, кривошипы, шатуны, траверсу, противовес, верхнюю и нижнюю площадки, вышку с лестницей и ограждение, согласно изобретению, что выполнен в виде двух кривошипно-ползунных механизмов с планетарными передачами, с жестко закрепленными на корпусе редуктора, соосно с подшипниками скольжения зубчатыми колесами и сателлитами, установленными на кривошипе, а многоступенчатый редуктор имеющий, по крайней мере, передаточное отношение 1:243, расположен на ведущем и ведомом валах, причем ведомый вал с жестко закрепленным зубчатым колесом связан с кривошипами, а ведущий вал одним концом закреплен к шкиву двухколодочного тормоза, а другим концом через ведомый шкив клиноременной передачи к валу электродвигателя, при этом общее число ступеней редуктора не более чем на одну ступень превышает общее число двухвенцовых блоков шестерен, расположенных по всей длине ведущего и ведомого валов с возможностью свободного вращения вокруг осей соответствующих валов, образующих двойной подшипник скольжения, при этом один из ползунов снабжен силоизмерительным двухсекционным пъезопреобразователем, первая секция которого, выполненная с возможностью возбуждения ультразвуковых колебаний, закреплена к резонатору, установленному под башмаком шатуна и соединена к генератору ультразвуковой частоты, а вторая секция цепью обратной связи через усилитель напряжения, устройство сравнения соединена ко входу тиристорного регулятора напряжения, выход которого подключен к фазовой обмотке асинхронного двигателя, подключенного к трехфазной сети переменного напряжения.

Предложенная конструкция механического привода скважинных насосов, за счет ее выполнения в виде кривошипно-ползунного механизма с планетарной передачей, обладающего гармоническими зако

- 1 012103 нами изменения пути, скорости и ускорения точки подвеса штанг и бифуркацией, позволяет сократить в данной механической системе балансир, имеющей сравнительно сложную конструкцию и приводящее к увеличению габаритных размеров данной механической системы. При этом уменьшаются потери на трения в кинематических парах, а также обеспечивается в широком диапазоне ход и число качений подвески устьевого штока при добыче нефти за счет выполнения преобразующего механизма в виде нормального кривошипно-ползунного механизма. Последний позволяет получить гармонические законы движения точки подвеса штанги, соответственно для пути - наиболее близкая косинусоида, скорости - наиболее близкая синусоида, ускорения - наиболее близкая косинусоида с амплитудами г, τω и τω².

Выполнение редуктора многоступенчатым, размещенным на двух - ведущем и ведомом валах практически с неограниченным передаточным отношением, дает возможность уменьшить передаточное отношение и количество ремня клиноременной передачи и тем самым уменьшить габаритные размеры, а следовательно и металлоемкость установки при сохранении функциональных возможностей известной установки (прототипа). При этом увеличивается КПД, обеспечивается энергосбережение, уменьшается количество конструктивных элементов и тем самым увеличивается надежность механического привода штанговых насосов.

Это показывает, что вышеперечисленные признаки относятся к существенным и влияют на достигаемый результат обеспечения требуемого закона изменения пути, скорости и ускорения точки подвеса штанги, энергосбережение, уменьшение габаритных размеров, повышение уровня надежности механического привода скважинных насосов, то есть находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема механического привода скважинных насосов вид спереди, на фиг. 2 - вид сбоку, а на фиг. 3 - вид сверху.

Механический привод содержит два кривошипно-ползунных механизма 1 с планетарными передачами 2, жестко закрепленными с двух сторон на корпусе многоступенчатого редуктора 3 соосно с подшипниками скольжения 4 его ведомого вала 5, зубчатыми колесами 6 и сателлитами 7, установленными на кривошипах 8. Многоступенчатый редуктор, расположен на двух валах, имеющий, по крайней мере, передаточное отношение 1:243. Шестерня 9 жестко закреплена на ведущем валу 10, а колесо 11 с помощью шпонки 12 жестко закреплено на ведомом валу 5.

Общее число ступеней указанного редуктора 3 на одну ступень превышает общее число двухвенцовых блоков шестерен 13, которые расположены по всей длине ведущего 10 и ведомого 5 валов с возможностью свободного вращения вокруг осей соответствующих валов, образующих двойной подшипник скольжения.

На другом выходном конце ведущего вала 10 редуктора 3 установлен двухколодочный тормоз 14. На выходных концах ведомого вала 5 редуктора 3 закреплены кривошипы 8.

Механический привод также содержит раму 15, выполненную из профильного проката в виде двух продольных полозьев, соединенных поперечными связями, вышку 16, выполненную из профильного проката в виде фермы, лестницу 17, позволяющую ремонт и просмотр состояния механизмов провода. На верхней площадке 18 вышки совместно с редуктором установлен трехфазный асинхронный электродвигатель 19.

В составе кривошипно-ползунных механизмов с планетарными передачами с передаточным отношением, равным единице, имеются также шатуны 20 и ползуны 21. Шатуны 20 выполнены в виде трубы, на один конец сварена верхняя головка 22, а на другой конец башмак 23. Шатуны 20 шарнирно соединены с ползунами 21, совершающими возвратно-поступательное движение по оси двух цилиндрических направляющих стоек 24. С другого конца кривошипов 8, установлены противовесы 25, которые имеют возможность перемещаться вдоль оси кривошипов, и фиксируются в нужном положении с помощью крепежного устройства 26. На выходных концах ведущего 10 вала редуктора 3 с одной стороны насажен ведомый шкив 27 клиноременной передачи 28, а с другой стороны шкив 29 тормоза 14. На валу электродвигателя 19 насажен ведущий сменный шкив 30, клиноременной передачи 28. Ползуны 21 жестко соединены между собой с помощью траверсы 31, имеющую цилиндрическую форму в виде прямой балки.

Штанга 32, жестко связанная с траверсой 31 соединена с поршнем 33 насоса. Механический привод имеет общее ограждение 34. Нижний конец стоек 24 закреплены на нижней площадке 35.

При этом один из ползунов 21 снабжен силоизмерительным двухсекционным 36, 37 пьезопреобразователем, первая секция 36 которого с возможностью возбуждения ультразвуковых колебаний закреплена с резонатором 38, установленным под башмаком 23 шатуна 20 и соединена к генератору ультразвуковой частоты 39, а вторая секция 37 цепью обратной связи через усилитель напряжения 40, устройство сравнения 41 соединена ко входу тиристорного регулятора напряжения 42, выход которого подключен к фазной обмотке 43 асинхронного двигателя, подключенного к трехфазной сети 44 переменного напряжения.

Механический привод работает следующим образом:

Сменный ведущий шкив 30 клиноременной передачи 28 получает вращательное движение от трехфазного асинхронного электродвигателя 19 и приводит во вращение ведомый шкив 27, установленный на ведущем валу 10 многоступенчатого редуктора 3. С помощью жестко закрепленного на ведущем валу

- 2 012103 шестерни 9 и четырех двухвенцовых блоков шестерен 13, свободно вращающихся на ведущем 10 и ведомом 5 валах редуктора 3, вращательное движение передается зубчатому колесу 11, жестко закрепленному на ведомом 5 валу редуктора 3 и тем самым вращается ведомый вал 5 с требуемой частотой вращения. Одновременно вращаются и кривошипы 8, установленные на выходном валу редуктора. Шарнирно соединенные с кривошипами 8 шатуны 20, совершая плоско-параллельное (сложное) движение приводят к возвратно-поступательному движению по цилиндрическим направляющим стойкам 24, ползуны 21. Жестко соединенная с траверсой 31 последняя в свою очередь передает возвратнопоступательное движение штанге 32, а следовательно поршню 33 насоса.

При этом изменение пути, скорости и ускорения точки подвеса штанги происходит по гармоническому закону, а следовательно стабильность движения сальникового штока обеспечивается за счет выполнения преобразующего механизма в виде нормального кривошипно-ползунного механизма.

До запуска трехфазного асинхронного двигателя 19 секция электрода 36 пъезопреобразователя выполняющий функцию возбудителя ультразвуковых колебаний, возбуждается на резонансной частоте от генератора от ультразвуковой частоты 39, при этом указанные колебания передаются на резонатор 38 установленным под башмаком 23 шатуна 20.

В процессе работы механического привода ввиду увеличения механической нагрузки перемещения ползуна 21 скорость углового вращения двигателя 19 уменьшается из-за увеличения момента сопротивления на валу асинхронного двигателя которое воспринимается секцией электрода 37 силоизмерительного пъезопреобразователя. При этом аналоговый сигнал снимаемый с секцией электрода 37 силоизмерительного пъезопреобразователя поступает на вход усилителя напряжения 40, который после усиления подается на вход устройство сравнения 41. После сравнения указанного аналогового сигнала с опорным напряжением и_оп превышение порогового значения приводит к тому, что указанный аналоговый сигнал поступает на вход тиристорного регулятора 42 напряжения.

При этом осуществляется автоматическое регулирование коэффициента передачи напряжения с выхода тиристорного регулятора 42 напряжения подводимого к фазной обмотке 43 асинхронного двигателя. Регулирование напряжения питания асинхронного двигателя осуществляется по закону изменения механической нагрузки на валу указанного асинхронного двигателя, способствующее поддержанию стабильности и плавности движения рычажного механизма.

Произведен сравнительный анализ надежности, КПД металлоемкости и габаритных размеров предлагаемого и известного установок - механических приводов скважинных насосов, применительно к режимам работы станков-качалок СКДЗ-1,5-710 и СКДРЗ-1,5.

Разработан, изготовлен и испытан лабораторный образец предлагаемого нового конструктивного решения механического привода скважинных насосов нефтяной скважины, включающий в свой состав нормальный кривошипно-ползунный механизм и пятиступенчатый редуктор.

Установлено, что при прочих равных условиях выполнение натурного технического решения предлагаемой конструкции механического привода штанговых насосов нефтяных скважин позволяет уменьшить его металлоемкость на 20-30% существенно повысить эксплуатационные показатели (надежность, КПД и энергосбережение) данной механической системы.

Claims (1)

1. Механический привод скважинных насосов, содержащий раму, трехфазный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель, клиноременную передачу, ступенчатый редуктор, двухколодочный тормоз, кривошипы, шатуны, траверсу, противовес, верхнюю и нижнюю площадки, вышку с лестницей и ограждение, отличающийся тем, что выполнен в виде двух кривошипно-ползунных механизмов с планетарными передачами, с жестко закрепленными на корпусе редуктора, соосно с подшипниками скольжения зубчатыми колесами и сателлитами, установленными на кривошипах, а многоступенчатый редуктор, имеющий, по крайней мере, передаточное отношение 1:243, расположен на ведущем и ведомом валах, причем ведомый вал с жестко закрепленным зубчатым колесом связан с кривошипами, а ведущий вал одним концом закреплен к шкиву двухколодочного тормоза, а другим концом через ведомый шкив клиноременной передачи к валу электродвигателя, при этом общее число ступеней редуктора не более чем на одну ступень превышает общее число двухвенцовых блоков шестерен, расположенных по всей длине ведущего и ведомого валов с возможностью свободного вращения вокруг осей соответствующих валов, образующих двойной подшипник скольжения, при этом один из ползунов снабжен силоизмерительным двухсекционным пъезопреобразователем, первая секция которого, выполненная с возможностью возбуждения ультразвуковых колебаний, прикреплена к резонатору, установленному под башмаком шатуна, и соединена с генератором ультразвуковой частоты, а вторая секция цепью обратной связи через усилитель напряжения и устройство сравнения соединена с входом тиристорного регулятора напряжения, выход которого подключен к фазной обмотке асинхронного двигателя, подключенного к трехфазной сети переменного напряжения.