RU2246650C2

RU2246650C2 - Differential crank mechanism for oil-well sucker-rod pump

Info

Publication number: RU2246650C2
Application number: RU2002124786/11A
Authority: RU
Inventors: В.П. Колошко (RU); В.П. Колошко; В.В. Колошко (RU); В.В. Колошко
Original assignee: Колошко Владимир Павлович; Колошко Валерий Владимирович
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2005-02-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: mechanism comprises cylindrical reduction gear (1) kinematically connected with central (3) and driving (8) cranks, bearing for mounting connecting rod (10), and balancing weights (11) and (12). Central crank (3) is mounted on output shaft (2) of the reduction gear and has planet gearing mounted in the housing. Central wheel (4) of the planet gear is secured to axle (5) passing through hollow shaft (2) of reduction gear (1) and engages satellite (7) through idle pinion (6). Driving crank (8) is mounted on the output end of satellite (7) and has bearing for mounting connecting rod (10). The number of teeth of central wheel (4) is twice as much as the number of teeth of satellite (7). The radii of cranks (3) and (8) point in the same direction and are the extensions of each other when the cranks are in the vertical plane.

EFFECT: prolonged service life.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технике для добычи нефти из скважин и может быть использовано в приводах штанговых скважинных насосов для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.The invention relates to techniques for oil production from wells and can be used in drives of sucker rod pumps to convert rotational motion to reciprocating.

Известен кривошипный механизм для преобразования вращательного движения выходного вала редуктора в возвратно-поступательное движение подвески устьевого штока в безбалансирных приводах штанговых скважинных насосов. Этот механизм состоит из кривошипов с уравновешивающими грузами, установленных на выходном валу редуктора с двух сторон, шарнирно связанных с кривошипами шатунов, которые через траверсу связаны с гибким элементом, а последний, через установленный на стойке направляющий шкив, связан с подвеской устьевого штока [1]. Недостатком такого механизма является несколько меньшая, по сравнению с балансирными приводами, долговечность гибкого элемента, который находится в активном взаимодействии с направляющим шкивом.Known crank mechanism for converting the rotational motion of the output shaft of the gearbox into the reciprocating movement of the suspension of the wellhead rod in the unbalanced drives of sucker rod pumps. This mechanism consists of cranks with balancing weights mounted on the output shaft of the gearbox on two sides, pivotally connected to the cranks of the connecting rods, which are connected through the yoke to the flexible element, and the latter, through the guide pulley mounted on the rack, is connected to the suspension of the wellhead [1] . The disadvantage of this mechanism is the somewhat lower, in comparison with balancing drives, durability of the flexible element, which is in active interaction with the guide pulley.

Известен также кривошипный механизм для преобразования вращательного движения выходного вала редуктора в возвратно-поступательное движение подвески устьевого штока в балансирных приводах штанговых скважинный насосов [2]. Этот механизм состоит из кривошипов с уравновешивающими грузами, которые установлены на выходном валу редуктора с двух сторон, и шарнирно связанных с ними шатунов, которые через траверсу связаны с подвижно установленным на стойке двуплечим качающимся балансиром с головкой балансира, на которой закреплен гибкий элемент.There is also a crank mechanism for converting the rotational motion of the output shaft of the gearbox into the reciprocating movement of the suspension of the wellhead rod in the balancing actuators of the sucker rod pumps [2]. This mechanism consists of cranks with balancing weights that are mounted on the output shaft of the gearbox on both sides, and connecting rods pivotally connected to them, which are connected via a cross-arm to a two-arm swinging balancer movably mounted on a rack with a balancer head on which a flexible element is fixed.

Недостатком такого преобразующего механизма является то, что он имеет сравнительно большой угол качания шатунов и поэтому, кроме полезной нагрузки тягового усилия на штоках, он создает также значительную знакопеременную горизонтальную силу (ориентировочно от 25% до 40% от усилий на штоках, в зависимости от длины хода), действующую через балансир на стойку, которое раскачивает конструкцию, ослабляет крепежные соединения. Кроме того, такой кривошипный механизм обеспечивает длину хода подвески устьевого штока, при равноплечем балансире, незначительно превышающую удвоенное значение радиуса кривошипа. Поэтому, для увеличения длины хода, применяют балансир с увеличенной длиной плеча со стороны подвески устьевого штока и меньшей со стороны редуктора, что неблагоприятно для конструкции, так как значительно возрастает требуемое тяговое усилие на шатунах.The disadvantage of this transforming mechanism is that it has a relatively large angle of rotation of the connecting rods and therefore, in addition to the payload of the traction force on the rods, it also creates a significant alternating horizontal force (approximately from 25% to 40% of the forces on the rods, depending on the length course), acting through the balancer to the rack, which swings the structure, weakens the fastening connections. In addition, such a crank mechanism provides a stroke length of the suspension of the wellhead rod, with an equal arm balancer, slightly exceeding the double value of the radius of the crank. Therefore, to increase the stroke length, a balancer with an increased shoulder length from the suspension side of the wellhead rod and less from the gearbox side is used, which is unfavorable for the design, since the required traction force on the connecting rods increases significantly.

Целью изобретения является создание кривошипного преобразующего механизма, обеспечивающего, при его применении, меньший угол качания шатуна, снижение действующих усилий, увеличение длины хода.The aim of the invention is the creation of a crank converting mechanism, providing, when applied, a smaller swing angle of the connecting rod, a reduction in effective forces, an increase in stroke length.

Эта цель достигается тем, что предлагаемый кривошипный механизм выполняется из двух кинематически взаимосвязанных кривошипов, которые устанавливаются с одной стороны редуктора. Причем в таком кривошипном механизме шатун один, и он устанавливается только на ведущем кривошипе. При этом обеспечивается прямолинейное возвратно-поступательное движение точки крепления шатуна при равенстве радиусов кривошипов, или возвратно-поступательное движение этой точки по сильно вытянутой эллипсообразной кривой, близкое к прямолинейному. В итоге снижается угол качания шатуна, и уменьшаются действующие усилия, создаются условия для увеличения длины хода.This goal is achieved by the fact that the proposed crank mechanism is made of two kinematically interconnected cranks, which are installed on one side of the gearbox. Moreover, in such a crank mechanism there is only one connecting rod, and it is installed only on the leading crank. In this case, a rectilinear reciprocating movement of the connecting rod attachment point is ensured when the radii of the cranks are equal, or the reciprocating movement of this point along a strongly elongated ellipsoid curve is close to rectilinear. As a result, the swing angle of the connecting rod is reduced, and the acting forces are reduced, conditions are created for increasing the stroke length.

Для того чтобы это обеспечить, один из кривошипов, центральный, установлен на выходном валу редуктора, и в его корпусе размещена цилиндрическая планетарная передача внешнего зацепления с неподвижным центральным колесом, находящемся, через паразитную шестерню, в зацеплении с сателлитом, снабженным выходным концом, на котором установлен другой, ведущий кривошип. Ведущий кривошип содержит опору для крепления шатуна с возможностью ее перестановки. При этом центральное колесо планетарной передачи установлено на оси, которая проходит через полый выходной вал редуктора и скрепляется с его корпусом.In order to ensure this, one of the cranks, the central one, is mounted on the output shaft of the gearbox, and in its body there is a cylindrical planetary gear of external gearing with a fixed central wheel, which, through the spurious gear, is meshed with a satellite equipped with an output end on which set another, leading crank. The leading crank contains a support for mounting the connecting rod with the possibility of its rearrangement. In this case, the central wheel of the planetary gear is mounted on an axis that passes through the hollow output shaft of the gearbox and is fastened to its body.

При этом число зубьев неподвижного центрального колеса должно быть в два раза больше числа зубьев сателлита, а кривошипы установлены так, что при их вертикальном расположении радиусы кривошипов направлены в одну сторону и являются продолжением друг друга. При выполнении этих условий точка крепления шатуна на ведущем кривошипе, при относительном движении кривошипов, перемещается возвратно-поступательно по вертикальной прямой, в том случае, когда радиусы кривошипов равны друг другу, и по сильно вытянутой эллипсообразной кривой, когда радиусы кривошипов не равны.In this case, the number of teeth of the fixed central wheel should be two times the number of teeth of the satellite, and the cranks are installed so that when they are vertically located, the radii of the cranks are directed to one side and are a continuation of each other. Under these conditions, the connecting point of the connecting rod on the leading crank, with the relative movement of the cranks, moves reciprocally in a vertical line, in the case when the radii of the cranks are equal to each other, and along a very elongated ellipsoid curve, when the radii of the cranks are not equal.

При этом длина хода равна удвоенной сумме радиусов кривошипов, поскольку они один раз складываются на полную длину, когда находятся ниже оси выходного вала редуктора и направлены вниз, и другой раз, когда находятся выше оси выходного вала и направлены вверх. Поэтому, при одинаковой длине хода, радиусы кривошипов у предложенного кривошипного механизма в два раза меньше, чем у обычного кривошипного механизма, что благоприятно для получения большой длины хода.In this case, the stroke length is equal to twice the sum of the radii of the cranks, since they fold once to the full length when they are below the axis of the output shaft of the gearbox and directed downwards, and another time when they are above the axis of the output shaft and directed upwards. Therefore, with the same stroke length, the radii of the cranks of the proposed crank mechanism is two times less than that of a conventional crank mechanism, which is favorable for obtaining a large stroke length.

Поскольку радиусы кривошипов могут быть не равны друг другу, то это позволяет производить регулировку длины хода путем перестановки опоры для крепления шатуна на ведущем кривошипе.Since the radii of the cranks may not be equal to each other, this allows you to adjust the stroke length by moving the support for attaching the connecting rod to the leading crank.

На фиг.1 схематично представлен предлагаемый дифференциальный кривошипный преобразующий механизм привода штангового скважинного насоса с редуктором в разрезе.Figure 1 schematically shows the proposed differential crank converting drive mechanism of the sucker rod pump with a gearbox in section.

На фиг.2 представлена схема взаимодействия деталей дифференциального кривошипного преобразующего механизма, траектории движения крайних точек кривошипов.Figure 2 presents the interaction diagram of the details of the differential crank converting mechanism, the trajectory of the extreme points of the cranks.

Дифференциальный кривошипный преобразующий механизм состоит из редуктора 1 с полым выходным валом 2, установленного на выходном валу 2 центрального кривошипа 3. В корпусе кривошипа 3 размещена цилиндрическая планетарная передача внешнего зацепления, которая состоит из неподвижного центрального колеса 4, установленного на оси 5, которая проходит через полый вал 2 редуктора 1 и жестко крепится с корпусом редуктора 1. Центральное колесо 4 находится в зацеплении, через паразитную шестерню 6, с сателлитом 7. На выходном конце сателлита 7 установлен ведущий кривошип 8 с осью 9, на которой подвижно установлена опора шатуна 10. При этом число зубьев центрального колеса 4 в два раза больше числа зубьев сателлита 7, а кривошипы установлены так, что при их вертикальном расположении радиусы кривошипов направлены в одну сторону и являются продолжением друг друга. На кривошипах установлены уравновешивающие грузы 11 и 12.The differential crank converting mechanism consists of a gearbox 1 with a hollow output shaft 2 mounted on the output shaft 2 of the central crank 3. In the housing of the crank 3 there is a cylindrical planetary gear of external gearing, which consists of a fixed central wheel 4 mounted on the axis 5, which passes through the hollow shaft 2 of the gearbox 1 and is rigidly attached to the gearbox housing 1. The central wheel 4 is meshed through the spurious gear 6, with the satellite 7. At the output end of the satellite 7 is installed the leading crank 8 with the axis 9, on which the connecting rod support is movably mounted 10. The number of teeth of the central wheel 4 is two times the number of teeth of the satellite 7, and the cranks are installed so that when they are vertically located, the radii of the cranks are directed to one side and are a continuation each other. On the cranks mounted balancing weights 11 and 12.

Дифференциальный кривошипный преобразующий механизм работает следующим образом.The differential crank transforming mechanism operates as follows.

Вращательное движение с выходного вала 2, редуктора 1 передается центральному кривошипу 3, при вращении которого сателлит 7, через паразитную шестерню 6, обкатывается вокруг неподвижного центрального колеса 4 и вместе с установленным на выходном конце сателлита 7 ведущим кривошипом 8 вращается в противоположном, по отношению к центральному кривошипу 3, направлении. Так как число зубьев сателлита 7 в два раза меньше числа зубьев неподвижного центрального колеса 4, то, с учетом того что сателлит совершает планетарное движение за один оборот центрального кривошипа 3, сателлит 7, а вместе с ним и ведущий кривошип 8, также совершат один оборот. При равенстве радиусов кривошипов конец радиуса ведущего кривошипа 8 (точка крепления шатуна) находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось выходного вала редуктора 1, и тогда, при встречном вращении кривошипов с одинаковой частотой, при сложении их движений, конец радиуса ведомого кривошипа 8 перемещается возвратно-поступательно по прямой вертикальной линии, фиг.2. Когда радиусы кривошипов не равны, тогда конец радиуса ведущего кривошипа перемещается по сильно вытянутой эллипсообразной кривой, фиг.2.Rotational movement from the output shaft 2, gearbox 1 is transmitted to the central crank 3, during rotation of which the satellite 7, through the spurious gear 6, is run around the stationary central wheel 4 and, together with the leading crank 8 mounted on the output end of the satellite 7, rotates in the opposite direction to central crank 3, direction. Since the number of teeth of the satellite 7 is two times less than the number of teeth of the fixed central wheel 4, then, taking into account the fact that the satellite performs planetary motion in one revolution of the central crank 3, the satellite 7, and with it the leading crank 8, will also make one revolution . If the radii of the cranks are equal, the end of the radius of the leading crank 8 (connecting point of the connecting rod) is in a vertical plane passing through the axis of the output shaft of the gearbox 1, and then, when the cranks are counter-rotating with the same frequency, when their movements are combined, the end of the radius of the driven crank 8 moves back - progressively in a straight vertical line, figure 2. When the radii of the cranks are not equal, then the end of the radius of the leading crank moves along a very elongated ellipsoid curve, Fig.2.

При этом, за один двойной ход преобразующего механизма, длина хода равна удвоенной сумме радиусов центрального и ведущего кривошипов, поскольку они складываются на полную длину один раз, когда оба находятся ниже оси выходного вала редуктора и направлены вниз, а другой раз, когда находятся выше оси редуктора и направлены вверх. Поэтому, при одинаковой длине хода, радиусы кривошипов у предложенного кривошипного механизма в два раза меньше, чем у обычного кривошипно-шатунного механизма. Соответственно в два раза увеличивается эффективность воздействия уравновешивающего груза на ведущем кривошипе на тяговое усилие на штоке. Это позволяет уравновесить привод штангового насоса грузом на ведущем кривошипе, в два раза меньшим, чем привод штангового насоса с известным кривошипным механизмом. При этом на центральном кривошипе возникает реакция, которая уравновешивается грузом, размещенным на этом кривошипе. Если же масса груза на центральном кривошипе больше, чем требуется для уравновешивания реакции, то возникает крутящий момент, который через планетарную передачу передается ведущему кривошипу и увеличивает тяговое усилие на штоке. То же происходит и при передаче крутящего момента центральному кривошипу от редуктора.At the same time, in one double stroke of the transforming mechanism, the stroke length is equal to twice the sum of the radii of the central and driving cranks, since they add up to the full length once when both are below the axis of the output shaft of the gearbox and directed downward, and the other time when they are above the axis gearbox and pointing up. Therefore, with the same stroke length, the radii of the cranks of the proposed crank mechanism is two times less than that of a conventional crank mechanism. Accordingly, the effect of the balancing load on the leading crank on the pulling force on the rod is doubled. This allows you to balance the drive of the sucker rod pump with a load on the leading crank, two times smaller than the drive of a sucker rod pump with a known crank mechanism. At the same time, a reaction occurs on the central crank, which is balanced by the load placed on this crank. If the mass of the load on the central crank is greater than is required to balance the reaction, then a torque occurs, which is transmitted through the planetary gear to the leading crank and increases the pulling force on the rod. The same thing happens when transmitting torque to the central crank from the gearbox.

Таким образом, тяговое усилие на штоке, при неуравновешенном механизме, складывается из усилий от воздействия груза на ведущем кривошипе, а при его недостаточности усилий - от воздействия крутящего момента от массы груза на центральном кривошипе, превышающей массу груза, необходимую для уравновешивания реакции от ведущего кривошипа и крутящего момента, передаваемого редуктором.Thus, the pulling force on the rod, with an unbalanced mechanism, consists of the efforts from the influence of the load on the leading crank, and if it is insufficient, the influence of the torque from the load mass on the central crank, exceeding the mass of the load necessary to balance the reaction from the leading crank and torque transmitted by the gearbox.

В итоге можно сделать вывод, что предложенный дифференциальный кривошипный механизм, по сравнению с известным кривошипным механизмом, имеет большие возможности для получения большой длины хода, снижения действующих усилий, лучшего уравновешивания.As a result, we can conclude that the proposed differential crank mechanism, in comparison with the known crank mechanism, has great potential for obtaining a large stroke length, reducing the effective forces, and better balancing.

Все изложенные здесь особенности работы дифференциального кривошипного преобразующего механизма проверены на изготовленной модели (1:10) балансирного и безбалансирного станка-качалки.All the features of the differential crank transforming mechanism described here are tested on the manufactured model (1:10) of the balancing and unbalanced rocking machine.

Источники информацииSources of information

1. ГОСТ Р 51763-2001, Приводы штанговых скважинных насосов. Общие технические требования. ГОССТАНДАРТ РОССИИ, Москва, с.4, рис.2;1. GOST R 51763-2001, Drivers of sucker rod pumps. General technical requirements. GOSSTANDART OF RUSSIA, Moscow, p. 4, fig. 2;

2. То же, с.3, рис.1.2. The same, p.3, fig. 1.

Claims

1. A differential crank mechanism for a sucker rod pump drive, comprising a cylindrical gearbox, cranks, a support for connecting rod, balancing loads, characterized in that it has kinematically interconnected cranks, a central gearbox mounted on the output shaft of the gearbox and containing an external planetary gear gearing with a central wheel fixedly mounted on an axis passing through the hollow shaft of the gearbox and fixedly mounted in its housing, and is located with a parasitic gear meshing with a satellite equipped with an output end, and a driving crank mounted on the output end of the satellite of the central crank and containing support for connecting the rod, while the number of teeth of the central planetary gear wheel is two times the number of teeth of the satellite, and the cranks are set so that when they are located in a vertical plane, their radii are directed in one direction and are a continuation of each other.

2. The differential crank drive mechanism of the sucker rod pump according to claim 1, characterized in that the radii of the Central and leading cranks are equal to each other.

3. The differential crank mechanism of the sucker rod pump drive according to claim 1, characterized in that the radii of the central and leading cranks are not equal to each other.