ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА Российский патент 1994 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к приводам для эксплуатации скважин штанговыми насосами.

Известен привод штангового насоса, состоящий из расположенной на раме стойки с укрепленным в ее верхней части двуплечим балансиром с головкой на переднем плече и шарнирным креплением к траверсе заднего плеча. Траверса соединена с верхним концом шатуна, нижний конец которого шарнирно соединен с кривошипом, установленным на выходной валу редуктора. Редуктор и приводной двигатель установлены на раме.

Недостатком данного привода является большая металлоемкость, вызванная наличием рамы, а также трудность ее установки на неустойчивом грунте, например, в болотистой местности. Кроме того, установка редуктора и приводного двигателя на раме - основании привода в условиях периодически затопляемой местности приводит к выводу их из работоспособного состояния.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является привод скважинного штангового насоса, состоящий из стойки с укрепленным в ее верхней части двуплечим балансиром с головкой на переднем плече и установленными на заднем плече приводным двигателем с редуктором, на выходном валу которого располагается кривошип, несущий на себе уравновешивающий груз и шарнирно соединенный с жестким коромыслом, другой конец которого шарнирно крепится к основанию привода.

Недостатком данного привода является большой вес уравновешивающего кривошипного груза, обусловленный его расположением по одну сторону с шарниром жесткого коромысла от оси вала, на котором установлен кривошип.

Цель изобретения - снижение уравновешивающего груза путем его установки на дополнительном втором плече кривошипа.

Цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем стойку с укрепленной в ее верхней части двуплечим балансиром с головкой на переднем плече и установленным на заднем плече приводным двигателем с редуктором, на выходном валу которого располагается кривошип, шарнирно соединенный с жестким коромыслом, другой конец которого крепится к основанию привода, кривошип снабжается вторым плечом, несущим на себе уравновешивающий груз. При этом уравновешивающий груз и шарнир жесткого коромысла находятся по разные стороны от вала, на котором установлен кривошип.

Расположение уравновешивающего груза на втором плече кривошипа позволяет перераспределить потенциальную энергию в предлагаемом устройстве иначе, чем в прототипе. В механических приводах СШНУ аккумулирование энергии происходит за счет перемещения уравновешенного груза в гравитационном поле. Поскольку гравитационное поле является потенциальным, то накапливаемая или отдаваемая потенциальная энергия будет определяться разностью величин наибольшего и наименьшего удаления уравновешивающих грузов от поверхности земли. Пусть r - расстояние от точки шарнирного соединения кривошипа и коромысла до центра вращения кривошипа (вала редуктора); R - расстояние от центра тяжести уравновешивающих грузов до центра вращения кривошипа; Q₁ и Q₂ - веса уравновешивающих грузов соответственно в прототипе и предлагаемой конструкции. Эти грузы совершают вращательное движение вокруг двух движущихся центров одновременно - точки сочленения кривошипа с коромыслом и вала редуктора. Как ясно из конструкции прототипа, в котором уравновешивающий груз расположен между центром вращения кривошипа и шарнирным соединением кривошипа с коромыслом, исходя из вышеизложенного количества аккумулированной энергии равно E₁ = 2(R - r)Q₁. Ввиду того, что предлагаемая конструкция снабжена вторым плечом кривошипа, количество аккумулируемой энергии в этом случае будет E₂ = 2(R + r)Q₂. Так как для уравновешивания обеих конструкций при одинаковых размерах требуется аккумулировать одинаковое количество энергии, приравнивая их, найдем
Q₂ = λ Q₁, где λ= ≅0.

Отсюда следует, что в предлагаемой конструкции требуется уравновешивающий груз меньшего веса. Например, если R = 2r, то λ= , т. е. в предлагаемой конструкции достигается трехкратное снижение веса уравновешивающего груза. Следовательно, в предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом достигается снижение металлоемкости.

В результате анализа научно-технической и патентной литературы установлено, что отличительные признаки объекта изобретения отличают его не только от прототипа, но и не содержатся в известных технических решениях аналогичного назначения. Следовательно, заявленная конструкция обладает новизной и существенными отличиями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый привод скважинного штангового насоса при крайнем верхнем положении головки балансира; на фиг. 2 - то же, при крайнем нижнем положении головки балансира.

Привод скважинного штангового насоса состоит из стойки 1 с установленным в ее верхней части двуплечим балансиром 2 с головкой 3 на переднем плече. На заднем плече балансира 2 установлены приводной двигатель 4 и редуктор 5, на выходном валу которого располагается кривошип 6. Одно плечо кривошипа 6 несет уравновешивающий груз 7, а второе плечо связано при помощи шарнира 8 с коромыслом 9, соединенный шарниром 10 с основанием привода.

Привод скважинного штангового насоса работает следующим образом.

В момент движения головки 3 балансира 2 вверх точка конца заднего плеча балансира 2 (центр вращения кривошипа) находится на максимальном удалении от шарнирного соединения 10, равном сумме длин коромысла 9 и радиуса кривошипа 6, а уравновешивающий груз 7 располагается над редуктором 5 (фиг. 1). Кривошип 6 вращается таким образом, чтобы центр тяжести уравновешивающего груза 7 удалялся от оси качания балансира 2. При этом под воздействием вращения кривошипа 6 коромысло 9 совершает качающееся движение около шарнира 10, а точка сочленения кривошипа 6 и коромысло 9 описывает дугу окружности с центром в шарнире 10. Таким образом, в процессе работы механизма точка сочленения кривошипа 6 с коромыслом 9 постоянно находится на этой дуге и, следовательно, в любом своем положении удалена от шарнира 10 на длину коромысла 9. С другой стороны эта же точка сочленения кривошипа 6 с коромыслом 9 всегда удалена от центра вращения кривошипа 6 на одно и то же расстояние, равное радиусу его вращения, причем центр вращения кривошипа сам перемещается по дуге с радиусом, равным длине заднего плеча балансира 2, на котором закреплен редуктор 5. Положение конца заднего плеча балансира 2, а следовательно, и угол его поворота, ограничивается положением точки сочленения кривошипа 6 с коромыслом 9, что вытекает из условия постоянства расстояния между ними, равного радиусу вращения кривошипа 6. Вследствие ненарушаемости указанных геометрических связей движения головки балансира, а следовательно, и точки подвеса штанг, определяемое углом поворота балансира 2, приобретает принудительный и устойчивый характер. Точка сочленения коромысла 9 с кривошипом 6, перемещаясь, в результате вращения последнего по дуге удаляется от линии, проходящей через центры вращения кривошипа 6 и шарнира 10. При этом расстояние между этими точками сокращается. Так как шарнир 10 относительно основания неподвижен, происходит вынужденное приближение к нему точки вращения кривошипа 6, а следовательно, связанных с ним редуктора 5 и балансира 2 с головкой 3. Происходит опускание заднего плеча балансира 2 и перемещение вверх его головки 3. Действующая на головку 3 сила тяжести откачиваемой жидкости, колонны штанг (не показана) уравновешивается весом двигателя 4, редуктора 5, уравновешивающего груза 7 и инерционными силами. При полном взаимном уравновешивании этих сил коромысло 9 не испытывает никаких усилий. В случае дисбаланса между указанными силами в коромысле 9 возникает компенсирующее усилие, устраняющее разбалансировку механизма. Приближение точки вращения кривошипа к шарниру 10 продолжается до тех пор, пока это расстояние не станет минимально возможным и равным разности длин коромысла и радиуса вращения кривошипа 6. в этом положении оси кривошипа 6 и коромысла 9 составляют прямую линию, заднее плечо балансира 2 занимает крайнее нижнее положение, а его головка 3 - крайнее верхнее положение (фиг. 2), что соответствует началу хода точки подвеса штанги вниз. При этом уравновешивающий груз 7 располагается под валом редуктора 5 на минимальном расстоянии от шарнира 10. Дальнейшее вращение кривошипа 6 сопровождается удалением центра вращения кривошипа 6 (точки конца заднего плеча балансира) от шарнира 10. Это продолжается до тех пор, пока значение этого расстояния не станет максимальным и равным сумме длин коромысла и радиуса вращения кривошипа 6. При этом заднее плечо балансира 2 приходит в крайнее верхнее положение, а его головка 3 - в крайнее нижнее положение (фиг. 1), причем оси коромысла 9 и кривошипа 6 продолжают одна другую по прямой линии. Это положение соответствует началу хода точки подвеса штанг вверх или концу одного рабочего цикла. В дальнейшем работа механизма циклически повторяется. В процессе каждого цикла уравновешивающий груз 7 вращается одновременно вокруг двух центров, а именно, по малому радиусу, равному расстоянию от центра тяжести уравновешивающего груза 7 до центра вращения кривошипа - вокруг этого центра, и по большому радиусу, равному расстоянию от центра тяжести уравновешивающего груза 7 до шарнира 8 - вокруг этого шарнира. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 866274, кл. F 04 B 47/02, 1980.

2. Патент США N 4660426, кл. F 04 B 47/02, 1987.

Использование: привод скважинного штангового насоса для извлечения пластовой жидкости из скважин. Сущность изобретения: устройство содержит стойку 1 с укрепленным на ней двуплечим балансиром 2, на переднем плече которого имеется головка 3, на заднем - приводной двигатель 4 и редуктор 5. На выходном валу редуктора 5 установлен двуплечий кривошип 6. Уравновешивающий груз 7 и шарнир коромысла 9 находятся по разные стороны оси вала. 2 ил.

ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА, содержащий стойку с укрепленным в ее верхней части двуплечим балансиром с головкой на переднем плече и установленными на заднем плече приводным двигателем с редуктором, на выходном валу которого расположен кривошип, несущий уравновешивающий груз и шарнирно соединенный жестким коромыслом с основанием привода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения металлоемкости, кривошип снабжен вторым плечом, причем уравновешивающий груз и шарнир жесткого коромысла расположены по разные стороны оси вала, на котором установлен кривошип.