РЕДУКТОР СТАНКА-КАЧАЛКИ Российский патент 1997 года по МПК F16H37/04 

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, а именно к технологическому оборудованию штанговой глубиннонасосной установки.

Известен пятиступенчатый конически-цилиндрический редуктор привода качания штангового насоса станка-качалки [1]
Для изменения частоты качания балансира кривошипно-шатунного механизма станка-качалки в корпус редуктора встроена коробка скоростей, блок шестерен которой установлен на промежуточных валах быстроходной ступени. Собственно редукторная часть состоит из двух ступеней с косозубыми шевронными колесами. Передача от коробки скоростей и редукторной части осуществляется посредством пары шестерен, одна из которых сидит на ведомом валу коробки скоростей, а другая на ведущем валу редуктора.

Однако, сокращение числа качаний связанное с убывающим со временем напором скважины на практике требуется достаточно редко, как правило, не более одного раза в год. С этой точки зрения конструкция является необоснованно сложной и поэтому практического применения не получила.

Известен также двухступенчатый редуктор привода кривошипно-шатунного штангового насоса станка-качалки конструкции фирмы Лафкин (США) [2] (Устройство принято за прототип).

Являясь основным узлом привода гарантирующим надежность и долговечность станка-качалки редуктор оснащен шевронными эвольвентными зубчатыми колесами и в зависимости от типоразмера рассчитан на 2, 4, 6, 8 тм с передаточным отношением в пределах 30-40. Для увеличения передаточного числа и изменения частоты качания балансира привод снабжен двумя последовательно установленными с редуктором шкиво-ременными передачами.

В этом редукторе благодаря оптимальному подбору передаточного числа увеличены диаметры промежуточного и выходного вала, при этом последний является одновременно шейкой кривошипа. В опорах ведомого вала применяются подшипники скольжения, а в опорах ведущего и промежуточного цилиндрические роликовые, что обеспечивает их плавающую в осевом направлении установку. Однако, практика эксплуатации все более глубоких нефтеносных пластов ставит задачу создания редукторов с вращающим моментом на выходном валу до 20.000 кгм. С учетом этих требований в известной типовой конструкции следует отметить следующие недостатки:
1. Прогиб валов от знакопеременных нагрузок кривошипно-шатунного механизма передается непосредственно на зубья шевронных колес, вызывая нарушение постоянства контактных линий в зацеплении и связанный с этим повышенный износ зубьев.

2. Несмотря на большой коэффициент перекрытия, недостатком шевронного зацепления являются осевые циклические смещения плавающих валов, что приводит к возникновению контактной коррозии в опорах между подшипником и его корпусом.

3. Установка выходного вала в подшипниках скольжения требует дополнительных специальных средств, обеспечивающих поступление жидкой смазки в ненагруженную зону подшипника.

4. Знакопеременные нагрузки от кривошипов и шатунов приводят к релаксации напряжений в крепежных болтах соединяющих корпус редуктора с крышкой и приводит со временем к раскрытию их стыка, недопустимого в условиях эксплуатации.

5. Кроме того, требуемое увеличение нагрузочной способности редуктора связано с ростом материалоемкости, габаритов, использовании в конструкции более тяжелых подшипниковых узлов. При этом усложняются условия монтажа и обслуживания.

Указанные недостатки стимулировали поиск новых технических решений.

Предложенное техническое решение направлено на решение задачи по увеличению нагрузочной способности редуктора без изменения его установочных размеров.

Эта задача решается посредством разделения кинематики исполнительного и передаточного механизма, что исключило неблагоприятное влияние деформации кривошипного механизма на зубчатые зацепления, а именно:
согласно изобретению в редукторе станка-качалки, содержащем корпус, валы с зубчатыми колесами и подшипниковые опоры, в осевой расточке ступицы зубчатого колеса соосного с выходным валом выполнен зубчатый венец, который связан с зубчатым венцом одетого на вал плавающего двухвенцового центрального колеса внешнего зацепления, второй венец которого связан с сателлитами планетарной передачи, подвижное водило которой связано с выходным валом посредством промежуточной зубчатой полумуфты, при этом опорные подшипники ступиц зубчатого колеса и водила размещены в расточках корпуса.

Кроме того, опорные подшипники качения шеек выходного вала установлены в стаканах, размещенных в расточках корпуса, разъемные части которого зафиксированы от возможности раскрытия стыка прецизионными штифтами соединяющими эти части с фланцами вышеназванных стаканов; неподвижное центральное колесо внутреннего зацепления планетарной ступени установлено в зацеплении с зубчатым венцом на фланце одного из стаканов подшипника выходного вала, при этом один из подшипников водила установлен в расточке этого стакана; промежуточная зубчатая полумуфта, центральные колеса внутреннего и внешнего зацепления и сопрягаемые с их осевыми расточками детали выполнены с совмещенными кольцевыми канавками, в которых размещены закладные, фиксирующие от осевого смещения вышеназванных деталей гибкие элементы, выполненные, например, в виде прутков из катанки, размещенных в этих канавках, при этом концы прутков закреплены в начале и конце навивки.

Технический результат выражается в особенности передачи реактивного силового потока на зубчатые колеса выходного вала со стороны кривошипно-шатунного механизма.

Установка зубчатого колеса и водила с сателлитами в корпусе независимо от выходного вала практически устраняет воздействие прогиба вала на зубчатые зацепления. А планетарная передача размещенная в тех же габаритах корпуса по существу является дополнительной ступенью и обуславливает увеличение передаточного числа в 6-4 раза. При этом отпадает необходимость установки одной ременной передачи, а также применения сложных в изготовлении шевронных колес, требующих химико-термического упрочнения и отделочных операций. Это позволяет сделать вывод о нетрадиционном решении разработки устройства, его новизне, изобретательском уровне и не вызывает проблем реализации в условиях серийного производства машиностроительного предприятия.

Сведения подтверждающие возможность осуществления изобретения поясняется чертежом, на котором представлено сечение редуктора в плоскости разъема корпуса с крышкой.

Редуктор содержит разъемный корпус 1 с выходным валом 2 и промежуточным валом 3 с шестерней 4, установленных соответственно на подшипниках качения 5 и 6. Подшипники 5 смонтированы в стаканах 7, 8.

В расточке ступицы зубчатого колеса 9, соосного выходному валу 2, выполнен зубчатый венец 10. Зубчатое колесо 9 установлено в корпусе 1 на подшипниках 11.

На шлицевой шейке 12 выходного вала 2, через промежуточную зубчатую полумуфту 13, коаксиально валу 2 установлено подвижное водило 14 с сателлитами 15, которые связаны с венцом ступицы зубчатого колеса 9 двухвенцовым плавающим колесом внешнего зацепления 16. Неподвижное центральное колесо внутреннего зацепления 17 планетарной передачи установлено в зацеплении с зубчатым венцом стакана 8.

Подшипниковая опора 18 водила 14 размещена в расточке корпуса 1, а опора 19 в расточке стакана 8. На консольных шейках 20 вала 2 смонтированы кривошипы 21 шатуна балансира 22 станка качалки.

Для фиксации в осевом направлении водила 14, неподвижного центрального колеса 17 и двухвенцового центрального колеса 16 в сопрягаемых зубчатых венцах выполнены кольцевые канавки, в которые заложен фиксирующий элемент 23, выполненный из катанки, при этом концы прутков закреплены в начале и конце навивки.

Для предотвращения раскрытия стыка, разъемные части корпуса 1, кроме крепежных болтов, дополнительно зафиксированы прецизионными штифтами 24 через фланцы стаканов 7 и 8.

Редуктор работает следующим образом.

При вращении промежуточного вала 3 от шестерни 4 крутящий момент передается последовательно на зубчатое колесо 9 вала 2 и через двухвенцовое центральное колесо внешнего зацепления 16 на сателлиты 15. Сателлиты 15 обкатываются по венцу внутреннего зацепления колеса 17 и передают вращение водилу 14.

И, наконец, водило 14 через промежуточную зубчатую полумуфту 13 передает крутящий момент выходному валу 2, при этом он выполняет функции шейки кривошипа кривошипно-шатунного механизма качания балансира.

Таким образом осуществляется пониженная передача.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 301428, кл. E 21 B 43/00, 21.07.66 г.

2. Проспект фирмы "Лафкин" (Копия) на 6 листах.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: редуктор содержит корпус, две ступени, одна из которых планетарная. Последняя включает неподвижные центральные колеса с внутренним зацеплением, центральное колесо с внешним зацеплением и водило с сателлитами. Центральное колесо с внешним зацеплением связано с зубчатым колесом другой ступени, водило - с выходным валом. Связь центральных колес и водила соответственно с корпусом, зубчатым колесом и выходным валом осуществлена посредством зубчатых муфт. Выходной вал установлен на подшипниках качения, смонтированных в стаканах. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Редуктор станка-качалки, содержащий корпус, две ступени, имеющие валы с зубчатыми колесами и подшипниковые опоры, отличающийся тем, что одна из ступеней выполнена планетарной и включает неподвижное центральное колесо с внутренним зацеплением, связанное с корпусом, центральное колесо с внешним зацеплением, установленное на выходном валу с возможностью свободного вращения и связанное с установленным на том же валу зубчатым колесом, и несущее для зацепления с центральными колесами сателлиты водило, связанное с выходным валом, а связи центральных колес и водила соответственно с корпусом, зубчатым колесом и выходным валом выполнены в виде зубчатых муфт. 2. Редуктор по п.1, отличающийся тем, что опорные подшипники качения шеек выходного вала установлены в стаканах, размещенных в расточках корпуса, разъемные части которого зафиксированы от возможности раскрытия стыка прецизионными штифтами, соединяющими эти части с фланцами стаканов. 3. Редуктор по п.1, отличающийся тем, что полумуфта зубчатой муфты, связывающей неподвижное центральное колесо с корпусом, выполнена на фланце одного из стаканов подшипника выходного вала, а один из подшипников водила установлен в расточке этого же стакана. 4. Редуктор по п.1, отличающийся тем, что сопрягаемые полумуфты каждой зубчатой муфты выполнены с совмещенными кольцевыми канавками, в которых размещены закладные фиксирующие от осевого смещения указанных деталей гибкие элементы, выполненные, например, в виде прутков из катанки, размещенные в этих канавках, при этом концы прутков закреплены в начале и конце навивки.