ЭЛЕВАТОР ДЛЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ Российский патент 1997 года по МПК E21B19/06 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для спуско-подъемных операций с насосно-компрессорными трубами при ремонте скважин.

Известен элеватор для насосно-компрессорных труб, включающий корпус, серьгу, челюсти со штоком, соединенные шарниром и установленные в корпусе, а также элемент фиксации с ручкой, взаимодействующий со штоком [1]
Недостатком указанной конструкции является необходимость работать с элеватором обеими руками, так как одной рукой нужно удержать элеватор за серьгу, а другой перемещать элемент фиксации за его ручку в процессе открывания и закрывания челюстей. Эта особенность создает неудобства при использовании названного устройства, ограничивает производительность труда в процессе производства ремонтных работ, а в отдельных случаях, например, когда оператор работает на скользкой площадке, повышает риск его падения и травмирования из-за потери устойчивости. По указанным причинам эта конструкция элеватора не нашла широкого практического применения, хотя некоторое время изготавливалась на Ишимбайском машзаводе под шифром ЭТАР-12,5.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является широко известный элеватор для насосно-компрессорных труб, который содержит корпус с упором и размещенный в нем захватный узел, состоящий из челюсти и штока, соединенных шарниром, рукоятку фиксации штока, установленную с возможностью поворота относительно корпуса и штока, и осуществления взаимодействия с упорными элементами, выполненными на рукоятке и штоке, а так же подпружиненный элемент фиксации и связанный с ним подпружиненный рычаг управления [2]
В данной конструкции открывание и закрывание запорного механизма осуществляется поворотом рукоятки, а также закрывание запорного механизма осуществляется поворотом рукоятки относительно корпуса и штока, причем фиксирование запорного механизма в закрытом положении и последующее его открывание производится кистью той же руки, которая находится на рукоятке, путем нажатия на рычаг, связанный с элементом фиксации, взаимодействующим с упором корпуса. Благодаря этому с указанным элеватором можно работать одной рукой, а другая рука оператора остается свободной и он ею может выполнять другие операции поддерживать, например, равновесие и т.п. Указанное обстоятельство способствует повышению производительности труда при ремонте скважин. Эти и другие достоинства указанного прототипа обусловили его широкое использование в нефтяной и газовой промышленности СССР и России. В настоящее время данная конструкция элеватора под промышленным обозначением "Элеватор типа ЭТА" серийно изготавливается на Ишимбайском машиностроительном заводе уже около 2-х десятков лет, в том числе с использованием принятого нами за прототип изобретения по авт. св. N 1218061 с 1984 года. Однако в многолетней обширной практике использование описанной конструкции элеватора имеют место случаи отказа его механизма запирания, в результате которых происходит выпадение трубы из элеватора и травмирование обслуживающего персонала.

Анализ подобных случаев показывает, что причины отказов описанного элеватора объясняюся, в основном, следующими обстоятельствами.

1. Рукоятка фиксации штока, выполненная поворотной относительно корпуса и штока, в процессе эксплуатации быстро изнашивается по месту сопряжения "корпус-рукоятка" и "рукоятка шток", что ведет к нарушению работы запорного механизма элеватора. Это объясняется тем, что в известной конструкции элеватора имеет место следующая особенность, способствующая ускоренному износу подвижной пары "рукоятка корпус". Дело в том, что в описанном устройстве указанная пара нагружена всеми силами, которые действуют между рукояткой и остальной частью элеватора это вес элеватора плюс сила, необходимая для перемещения элеватора в процессе подвода его трубе и отвода от нее (сила трения, инерции, удара и т.п.). Обозначим сумму этих сил "Q элеватора". Кроме указанных сил подвижная пара "рукоятка корпус", разумеется, нагружается и силами, необходимыми непосредственно для запирания и открывания самого механизма запирания устройства. Назовем последние силы "F механизма запирания". Поскольку масса элеватора достигает двух десятков килограммов и более, а перемещение его на рабочем месте посредством рукоятки исчисляются метрами "Q элеватора" превышает "F механизма запирания" во много раз, так как в процессе работы механизма запирания перемещения деталей исчисляются миллиметрами, а масса этих деталей, участвующих в перемещениях, составляет лишь незначительную часть общей массы элеватора. По изложенным причинам основную ответственность за износ пары "рукоятка корпус" в механизме запирания известного элеватора несут силы "Q элеватора", которые не являются обязательными во время рабочих взаимодействий между деталями запорного механизма в процессе открывания и закрывания. В результате этого система запирания известного устройства подвергается быстрому износу в процессе эксплуатации с резким увеличением линейных и угловых зазоров в ней, которые вызывают снижение надежности механизма запирания.

2. Имеется еще один недостаток известного устройства, который ограничивает ресурс безопасной работы его механизма запирания. Это связано с тем, что при закрывании элеватора поворотом рукоятки угол поворота последнего не превышает 25 30^o, что определяется эргономическими требованиями к длине рукоятки и условием, согласно которому при наибольшем отклонении от плоскости симметрии элеватора рукоятка не должна выступать за пределы контура его корпуса, т. к. в противном случае резко возрастает риск зацепления рукояткой элеватора за элементы конструкции грузоподъемного сооружения (мачты подъемника) во время спуско-подъемных операций. Поэтому это обстоятельство ограничивает линейные величины перекрытия упорных элементов штока и рукоятки. Например, в механизме элеватора описанной конструкции типа "ЭТА" средний диаметр упорных взаимодействующих элементов штока и рукоятки составляет около 30 мм, следовательно, тангенциальная линейная величина перекрытия составляет:

Опыт эксплуатации элеваторов показывает, что такая величина перекрытия в случаях износа элеватора иногда недостаточна и не гарантирует полной надежности работы устройства.

Еще один недостаток известного устройства заключается в том, что в случае одновременного отказа обеих пружин запорного механизма последний теряет работоспособность.

В заключение критики прототипа указываем еще на один недостаток известного устройства это открытое расположение подвижной рукоятки органа управления с механизмом запирания элеватора. В результате этого при случайных ударах элеватора рукояткой об элементы грузоподъемного сооружения во время спуско-подъемных операций иногда происходит аварийное раскрытие элеватора с выпадением из него трубы.

Целью изобретения является повышение безопасности, надежности и срока службы элеватора путем защиты от ударов и разгрузки его механизма запирания от вредной части сил, действующих в конструкции устройства, и, напротив, полезного использования части тех же сил в работе запорного механизма, а также путем увеличения линейных величин перекрытия при фиксации захвата относительно корпуса.

Поставленная цель достигается тем, что рукоятка на корпусе установлена неподвижно и в ее стойке размещен элемент фиксации с возможностью взаимодействия с отверстиями, выполненными на штоке и бобышке корпуса, между рычагом и элементом фиксации установлена тяга, которая подпружинена относительно рукоятки и соединена с ними посредством шарниров, причем ось шарнира, связывающего рычаг с тягой, размещена подвижно в пазе, а тяга и рукоятка снабжены упорами, взаимодействующими между собой. При конкретном исполнении устройства тяга выполнена с выступанием за внешний контур рукоятки, а центр тяжести рычага расположен между осью вращения рычага и шарниром, соединяющим его с тягой.

Анализ известных технических решений, содержащих признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, показал, что известны конструктивные усовершенствования аналогичных элеваторов предпринятые с целью повышения надежности и срока службы его запорного механизма. Эти усовершенствования содержат конструктивные и технологические решения, повышающие срок службы изнашиваемой поворотной пары "рукоятка корпус", в частности, такие: в устройство вводится элементы герметизации; ставится подшипник качения; применяется элемент конструкции, компенсирующий износ. В предложенном нами устройстве проблема износа не решается, а просто снимается путем выполнения нагруженной пары "рукоятка корпус" неподвижной.

В промышленной практике задача повышения надежности запорного механизма решалась и с другой стороны. В частности, нам известны следующие конструктивные решения, выполненные отчасти и силами самих потребителей элеватора, это некоторое увеличение угла поворота рукоятки; изменение геометрии взаимодействующих упорных элементов, выполненных на штоке и поворотной рукоятке.

Но все перечисленные выше, известные заявителям решения, не преодолевают тех двух принципиальных особенностей, являющихся причиной недостатков, а именно: а) нагружение механизма запирания элеватора силами веса, инерции, трения, уларов, связанных с массой элеватора; б) ограниченности угла поворота рукоятки, используемого для фиксации захватов.

Предложенная в настоящей заявке конструкция свободна от указанных особенностей, более того, в ней вес элементов запорного механизма использован с пользой таким образом, что элеватор может работать, т.е. запираться и далее становиться на страховую фиксацию под действием исключительно только сил веса при отказах пружин; а использование элемента фиксации в виде пальца, установленного в сквозном отверстии штока, обеспечивает фиксацию захватного узла элеватора относительно его корпуса практически при любых радиальных, угловых и продольных зазорах и люфтах, имеющихся даже в элеваторах со значительным износом деталей.

Таким образом, вышеуказанные отличительные признаки придают заявляемому объекту новые, не присущие другим аналогичным объектам свойства что указывает на соответствие заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показан элеватор в закрытом положении, общий вид; на фиг.2 - запорный механизм элеватора в открытом положении, продольный разрез; на фиг. 3 сечение 1-1 из фиг.1.

Элеватор состоит из корпуса 1, в котором установлены челюсти 2 со штоком 3, соединенные с осью 4 шарнирно. На бобышке 5 корпуса 1 неподвижно установлена стойка рукоятки 6, в которой размещены тяга 7 и соединенный с ней шарнирно элемент 8 фиксации палец, установленный соосно с отверстием 9 на бобышке 5 с отверстием 10 на штоке 3. Элемент 8 фиксации палец подпружинен относительно стойки рукоятки 6 пружиной 11. Тяга 7 соединена с рычагом 12 через палец 13, размещенный в отверстии 14, выполненном в форме паза. На торце тяги 7 имеется упор 15, а сама она отжата пружиной 16. На рукоятке 6 выполнен другой упор 17 и окно 18.

Элеватор работает следующим образом.

Для открытия элеватора оператор нажимает на плечо 19 рычага 12 и поворачивает его на оси 20, при этом в начальном этапе движения плеча 21 рычага вверх наклонный паз 14, взаимодействует с пальцем 13 тяги 7, отталкивает и поворачивает последнюю вокруг оси 22 шарнира на некоторый угол и выводит торец 15 тяги из-под упора 17 на рукоятке, сжимая пружину 16. После этого палец 13 в наклонном пазе 14 занимает крайнее нижнее положение и поэтому при дальнейшем движении плеча 21 вокруг оси 20 тяга 7, вместе с пальцем-элементом 8 фиксации, перемещаются вверх и занимают положение, изображенное на фиг.2. В этом положении палец-элемент 8 фиксации находится вне отверстий 9 и 10, выполненных соответственно на бобышке 5 и штоке 3. Далее оператор, прижимая плечо 19 рычага к стойке 6 рукоятки, усилием, прилагаемым к рукоятке, перемещает элеватор от захваченной трубы, при этом челюсти 2 и шток 3, соединенные осью 4 шарнира, выдвигаются из корпуса 1, после чего происходит освобождение трубы из элеватора так же, как это происходит в известном устройстве.

Для закрытия элеватора оператор прижимает плечо 19 рычага к стойке 6 рукоятки и перемещает элеватор к захватываемой трубе, прикладывая необходимое усилие к его рукоятке. При этом челюсти 2 со штоком 3 входят в корпус 1, а отверстие 10 на штоке 3 совмещается с отверстиями 8 на бобышке 5.

Далее оператор освобождает плечо 19 рычага и палец-элемент 3 фиксации под действием собственного веса и пружины 11 входит в отверстие 10 на штоке 3 и отверстие 9 на бобышке 5 и, таким образом, запирает узел захвата челюсти 2 и шток 3 относительно корпуса 1. После прекращения поступательного перемещения тяги 7 вместе с элементом 8 фиксации пальцем, рычаг 12 продолжает поворачиваться в низ на оси 20 под собственным весом и в результате взаимодействия наклонного паза 14 с пальцем 13 и воздействия пружины 19 тяга 7 поворачивается на оси 22, после чего торец 15 входит под упор 17, а палец 13 в пазе 14 занимает верхнее положение, как изображено на рис.1. В таком положении запорная система элеватора сама оказывается в зафиксированном положении, так как взаимодействие упора 17 с торцом 15 тяги препятствует выходу пальца-элемента 8 фиксации из зацепления с отверстиями 9 и 10 до тех пор, пока оператор не нажмет на плечо 19 рычага. Визуальным наблюдением за положением верхней части тяги 7 оператор контролирует работу механизма запирания элеватора. Более того, в случаях ограниченной освещенности рабочего места такой контроль может быть продублирован тем, что путем касания ладонью руки, снимаемой с рукоятки после запирания элеватора, оператор может убеждаться в том, что тяга 7 действительно утоплена в рукоятку 8.

В случаях отказа пружин работа элеватора происходит так:
1. Случай отказ пружины 11.

В этом случае перемещение тяги 7 с пальцем-элементом 8 фиксации в рабочее положение производится нажатием на торец 15 тяги до утопления ее в окно 18 рукоятки, после чего закрытый механизм элеватора фиксируется в результате подхода торца 15 тяги под упор 17 рукоятки. Последнее происходит под действием пружины 16 на тягу и в результате взаимодействия наклонного паза 14 с пальцем 13 под действием веса рычага, как это описано выше. Обратный выход элемента 8 фиксации-пальца из отверстий на штоке и бобышке корпуса предотвращается весом подвижных частей, связанных с пальцем 8, и взаимодействием упоров 15 и 17.

2. Случай отказ пружины 16 тяги.

В этом случае переход системы запирания в закрытое положение происходит под действием пружины 11, которая принудительно удерживает палец-элемент 8 фиксации в нижнем положении; при этом подход торца 15 тяги 7 под упор 17 происходит под действием веса рычага 12, который под собственным весом вращается на оси 20 по часовой стрелке и в результате взаимодействия наклонного паза 14 с пальцем 13 перемещает торец 15 тяги под упор 17.

3. Случай отказ обеих пружин.

В этом случае палец-элемент 8 фиксации вводится в отверстия 9 и 10 принудительно нажатием на торец 15 тяги рукой оператора и находится в таком положении под действием собственного веса и веса других подвижных частей системы запирания (веса тяги, рычага), а переход торца 15 тяги 7 под упор 17 происходит как во 2-м случае отказа, т.е. под весом рычага. Таким образом, и в случае отказа обеих пружин система запирания элеватора самопроизвольно занимает закрытое положение, соответствующее изображение на фиг.1.

Изложенное выше свидетельствует, что благодаря неподвижному исполнению рукоятки в конструкции предлагаемого элеватора достигается защита запорного механизма от ударов и исключается износ в паре "рукоятка корпус", а в результате запирания штока относительно корпуса непосредственно элементом фиксации механизм запирания элеватора разгружается от сил, действующих между корпусом и рукояткой и, кроме того, обеспечивается большая линейная величина перекрытия упорного элемента (отверстия) на штоке элементом фиксации (пальцем).

Указанные две особенности уменьшение износа в механизме запирания и увеличенное перекрытие в запорной паре "отверстия в корпусе и штоке элемент фиксации в виде пальца" повышают надежность фиксации захватного узла элеватора в корпусе, обеспечивая стабильность фиксирования за весь срок службы устройства. Отметим, что благодаря взаимодействию упоров, выполненных на тяге и рукоятке, обеспечивается страховая фиксация фиксирующего элемента-пальца в закрытом положении. Выступание тяги за внешний контур рукоятки дает возможность запирать элеватор (при отказе пружины на элементе-пальце фиксации захвата) путем утопления тяги рукой. Кроме того, выступающая за внешний контур рукоятка тяги позволяет вести визуальный (и тактильный в условиях недостаточной освещенности) контроль за работой механизма запирания элеватора. Далее, благодаря расположению центра тяжести рычага между осью его поворота и шарниром, связывающим рычаг с тягой, упор на тяге занимает рабочее положение под действием веса рычага. Таким образом, описанный механизм запирания элеватора продолжает работать даже при отказе обеих пружин. И, поскольку, рукоятка на корпусе установлена неподвижно и своим движение не участвует в работе механизма запирания, случайные касания элеваторам (рукояткой) элементов грузоподъемного механизма менее опасны с точки зрения несанкционированного раскрытия элеватора. Более того, в предлагаемом устройстве неподвижная рукоятка выполняет защитную функцию по отношению к механизму запирания элеватора, поскольку детали последнего (рычаг, фиксирующий элемент, тяга в закрытом положении) ограждены от случайных ударов внешним контуром неподвижной рукоятки.

Использование: изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для спуско-подъемных операций с насосно-компрессорными трубами при ремонте скважин. Сущность изобретения: элеватор содержит корпус, захватный узел, состоящий из челюстей и штока, соединенных шарниром, рукоятку, установленную на корпусе неподвижно. В стойке рукоятки размещен элемент фиксации с возможностью взаимодействия с отверстиями, выполненными на штоке и бобышке корпуса. Между рычагом и элементом фиксации установлена тяга, подпружиненная относительно рукоятки, причем она соединена с ними посредством шарниров. Ось шарнира, связывающего рычаг с тягой, размещена подвижно в пазе, тяга и рукоятка снабжены упорами, взаимодействующими между собой. При открытом положении элеватора тяга выступает за контур рукоятки. При этом центр тяжести рычага расположен между осью его вращения и шарниром, соединяющим его с тягой. При открытии элеватора оператор нажимает рычаг и прижимает его к рукоятке. При этом элемент фиксации выходит из отверстия на штоке и освобождает узел захвата, а тяга, связывающая с помощью шарниров рычаг и элемент фиксации, выходит за контур рукоятки. Использование изобретения повышает безопасность, надежность и срок службы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Элеватор для насосно-компрессорных труб, включающий корпус, захватный узел, состоящий из челюстей и штока, соединенных шарниром, рукоятку с рычагом, один конец которого связан с подпружиненным элементом фиксации, отличающийся тем, что рукоятка на корпусе установлена неподвижно и в ее стойке размещен элемент фиксации с возможностью взаимодействия с отверстиями, выполненными на штоке и бобышке корпуса, между рычагом и элементом фиксации установлена тяга, которая подпружинена относительно рукоятки и соединена с ними посредством шарниров, причем ось шарнира, связывающего рычаг с тягой, размещена подвижно в пазе, а тяга и рукоятка снабжены упорами, взаимодействующими между собой. 2. Элеватор по п.1, отличающийся тем, что при открытом положении элеватора тяга выступает за внешний контур рукоятки. 3. Элеватор по п.1, отличающийся тем, что центр тяжести рычага расположен между осью вращения рычага и шарниром, соединяющим его с тягой.