СТАНОК-КАЧАЛКА Российский патент 1998 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к оборудованию для добычи нефти и может быть использовано для привода штангового скважинного насоса.

Известен станок-качалка МАРК-П (см. каталог фирмы "Lufkin" INDUSTRIES, INC, TEXAC, 1992., стр. 4,21-31), содержащий установленные на раме электродвигатель с редуктором, одноплечий балансир с головкой и закрепленной на ней подвеской штанг, кривошипно-шатунный механизм.

По сравнению с широко распространенными в мире станками-качалками, имеющими двуплечие балансиры, МАРК-П снабжен одноплечим балансиром, благодаря чему обеспечивается требуемый ход штока штангового насоса на меньшем угле поворота балки балансира при одинаковых их длинах. При этом с уменьшением угла поворота балки балансира улучшаются условия уравновешивания всей кривошипно-шатунной системы станка-качалки, что и приводит к некоторому снижению рабочего момента на валу редуктора и энергопотребления, о чем подчеркивается в рекламных материалах станка- качалки МРАК-П.

К недостаткам этой конструкции относятся наличие громоздких вращающихся кривошипов с уравновешивающими грузами, а также увеличенная металлоемкость конструкции, поскольку для лучшего сбалансированного крутящего момента на валу редуктора требуется увеличенная длина шатунов и, следовательно, высота станка-качалки, а также длина балки балансира.

Кроме того, в схеме действующих сил в звеньях станка-качалки МАРК-П на шатуны воздействуют снимающие сжимающие усилия, что является менее предпочтительным в сравнении с действующими растягивающими нагрузками в шатунах других конструкций станков-качалок.

Из известных станков-качалок наиболее близким по технической сущности является станок-качалка, описанный в каталоге фирмы LUFKIN, INDUSTRIES, INC, TEXAS, 1992 г., стр. 4, 10-19, "Общепринятые (стандартные) станки-качалки".

Этот станок-качалка содержит установленные на раме электродвигатель с редуктором, балансир с головкой и закрепленной на ней подвеской штанг, кривошипно-шатунный механизм, кривошип которого смонтирован на тихоходном валу редуктора и несет уравновешивающий груз, а шатун связан с балансиром. Упомянутый механизм преобразует вращательное движение вала редуктора в возвратно-поступательное движение шатуна, соединенного с задним плечом балансира.

Недостатком данной конструкции станка- качалки является неудовлетворительная сбалансированность системы моментов от рабочих нагрузок на штоке и уравновешивающих грузов, которую в существующей конструкции качалки улучшить невозможно, в связи с чем расходуется дополнительная энергия привода на работу неуравновешенных сил.

Это связано с тем, что момент на переднем плече балансира, возникающий от постоянно действующей силы в точке подвеса штанг, является величиной постоянной, не зависящей от угла поворота балансира. В то время как на заднем плече момент изменяется в широких пределах в зависимости от угла поворота кривошипа, т. е. в зависимости от величины плеча действия усилия в шатуне относительно оси поворота балансира.

Таким образом, на кривошип воздействует переменное усилие от нагрузки в точке подвеса штанг и постоянное усилие от уравновешивающего груза, но характеры кривых моментов на валу редуктора от действия этих сил сильно отличаются друг от друга и сбалансировать их при такой кинематике станка-качалки становится невозможным. Это приводит к тому, что в одной фазе поворота кривошипа качалка оказывается неуравновешенной, а в другой фазе - наоборот переуравновешенной, на что и тратится дополнительная мощность.

Другим недостатком этого станка-качалки является большая его металлоемкость. Это связано с тем, что длина шатуна (или угол между его крайними положениями) в кинематической схеме известного станка влияет на величину момента на валу редуктора, которая несколько снижается с увеличением длины шатуна (уменьшением угла).

Кроме того, кривошип, вращаясь равномерно, передает балансиру при прямом ходе такую же среднюю скорость поворота, как и при обратном ходе. Из этого следует, что ускорения при прямом более нагруженном ходе, когда штанги насоса передают на звенья качалки повышенную нагрузку (ход насоса вверх), такие, как и при обратном более легком ходе. Относительно высокая скорость прямого хода приводит к снижению долговечности узлов качалки, а также к некоторым потерям производительности насоса. Для того, чтобы снизить скорость прямого рабочего хода в системе управления приводом устанавливают дорогостоящие устройства.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в создании станка-качалки с преобразующим механизмом, обеспечивающим уменьшение крутящего момента на тихоходном валу редуктора и уменьшение влияния длины шатуна на изменение нагрузки на валу, а также обеспечивающим более медленное движение вверх и ускоренное вниз со снижением ускорения при максимальной нагрузке.

Такое конструктивное выполнение станка-качалки позволит уменьшить потребляемую мощность привода, снизить металлоемкость и уменьшить габариты станка-качалки, а также повысить производительность насоса и срок службы узлов станка-качалки.

Это достигается за счет выполнения преобразующего кривошипно-шатунного механизма согласно формуле изобретения. Вследствие этого обеспечивается, во-первых, уравновешенная система, позволяющая легко и достаточно точно сбалансировать до минимума моменты, приведенные к тихоходному валу редуктора от сил, действующих в точке подвеса штанг и от уравновешивающего груза. Это достигается за счет создания в шатуне усилий, приближающихся к постоянной величине во всех фазах его движения. Благодаря тому, что перемещаемый эксцентриком двуплечий рычаг описывает шарниром шатуна траекторию вытянутого, несколько изогнутого эллипса, обеспечивается минимальный поворот шатуна относительно балансира и некоторое постоянство плеча действия силы в шатуне от момента на переднем плече балансира.

При этом большая ось эллипса-траектории устанавливается под некоторым углом к оси, соединяющей точки центра шарнира заднего плеча балансира в двух крайних положениях балансира, за счет смещения геометрической оси гнезда относительно оси двуплечего рычага, проходящей через шарниры, связывающие его с шатуном и одноплечим рычагом, что также способствует минимизации сил в шатуне.

Все это обеспечивает снижение рабочего крутящего момента на тихоходном валу редуктора привода от нагрузок, действующих на штоке, соединенном с головкой балансира, и исключает зависимость крутящего момента от параметра длины шатуна.

Одновременно уравновешивающий груз, закрепленный на двуплечем рычаге (коромысле), совершает качательное движение в пределах угла поворота коромысла и создает малоизменяющийся уравновешивающий крутящий момент на валу редуктора, хорошо балансируемый с крутящим моментом, поступающим на вал редуктора от рабочей нагрузки на головке балансира; во-вторых, медленная скорость прямого рабочего хода штанги насоса (ход вверх) и ускоренная вниз, за счет чего снижаются ускорения при максимальной нагрузке, а это приводит к увеличению срока службы узлов станка качалки и повышению производительности насоса. Медленная скорость прямого хода обеспечивается тем, что разноплечий рычаг, поворачиваясь вокруг шарнира рычага (короткое плечо) из одного крайнего положения в другое, проходит путь по длинной дуге поворота эксцентрика и по короткой дуге (менее половины длины окружности) при обратном ходе, затрачивая при этом на прямой ход времени больше, чем на обратный.

Кроме того, качательное перемещение двуплечего рычага с размещенным на нем уравновешивающим грузом не только упрощает ремонт и обслуживание, поскольку все звенья станка расположены на доступной высоте, но и улучшает условия безопасности работы станка, т.к. опасная зона перемещающихся звеньев преобразующего механизма сокращается более, чем в 2 раза.

На фиг. 1 изображен станок-качалка, общий вид; на фиг. 2 - то же, в двух крайних положениях с траекториями перемещений шарниров преобразующего механизма; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1.

Станок-качалка содержит установленные на раме 1 электродвигатель 2, связанный клиноременной передачей 3 с редуктором 4, балансир 5 с головкой 6 и подвеской 7 штанг и кривошипно-шатунный механизм.

Этот механизм включает кривошип в виде эксцентрика 8, смонтированного на тихоходном валу 9 редуктора, шатун 10, шарниром 11 соединенный с балансиром, одноплечий рычаг 12, шарнирно связанный с рамой, и двуплечий рычаг 13 с гнездом 14 для установки в нем посредством подшипниковой опоры 15 эксцентрика. Одно плечо двуплечего рычага 13 шарниром 16 связано с одноплечим рычагом, а другое плечо несет уравновешивающий груз 17 и шарниром 18 связано с шатуном. Гнездо двуплечего рычага выполнено со смещением его геометрической оси относительно геометрической оси а-а, проходящей чрез шарниры 16, 18. При этом плечо этого рычага, связанное с одноплечим рычагом 11 постоянно и наклонно к оси а-а под углом α, а другое плечо может быть изменено в зависимости от положения шарнира 18 шатуна в соответствии с требуемой длиной хода.

Станок-качалка работает следующим образом.

Крутящий момент посредством клиноременной передачи 3 передается от электродвигателя на тихоходный вал 9 редуктора 4. При вращении последнего с закрепленным на нем эксцентриком 8 двуплечему рычагу 13 передается качательное движение в вертикальной плоскости, приводя тем самым в качательное движение двуплечий балансир 5 с головкой 6 и обеспечивая возвратно-поступательное перемещение подвески 7 штанг.

При вращении эксцентрика благодаря наличию двуплечего рычага преобразующий механизм описывает следующие траектории:
гнездо 14 двуплечего рычага 13 - круговую траекторию с радиусом, равным эксцентриситету эксцентрика:
шарнир 16, являющийся вершиной угла наклона α плеча двуплечего рычага, соединенного с одноплечим рычагом, - дугу с радиусом, равным длине одноплечего рычага;
шарнир 18 - траекторию в виде вытянутого эллипса 19, большая ось б-б которого наклонна под углом β к линии в-в, проходящей через точки центра шарнира 11, связывающего заднее плечо балансира с шатуном, при крайних верхнем и нижнем положениях балансира. Это обеспечивает минимальную величину качания шатуна 10 относительно балансира, а величину плеча действия усилия в шатуне относительно оси балансира приближает к постоянной.

Предложенный станок-качалка по сравнению с известными позволяет снизить потребляемую мощность, уменьшить металлоемкость станка-качалки. Устройство позволяет также повысить производительность насоса и увеличить срок службы узлов станка-качалки.

Использование: в приводах штанговых скважинных насосов при добычи нефти. Сущность изобретения: станок-качалка содержит установленные на раме электродвигателя с редуктором балансир с головкой и кривошипно-шатунный механизм. Последний включает кривошип в виде эксцентрика, смонтированного на валу редуктора, шатун, одноплечий рычаг, шарнирно связанный с рамой, и двуплечий рычаг с гнездом под экцентрик. Одно плечо двуплечего рычага связано шарнирно с одноплечим рычагом, а другое несет уравновешивающий груз и шарнирно связано с шатуном. Гнездо выполнено со смещением его геометрической оси относительно геометрической оси двуплечего рычага, проходящей через упомянутые шарниры. Такое конструктивное выполнение стакана качалки позволяет уменьшить крутящий момент на тихоходном валу редуктора, уменьшить влияние шатуна на изменение нагрузки на валу, а также обеспечить более медленное движение вверх и ускоренное вниз со снижением ускорения при максимальной нагрузке. 3 ил.

Станок-качалка, содержащий установленные на раме электродвигатель с редуктором, двуплечий балансир с головкой, кривошипно-шатунный механизм, кривошип которого смонтирован на тихоходном валу редуктора, а шатун связан с балансиром, а также уравновешивающий груз, отличающийся тем, что кривошипно-шатунный механизм снабжен шарнирно связанным с рамой одноплечим рычагом и двуплечим рычагом с гнездом для установки в нем посредством подшипниковой опоры кривошипа, выполненного в виде эксцентрика, одно из плеч двуплечего рычага, на котором закреплен уравновешивающий груз, связано шарнирно с шатуном, а другое плечо с одноплечим рычагом, при этом гнездо выполнено в двуплечем рычаге со смещением своей геометрической оси относительно оси этого рычага, проходящей через шарниры, связывающие его с шатуном и одноплечим рычагом.