ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЙ НА КАНАТНОЙ ПОДВЕСКЕ Российский патент 1999 года по МПК G01L1/04 G01L1/22 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к конструированию приборов измерения усилий.

Известны современные датчики усилий [1, 2] для масштабного динамометрирования глубинного штангового насоса (ШГН) в нефтедобыче, которые одеваются сверху на полированный шток станка-качалки ШНГ при разобранной подвижной устьевой канатной подвеске и размещаются между специально подготовленными внутренними параллельными друг другу поверхностями верхней и нижней траверс канатной подвески. Однако установки и съем датчиков каждый раз связаны с разборкой и сборкой канатной подвески, что в промысловых условиях трудоемко и небезопасно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является быстро устанавливаемый и снимаемый преобразователь [3] (прототип), монтируемый между верхней поверхностью верхней траверсы и зажимной втулкой полированного штока канатной подвески. Однако данной конструкции присущи следующие недостатки:
1) Так как в кинематических парах, образованных в основании между гнездами под упругие элементы и цилиндрическими поверхностями промежуточных силовоспринимающих плит, имеются гарантированные зазоры, из-за производственных ошибок изготовления деталей преобразователя и канатной подвески (перекосы в осях гнезд под упругие элементы, непараллельность торцовых поверхностей промежуточных силовоспринимающих плит, отклонение размеров упругих элементов по высоте, неплоскостность верхней поверхности верхней траверсы канатной подвески и т.д.), из-за резкого падения зажимной втулки полированного штока при убирании расслабления канатной подвески после установки преобразователя на верхней полке верхней траверсы и из-за неточностей изготовления станочного оборудования ШГН (искривление полированного штока, несовпадение центров скважины с направлением движения полированного штока и т.д.) происходит смещение точки приложения усилия относительно главных осей упругих элементов, в результате чего образуется горизонтальная составляющая измеряемого усилия, которая приводит к снижению точности и разрушению гнезд под упругие элементы (т.е. к снижению эксплуатационной надежности преобразователя в целом);
2) Из-за относительно больших расчетных габаритов упругих элементов преобразователь устанавливается не в промежуточном пространстве между траверсами стандартной канатной подвески, предназначенном и для размещения в нем ручного гидравлического динамографа ДГ-3 [4] путем раздвижения траверс при остановленном станке-качалке с помощью двух винтовых подъемников (домкратов), предусмотренных специально по краям траверс канатной подвески, а на верхней полке верхней траверсы между последней и зажимной втулкой полированного штока, что приводит к комплектованию преобразователя дополнительно и верхней силовоспринимающей плитой, устанавливаемой на плоских пружинах между верхней измерительной частью преобразователя и нижней поверхностью зажимной втулки полированного штока. При этом как и у аналогов во время монтажно-съемных операций для удержания полированного штока используется зажимное устройство, устанавливаемое на устье скважины, что тоже является трудоемкой и нецелесообразной операцией в промысловых условиях;
3) Центровка преобразователя только по центральному отверстию нижней траверсы недостаточна, так как во время монтажа и эксплуатации верхняя силовоспринимающая плита имеет возможность перемещаться на удерживающих ее плоских пружинах относительно центра преобразователя, что тоже приводит к нежелаемым результатам как в п.1;
4) Верхняя полка нижней траверсы стандартной подвески имеет двухступенчатую поверхность, что являлось одной из причин переноса места установки преобразователя на верхнюю полку верхней траверсы канатной подвески.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и эксплуатационной надежности преобразователя путем исключения влияния производственных ошибок изготовления элементов преобразователя и канатной подвески, ударных нагрузок во время монтажа (при убирании расслабления каната подвески), упрощение конструкции в целом путем уменьшения габаритов и массы преобразователя и применимость его со стандартными канатными подвесками.

Поставленная задача достигается тем, что в известной конструкции преобразователя усилий, содержащей установленные в основании симметрично оси, проходящей через центры узлов заделки свободных концов каната подвески, два идентичных первичных измерителя, верхние силовоспринимающие подушки, нижний центрирующий бурт и датчик деформации с электронной схемой формирования выходного сигнала, каждый первичный измеритель выполнен в виде двух идентичных упругих элементов, разнесенных симметрично относительно оси, совпадающей с осью, проходящей через центры узлов заделки свободных концов каната подвески, причем упругие элементы выполнены с верхними измерительными частями квадратного сечения, на наружных сторонах которых наклеены активные фольговые тензорезисторы, и с утолщенными нижними опорными частями, верхние силовоспринимающие подушки выполнены с плоскими нижними и сферическими верхними поверхностями, при этом преобразователь снабжен верхним центрирующим буртом, аналогичным нижнему, и нижними силовоспринимающими чашками.

При проверке патентных исследований заявитель не обнаружил технических решений, известных в науке и технике со сходными признаками. В связи с этим можно сделать вывод, что заявленное техническое решение обладает существенным отличием. На фиг. 1 представлен преобразователь, общий вид (сечение А-А). На фиг. 2 - вид сверху (сечение Б-Б на фиг. 1), на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 2.

Преобразователь состоит, в основном, из основания 1 с расположенными в нем упругими элементами 2, выполненными как одно целое из двух верхних квадратного сечения измерительных частей, на которых по наружным сторонам наклеены активные фольговые тензорезисторы 3, и утолщенных нижних опорных частей, отдельной металлической пластинки 4 с наклеенными на ней компенсационными фольговыми тензорезисторами 5, установленной в задней внутренней полости основания 1. Упругие элементы 2 сверху снабжены силовоспринимающими подушками 6 с плоскими нижними и сферическими верхними плоскостями, которые герметично соединены с основанием через мембраны 7 пайкой, а снизу закрываются колпачками 8, соединенными тоже герметично с основанием пайкой, на задние колпачки 8 снизу дополнительно одеваются силовоспринимающие чашки 9. Задняя полость основания 1 герметично закрывается пластмассовой крышкой 10 с армированными зажимами 11. Основание 1 дополняется верхним и нижним центрирующими буртами 12 и 13. Данная конструкция составляет самостоятельную сборочную единицу, которая выступающей наружной частью крышки 10 через промежуточную скобу 14 соединяется с корпусом 15, во внутренней полости которого размещена электромонтажная плата 16. Для наружного монтажа в полости корпуса 15 установлен клеммник 17, подвод кабеля к которому осуществляется через сальниковый ввод 18, предусмотренный в нижней части корпуса.

Преобразователь работает следующим образом.

Измеряемое усилие, воспринимаемое упругими элементами 2 через верхние силовоспринимающие подушки 6 преобразуются в деформацию упругих элементов и заодно с ними наклеенных на них активных фольговых тензорезисторов 5, которая приводит к изменению электрического сопротивления последних. Электронный блок 16 преобразователя преобразует это изменение электрического сопротивления в стандартный аналоговый сигнал напряжения (0-10 В).

Благодаря расположению первичных измерителей в виде симметрично разнесенной пары упругих элементов:
суммарная нагрузка, распределенная по упругим элементам, остается неизменной;
габариты упругих элементов уменьшились, в результате чего стал возможным монтаж преобразователя в пространстве между траверсами стандартной канатной подвески;
отпала необходимость комплектования преобразователя дополнительно верхней силовоспринимающей плитой со всеми удерживающими ее деталями;
отпала необходимость удержания полированного штока при монтаже преобразователя с помощью зажимного устройства, достаточно стало после остановки станка-качалки пользоваться подъемными винтами самой канатной подвески для раздвижения траверс подвески;
конструкция преобразователя в целом упростилась, габариты уменьшились, масса его облегчилась от 6,5 кг до 2-3,0 кг в зависимости от верхнего предела измерения усилия.

Благодаря приданию нижним и верхним поверхностям верхних силовоспринимающих подушек соответственно плоских и сферических форм с учетом вышеуказанных мероприятий устранено смешение точек приложения усилия относительно центральных осей упругих элементов и за одно с ним горизонтальная составляющая измеряемого усилия от производственных ошибок изготовления деталей преобразователя и канатной подвески, неточностей изготовления, монтажа и эксплуатации станочного оборудования ШГН, что привело к снижению точности и эксплуатационной надежности преобразователя в целом.

Благодаря наклейке активных фольговых тензорезисторов по наружным поверхностям упругих элементов обеспечивается полный охват наружного контура силовых линий с использованием минимального количества (не более чем у прототипа) активных тензорезисторов, достаточного для достижения заданной точности измерения.

Благодаря обеспечению преобразователя дополнительно верхним буртом основания для центровки преобразователя и по верхней траверсе канатной подвески повысилась надежность установки преобразователя в подвеске.

Благодаря снабжению колпачков задних упругих элементов дополнительно силовоспринимающими чашками была убрана ступенчатость места установки нижней поверхности преобразователя, в результате чего его стало возможным перенести от верхней полки верхней траверсы в промежуток между траверсами.

Экономический эффект преобразователя определяется устранением факторов, влияющих на снижение точности и эксплуатационной надежности прибора в целом, упрощением конструкции, уменьшением габаритов и массы изделия, в также трудоемких операций при монтаже и эксплуатации преобразователя, связанных с применением зажимного устройства.

В Азерб. НПО "Нефтегазавтомат" разработана конструкция преобразователя, изготовлены опытные образцы, которые успешно прошли испытания на нефтяных промыслах Азербайджана (Балаханы-нефть).

Благодаря всем этим мероприятиям точность преобразователя повысилась по сравнению с прототипом примерно в 2 раза.

Источники информации
1. Датчик силы фирмы Cimsa (Франция) в системе "Sustep".

2. Датчик силы в составе "Контроллера штангового глубинного насоса" модели 8800 РРС фирмы "Бакер" (оборудование и программное обеспечение для управления и контроля скважин со штанговыми глубинными насосами).

3. Преобразователь усилий. Изобретение СССР за N 1695153, G 01 L 1/22. Бюллетень изобретений за N 44, 1991 г.

4. Гидравлический ручной динамограф ДГ-3 ТУ 25-04-1611-77. Инструкция по эксплуатации.

Изобретение предназначено для использования при масштабном динамометрировании глубинного штангового насоса в нефтедобыче. Преобразователь содержит два идентичных первичных измерителя, установленных в основании симметрично оси, проходящей через центры узлов заделки свободных концов канатной подвески. Каждый измеритель выполнен в виде двух идентичных упругих элементов, разнесенных симметрично относительно оси, проходящей через центры узлов заделки свободных концов канатной подвески. Упругие элементы выполнены с верхними измерительными частями квадратного сечения, на наружных сторонах которых наклеены активные фольговые тензорезисторы. Верхние силовоспринимающие подушки выполнены с плоскими нижними и сферическими верхними поверхностями. Преобразователь снабжен верхним и нижним центрирующими буртами и нижними силовоспринимающими подушками. Технический результат - повышение точности, эксплуатационной надежности и упрощение конструкции. 3 ил.

Преобразователь усилий на канатной подвеске, содержащий установленные в основании симметрично оси, проходящей через центры узлов заделки свободных концов канатной подвески, два идентичных первичных измерителя, верхние силовоспринимающие подушки, нижний центрирующий бурт и датчик деформации с электронной схемой формирования выходного сигнала, отличающийся тем, что каждый первичный измеритель выполнен в виде двух идентичных упругих элементов, разнесенных симметрично относительно оси, совпадающей с осью, проходящей через центры узлов заделки свободных концов канатной подвески, причем упругие элементы выполнены с верхними измерительными частями квадратного сечения, на наружных сторонах которых наклеены активные фольговые тензорезисторы, и с утолщенными нижними опорными частями, верхние силовоспринимающие подушки выполнены с плоскими нижними и сферическими верхними поверхностями, при этом преобразователь снабжен верхним центрирующим буртом, аналогичным нижнему, и нижними силовоспринимающими чашками.