ПРИВОД МНОГОЦИЛИНДРОВОГО НАСОСА Российский патент 2007 года по МПК F04B9/04 

Изобретение относится к машиностроению (насосостроению) и может быть использовано преимущественно в поршневых (плунжерных) насосах большой мощности в нефтегазодобывающей, горнорудной, угольной, металлургической и других отраслях промышленности для подачи высокоабразивных, коррозионных, быстротвердеющих и других жидких сред и растворов.

К насосам большой мощности относятся, например, отечественные тихоходные поршневые насосы одностороннего действия типа УНБТ мощностью 950-1500 кВт (1300-2000 л.с.) длиной хода поршней 290-380 мм, массой 23050-34000 кг (Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование. Под редакцией А.М.Гусмана и К.П.Порожского. Екатеринбург, УГГГА, 2002, 592 с. с ил.). Современные насосы имеют, как правило, нечетное число цилиндров (три и реже пять), станину, установленные на подшипниках сварной коренной вал, выполненный за одно целое с полыми эксцентриками и зубчатым колесом со ступицей, и трансмиссионный вал с шестерней, образующей с колесом зубчатую пару, размещенную после крайнего левого эксцентрика в межшатунном пространстве внутри станины (А.Л.Ильинский. Расчет и конструирование бурового оборудования. М., Гостоптсхиздат, 1962, 636 с. - рис.293). Такое расположение ступицы зубчатого колеса необходимо для того, чтобы обеспечить собираемость коренного вала - монтаж подшипника качения большой головки шатуна на средний эксцентрик через крайний правый. К преимуществам конструкции привода этих насосов следует отнести, во-первых, возможность изготовления коренного вала с диаметром, теоретически близким к наибольшему, равному D_B=D-2R_e (здесь D - диаметр эксцентриков, R_e - эксцентриситет), что позволяет передавать при прочих равных условиях (по материалу, термообработке, чистоте поверхностей и т.д.) больший крутящий момент, и, во-вторых, изготавливать коренной вал сварным с полыми эксцентриками, что позволяет сократить массу тяжелого вала приблизительно на 30%.

Массо-габаритные характеристики привода таких насосов и, прежде всего, ширина станины и длина коренного вала во многом зависят от ширины зубчатого колеса. С ростом мощности насоса ширина зубчатого колеса, диаметр и длина коренного вала, обеспечивающих необходимую надежность, долговечность, жесткость и прочность конструкции, увеличиваются, что приводит к увеличению межшатунного (межцилиндрового) расстояния и, как следствие, к увеличению ширины и массы как приводной, так и гидравлической частей насоса.

Известен также привод многоцилиндрового насоса, содержащий станину, установленные на подшипниках ось коренного вала с зафиксированной на ней с помощью конических втулок, шлицов или шпонок эксцентриков с двумя зубчатыми колесами на ступицах и трансмиссионный вал с шестернями, образующими с колесами зубчатые пары, размещенные после крайних эксцентриков внутри станины в межшатунных пространствах, например, «Приводной механизм возвратно-поступательного насоса» по авт. свид. СССР №1562521, F04В 9/02, 9/04 - 1990 г., а также привод нефтегазопромысловых трехплунжерных насосов НТП-175 с длиной хода плунжеров 160 мм, мощностью 130 кВт (175 л.с.), выполненный с использованием изобретения автора «Шатунно-эксцентриковый привод многоплунжерного насоса», авт. свид. СССР №1498940, F04В 9/04 - 1989 г.(Даутов Т.М., Газаров Р.Е. Новое поколение нефтегазопромысловых плунжерных насосов высокого давления производства ОАО «Ижнефтемаш». - Химическое и нефтегазопромысловое машиностроение. М., 2003, №7, с.10-14). И хотя схема привода этих насосов с симметрично разнесенными на оси коренного вала зубчатыми колесами рациональна (наличие двух симметрично расположенных зубчатых передач, между которыми размещены эксцентрики с шатунами, уменьшает межшатунное расстояние и длину коренного вала, снижает нагрузку на этот вал), ее не используют в насосах большой мощности с увеличенной длиной хода поршней. Это связано с конструкцией составного коренного вала, не позволяющей, во-первых, выполнить диаметр оси вала равным или близким к диаметру коренного вала, изготовленного за одно целое с эксцентриками, и, во-вторых, уменьшить массу коренного вала за счет изготовления эксцентриков, как правило, внушительных размеров, полыми. А главное, увеличение диаметра оси вала приводит к увеличению диаметра эксцентриков и резкому росту массы привода. Последнее наглядно подтверждается соотношением, приведенным в упомянутом авт. свид. №1498940, из которого видно, что увеличение диаметра оси сборного коренного вала D_ОВ=2R_В даже в пределах толщины ступиц эксцентриков - б увеличивает диаметр эксцентриков D на величину, близкую 2б, и при этом увеличиваются диаметры эксцентриковых подшипников качения и больших (мотылевых) головок шатунов. Напомним, что увеличение диаметров цилиндрических элементов при неизменной длине приводит к росту массы этих элементов в квадрате. Поэтому конструкция сборного коренного вала на оси, по сравнению с вышеприведенным валом с одним зубчатым колесом серийных буровых насосов, приводит в насосах одинаковой мощности к увеличению массо-габаритных характеристик сборного вала, а следовательно, и привода насоса в целом. С другой стороны, при принятой длине хода поршней, равной двум радиусам эксцентриситета - 2R_е, диаметр оси сборного вала - 2R_B с ростом толщины ступиц - б уменьшается. Ось вала с уменьшенным диаметром, при прочих равных условиях, ограничивает величину передаваемого момента, а следовательно, и возможности насоса по потребляемой мощности.

Данное изобретение направлено на решение задачи по уменьшению массо-габаритных характеристик привода многоцилиндрового насоса большой мощности за счет изменения расположения и взаимосвязи элементов привода, приводящего к сокращению не только длины коренного вала при рационально распределенной нагрузки на него, но и к уменьшению диаметров эксцентриков, эксцентриковых подшипников, мотылевых головок шатунов, длины трансмиссионного вала и габаритов станины.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в приводе многоцилиндрового насоса, содержащего станину, установленные на подшипниках сварной коренной вал с полыми эксцентриками и зубчатым колесом со ступицей и трансмиссионный вал с шестерней, образующей с колесом зубчатую пару, размещенную после одного из крайних эксцентриков внутри станины, согласно изобретению, на наружную цилиндрическую поверхность эксцентрика, расположенного перед другим крайним, установлена с натягом и с торца посредством болтов закреплена выполненная за одно целое с этим крайним эксцентриком съемная ступица с зубчатым колесом, образующим с дополнительной шестерней трансмиссионного вала вторую зубчатую пару.

Кроме того, для упрощения технологии и стоимости изготовления тяжелого коренного вала на наружные цилиндрические поверхности его полых эксцентриков, расположенных с противоположных сторон перед крайними, установлены и зафиксированы две идентичные ступицы с крайними эксцентриками и зубчатыми колесами.

Описанные усовершенствования позволяют существенно сократить ширину станины и ее массу, обеспечить монтажеспособность и жесткость коренного и трансмиссионного валов, сократить их длину, облегчить центровку при сборке зубчатых колес за счет установки ступиц этих колес на внутренние эксцентрики, которые одновременно выполняют роль шпонок указанных ступиц с крайними эксцентриками. При этом крутящий момент передается посредством ступиц зубчатых колес через внутренние эксцентрики коренного вала, что упрощает конструкцию и повышает технологичность изготовления этого вала.

На фиг.1 изображен привод многоцилиндрового насоса с двумя ступицами зубчатых колес при одной съемной, общий вид в разрезе; на фиг.2 - то же, с двумя съемными ступицами зубчатых колес, общий вид в разрезе.

Привод (фиг.1) содержит станину 1, установленный на подшипниках 2 сварной коренной вал 3 с полыми эксцентриками 4, 5 и зубчатыми колесами 6 со ступицами, одна из которых - левая 7, выполнена за одно целое с коренным валом 3, а другая - съемная 8, выполнена за одно целое с крайним правым (см. фиг.1) полым эксцентриком 9. Ступица 8 установлена на наружную цилиндрическую поверхность 10 эксцентрика 5 с натягом и с торца посредством болтов 11 закреплена на указанном эксцентрике. На эксцентриках установлены подшипники качения 12, которые взаимодействуют с мотылевыми головками шатунов 13. Установка подшипников 12 на внутренние эксцентрики коренного вала многоцилиндрового насоса осуществляется до монтажа съемной ступицы 9. В станине 1 также установлен на подшипниках 14 трансмиссионный вал 15 с шестернями 16, образующий с колесами 6 зубчатые пары, размещенные после крайних эксцентриков внутри станины в межшатунных пространствах.

Привод (фиг.2) аналогичен приводу, показанному на фиг.1, но имеет две съемные идентичные ступицы зубчатых колес 8, выполненных за одно целое с крайними полыми эксцентриками 9, и упрощенной конструкции сварной вал 3, выполненный из двух одинаковых половин с пустотелыми полуэксцентриками эксцентрика 5. Таким образом, коренной вал включает две пары идентичных деталей, что повышает его технологичность.

Привод многоцилиндрового насоса большой мощности служит для преобразования вращательного движения трансмиссионного и коренного вала в возвратно-поступательное движение поршней (плунжеров) насоса и работает следующим образом.

От двигателя через внешнюю трансмиссию (не показаны) приводится во вращение трансмиссионный вал 15 (в мировой практике насосы мощностью 1200 л.с. и выше приводятся двумя двигателями, вращая трансмиссионный вал с обеих концов), от которого посредством зубчатой передачи, включающей шестерни 16 и зубчатые колеса 6, вращение со сниженной частотой передается коренному валу 3, эксцентрики 4, 5 и 9 которого обеспечивают возвратно-поступательное движение поршней.

Предложенное конструктивное выполнение привода многоцилиндрового насоса большой мощности с размещением зубатых пар в межшатунных пространствах обеспечивает снижение ширины станины, снижает длину коренного и трансмиссионного валов, повышает жесткость и технологичность последних, что обуславливает улучшение массо-габаритных параметров привода.

Изобретение реализовано при разработке конструкторской документации трехпоршневого бурового насоса типа НБТ мощностью 1600 кВт (2200 л.с.), длиной хода 400 мм, массой 18000 кг с наибольшим давлением 40 МПа (400 кгс/см²) и наибольшей идеальной подачей 4275 дм³/мин (256 м³/ч). В этом насосе по сравнению с аналогичными ранее упомянутыми буровыми насосами типа УНБТ межшатунное (межцилиндровое) расстояние уменьшено с 500 мм до 340 мм, а массо-габаритные характеристики (при расширенном диапазоне рабочих параметров насоса) уменьшены более чем на 30%.

Устройство предназначено для использования в области машиностроения (насосостроении), преимущественно в поршневых (плунжерных) насосах большой мощности в нефтегазодобывающей, горнорудной, угольной, металлургической и других отраслях промышленности. Привод включает станину насоса, установленные на подшипниках сварной коренной вал с полыми эксцентриками и зубчатыми колесами на ступицах и трансмиссионный вал с шестернями, образующими с колесами зубчатые пары, размещенные после крайних эксцентриков внутри станины. Новым является выполнение ступицы одного из зубчатых колес съемной. Она выполнена за одно целое с полым крайним эксцентриком и установлена на наружной цилиндрической поверхности эксцентрика, расположенного перед крайним эксцентриком. В варианте выполнения - две идентичные ступицы зубчатых колес с крайними эксцентриками, установленные на наружные цилиндрические поверхности эксцентриков, расположенных с противоположных сторон перед крайними эксцентриками. Уменьшается межшатунное (межцилиндровое) расстояние, ширина станины, длина коренного и трансмиссионного валов, повышается жесткость и технологичность последних, что обуславливает улучшение массо-габаритных параметров привода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Привод многоцилиндрового насоса, содержащий станину, установленные на подшипниках сварной коренной вал с полыми эксцентриками и зубчатым колесом со ступицей и трансмиссионный вал с шестерней, образующей с колесом зубчатую пару, размещенную после одного из крайних эксцентриков внутри станины, отличающийся тем, что на наружную цилиндрическую поверхность эксцентрика, расположенного перед другим крайним, установлена и зафиксирована, выполненная за одно целое с этим крайним эксцентриком, съемная ступица с зубчатым колесом, образующим с дополнительной шестерней трансмиссионного вала вторую зубчатую пару.2. Привод по п.1, отличающийся тем, что на наружные цилиндрические поверхности эксцентриков, расположенных с противоположных сторон перед крайними, установлены и зафиксированы две идентичные ступицы зубчатых колес с крайними эксцентриками.