Результат интеллектуальной деятельности: ПРИВОД ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ

Изобретение относится к насосным установкам для подъема жидкости из глубинных скважин.

Известен станок-качалка акционерного общества «Электростальский завод тяжелого машиностроения» (патент RU 2105196 C1 от 12.04.1995 г.), содержащий раму с порталом, на котором жестко смонтирована стойка. В верхней части стойки установлена опорная площадка, на которой посредством центрального подшипника смонтирован балансир с жестко закрепленной на нем головкой. На головке закреплена канатная подвеска с колонной насосных штанг. На противоположном конце балансира закреплена траверса, посредством шатунов связанная с кривошипами, установленными на выходном валу редуктора. На кривошипах установлены противовесы для уравновешивания станка-качалки во время его работы. Редуктор через клиноременную передачу соединен с электродвигателем. Опорная площадка имеет два кронштейна, шарнирно соединенные со стойкой посредством оси. Ось смонтирована на стойке параллельно оси центрального подшипника и со смещением относительно нее в горизонтальном направлении в сторону кривошипно-шатунного механизма. Во время работы станка-качалки опорная площадка фиксируется на стойке посредством крепежных болтов. Для возможности поворота опорной площадки с балансиром вокруг оси предусмотрен винтовой привод, состоящий из винта и гайки со штурвалом. Винт шарнирно посредством оси соединен с одноплечим рычагом, опирающимся другим концом на ось. Гайка установлена в подпятнике, шарнирно смонтированном на кронштейне стойки посредством оси. При ремонте скважины освобождение зоны обслуживания осуществляется путем поворота опорной площадки в вертикальной плоскости вокруг оси вместе с балансиром. Крепежные болты опорной площадки предварительно освобождают. Поворот опорной площадки с балансиром осуществляют с помощью винтового привода или от электропривода, кривошипно-шатунного механизма. Включение электродвигателя для поворота необходимо осуществлять из положения, когда угол между шатунами и кривошипами составляет 60°-90°, а направление вращения вала электродвигателя таково, чтобы головка балансира шла на подъем.

Недостатком данной конструкции является:

- для освобождения зоны обслуживания скважины головка с балансиром смещается относительно стойки однонаправленно по продольной оси станка-качалки в сторону кривошипно-шатунного механизма, либо за счет работы винтового привода от мускульной энергии обслуживающего персонала, либо от электродвигателя, который кинематически связан с кривошипно-шатунным механизмом, с предварительным освобождением крепежных болтов стойки. В обоих вариантах, во время поворота опорной площадки, происходит перемещение большой массы составных частей вверх, а по окончании работы обслуживания - вниз, что создает опасность для персонала, ведущего эти работы;

- отсутствует механизм стопорения балансира с головкой относительно стойки на время проведения работ по монтажу и ремонту привода кривошипно-шатунного механизма;

- при непредвиденном обрыве или отсоединении одного из шатунов отсутствует автоматическая защита привода, предотвращающая дальнейшее разрушение механизма качания балансира.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является «Привод штанговых глубинных насосов» ГО «Уралтрансмаш» (патент RU 2061906 C1 от 28.07.1992), включающий стойку, закрепленную на раме, установленной на фундаменте. В верхней части стойки в подшипниках закреплен балансир, имеющий возможность совершать качательные движения относительно оси крепления «В». Балансир имеет установленную на вертикальной оси «С-С» поворотную головку с закрепленной на ней подвеской устьевого штока. Рабочее усилие передается от редуктора на балансир через траверсу, закрепленную на балансире, с помощью кривошипно-шатунного механизма. На кривошипах смонтирована система противовесов. Траверса имеет возможность самоустановки при монтаже. Привод редуктора от электродвигателя осуществляется клиноременной передачей. Ведущий вал редуктора снабжен тормозом. Поворотная головка закреплена на оси «С-С», являющейся одновременно ведомым валом червячного редуктора. В верхней части балансира установлены фиксирующие болты с контргайками. Стяжка регулируемой длины устройства фиксации балансира закреплена на стойке и имеет точку «Д» крепления на балансире. Стяжка используется при монтаже и ремонте привода. После выполнения монтажных и ремонтных работ стяжка шарнирно закрепляется на стойке.

Установленная система автоматической защиты привода включает элементы защиты при обрыве или отсоединении шатунов, выполненные в виде электроконтактных устройств, закрепленных на балансире, и упоров, закрепленных на траверсе.

Недостатком данной конструкции привода является:

- места, в которых проводятся монтажные и ремонтные работы со значительным объемом ручного труда и количества шанцевого инструмента, расположены на разных высотах относительно балансира и расстояния от центра качания его относительно стойки, так:

- при ремонте скважины зона обслуживания освобождается путем смещения поворотной головки, с последовательным выполнением ряда ручных работ: расстопорить две контргайки, отвести от поворотной головки два фиксирующих болта, с помощью червячного редуктора осуществляется поворот головки в сторону от продольной оси балансира;

- при выполнении монтажных работ для фиксации балансира необходима мускульная работа на поднятие расстопоренной стяжки и удержание ее с последующим регулированием резьбовой части длины для сочленения с балансиром;

- в системе автоматической защиты привода концевые выключатели, установленные на балансире, и упоры на траверсе не защищены от атмосферных осадков, а также отсутствует световая сигнализация, подтверждающая отключение питания на электродвигатель привода кривошипно-шатунного механизма.

Задачей данного изобретения является повышение удобства, надежности и безопасности труда, проводимого при монтажных и ремонтных работах привода штанговых глубинных насосов.

Поставленная задача достигается тем, что привод штанговых глубинных насосов, включающий основание со стойкой и механизм качания, содержащий балансир с поворотной головкой и траверсу, механизм поворота головки балансира, включающий входную торцевую часть вала червячного редуктора, устройство фиксации головки балансира в рабочем положении с фиксирующими болтами и стопорными гайками на них. Устройство фиксации балансира при монтаже и ремонте привода содержит стяжку регулируемой длины, а также систему автоматической защиты привода, включающую концевые выключатели, закрепленные на балансире, и упоры, закрепленные на траверсе. Входная торцевая часть вала червячного редуктора и головки фиксирующих болтов кинематически сведены на раздаточную коробку, закрепленную на балансире с расположением на ней штурвальной колонки, рулевого колеса и рукоятки включения соединительных муфт на последовательность выполнения операций фиксации головки. Элемент стопорения фиксирующих болтов установлен в раздаточной коробке и сблокирован с рукояткой на включение соединительной муфты для работы этими болтами. Регулировочная длина стяжки устройства фиксации балансира выполнена конструктивно составной из стержня, нижний конец которого с шарнирной подвижностью закреплен на стойке основания с расположением внутри ограждения, исключающего опрокидывание стяжки вниз. На верхний конец установлена шайба, ограничивающая увеличение длины стяжки, ниже которой установлен элемент стопорения сборной конструкции, выполненный из двух одинаковых малых раздвижных стяжек, на каждой из которых установлена с шарнирной подвижностью стержневая стяжка, на верхней части ее установлен фиксирующий наконечник с конической поверхностью для сочленения с балансиром. Малые раздвижные стяжки установлены на стержне с помощью пружины, а стягивание растяжных стяжек выполнено с помощью штурвального колеса, установленного на стягивающем валике, при этом на одной из раздвижных стяжек установлен ограничитель укладки раздвижных стяжек в сложенном положении при сжатом состоянии пружины.

Кинематическая связь от червячного редуктора к раздаточной коробке выполнена с помощью накладного переходного редуктора и универсальной шарнирной сдвоенной муфты. Кинематическая связь от раздаточной коробки к фиксирующим болтам выполнена с помощью универсальной шарнирной сдвоенной муфты, накладного редуктора с делением в нем потока вращательного момента на два потока, для передачи вращательного момента на каждый фиксирующий болт, через муфты предельного момента с храповым подпружиненным элементом, заключенные в кожуха, телескопические переходные элементы для сочленения с входными приводными элементами фиксирующих болтов. Накладной редуктор и накладные кожухи с муфтами установлены на дополнительный кронштейн, закрепленный на балансире.

В системе автоматической защиты привода электроконтактные элементы на балансире и упоры на траверсе закрыты съемными крышками.

На щитке подачи электроэнергии на привод включения механизма качания установлен элемент световой сигнализации, подтверждающий, что силовой привод механизма качания обесточен.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг. 1 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, вид сбоку;

на фиг. 2 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, вид в плане;

на фиг. 3 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, место А;

на фиг. 4 - кинематическая схема раздаточной коробки штурвальной колонки с рулевым колесом, вид в плане;

на фиг. 5 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, вид Б;

на фиг. 6 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, место В;

на фиг. 7 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, вид Ж;

на фиг. 8 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, место Г;

на фиг. 9 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, вид Д;

на фиг. 10 - общий вид привода штанговых глубинных насосов, разрез Е-Е.

Привод штанговых глубинных насосов (фиг. 1-10) включает стойку 1, закрепленную на основании 2. В верхней части стойки 1 с помощью подшипникового узла 3 закреплен балансир 4, имеющий возможность совершать качательные движения относительно оси И. Балансир 4 имеет установленную на вертикальной оси К-К поворотную головку 5 с закрепленной на ней подвеской устьевого штока 6. Рабочее усилие передается от редуктора 7 на балансир 4 через траверсу 8, закрепленную на балансире 4 с помощью кривошипно-шатунного механизма 9. На кривошипах 10 смонтирована система противовесов 11. Траверса 8 имеет возможность самоустановки при монтаже. Привод редуктора 7 от электродвигателя 12 осуществляется клиноременной передачей 13. Ведущий вал редуктора 7 снабжен тормозом 14.

Поворотная головка 5 закреплена на оси К-К, являющейся одновременно ведомым валом червячного редуктора 15, в котором червяк расположен сбоку, а его крайняя часть выполнена с входным приводным элементом 16. В верхней части балансира 4 установлены фиксирующие болты 17 в количестве 2 штук, расположенные по обе стороны от продольной оси балансира 4. Головные части болтов 17 выполнены с входным приводным элементом 18. Входной приводной элемент 16 червячного редуктора 15 и входные приводные элементы 18 фиксирующих болтов 17 кинематически сведены на раздаточную коробку 19 со штурвальной колонкой 20 и рулевым колесом 21, закрепленную на балансере 4 с помощью кронштейна 22, болтов 23 и стопорных шайб 24. Кинематическая цепь от входного приводного элемента 16 червячного редуктора 15 до раздаточной коробки 19 выполнена с помощью накладного переходного редуктора 25 и универсальной шарнирной сдвоенной муфты 26 (карданная передача). Кинематическая цепь от раздаточной коробки 19 до входных приводных элементов 18 фиксирующих болтов 17 выполнена с помощью универсальной шарнирной сдвоенной муфты 27, накладного редуктора 28 с делением в нем потока для передачи вращательного момента на два потока для передачи вращательного момента на каждый фиксирующий болт 17. При этом, каждый вращательный момент от редуктора 28 передается через муфту 29 предельного момента с храповым элементом 30 и пружиной 31, установленной на телескопический вал 32. Каждая муфта 29 расположена в накладном кожухе 33. Накладной редуктор 28 и накладные кожухи 33 установлены на дополнительный кронштейн 34, закрепленный на балансире 4 с помощью болтов 35 и стопорных шайб 36. Муфта 29 сочленена с накладным приводным элементом 18 фиксирующего болта 17 с помощью телескопического переходного элемента 37. Деление вращательного момента на два потока в редукторе 28 выполнено с помощью конических зубчатых зацеплений из колес 38, 39 и 40, 41. Колеса 38 и 40 установлены на вал 42, а колеса 39 и 41 соответственно на выходные валы 43 и 44. Каждый фиксирующий болт 17 установлен в кронштейн 45 с резьбовым элементом 46 для обеспечения болту 17 прямолинейного движения. Конструктивно раздаточная коробка 19 выполнена сборной из двух корпусов 47 и 48, которые сочленены с кронштейном 22. В корпусе 47 на валу 49 штурвальной колонки 20 установлено зубчатое колесо 50, находящееся в зацеплении с зубчатыми колесами 51 и 52. Колесо 51 установлено на вал 53, а колесо 52 на вал 54. В корпусе 48 на валы 53 и 54 установлены соединительные зубчатые муфты 55 и 56. Каждая зубчатая муфта соответственно с помощью зубчатого зацепления передает вращательный момент на колеса 57 и 58. Колесо 57 установлено на вал 59, а колесо 58 на вал 60. Управление муфтами 55 и 56 на их последовательное включение выполнено с помощью рукоятки 61, установленной на корпусе 48. Поворот рукоятки 61 происходит в горизонтальной плоскости, а центр вращения расположен на продольной оси раздаточной коробки 19. Поворот выполнен с тремя фиксированными положениями: нейтральное «O», расположенное на продольной оси; правое «1», расположенное справа от продольной оси; и левое «2», расположенное слева от продольной оси. Фиксирование положения выполнено за счет установки пружины 62 в рукоятке 61 и установки упорной планки 63 на корпусе 48. В нейтральном положении «0» обе муфты 55 и 56 выключены. В положении «1» включается муфта 55 на отвод фиксирующих болтов 17 от поворотной головки 5. В положении «2» включается муфта 56 на поворот головки 5. Когда обе соединительные муфты выключены, застопорен отвод фиксирующих болтов 17 от поворотной головки 5. Это достигается тем, что в корпусе 48 на вал 59 установлен элемент стопорения 64, сблокированный с рукояткой 61. Элемент стопорения 64 выполнен в виде двуплечего шарнирно подвижного рычага 65, у которого одно плечо стопорит вращение вала 59 за счет установки пружины 66. На правом рычаге рукоятки 61 установлен упор 67, который при повороте рукоятки 61 в положение «1» нажимает на другое плечо рычага 65 и расстопаривает вал 59. Для исключения ударных нагрузок, возникающих от работы кривошипно-шатунного механизма 9, зубчатые зацепления по расположению зубьев относительно образующей колес для цилиндрических выполнены косозубыми, для конических - криволинейными. При монтаже и ремонте привода балансир 4 фиксируется относительно стойки 1 с помощью устройства 68, выполненного в виде раздвижной стяжки 69. Стяжка 69 установлена так, что нижний конец ее с шарнирной подвижностью закреплен с помощью кронштейна 70 на стойке 1. При этом для исключения опрокидывания стяжки 69 вниз, она расположена в ограждении 71, закрепленном на стойке 1 так, что верхняя часть стяжки 69 в сложенном положении находится ниже динамической точки оси отверстия «Л» кронштейна 72. Конструктивно раздвижная стяжка 69 выполнена составной из стержня 73, установленного в кронштейн 70. На верхнем конце стержня 73 установлена съемная шайба 74, ограничивающая увеличение длины стяжки 69. В нижней части стержня 73 выполнен круговой выступ 75 и установлены пружина 76, шайба 77 и элемент стопорения 78 сборной конструкции. Пружина 76 позволяет элементу стопорения 78 занимать любое положение в процессе сочленения стяжки 69 с отверстием «Л» кронштейна 72 на балансире 4. Элемент стопорения 78 выполнен из двух одинаковых малых раздвижных стяжек 79. На каждой стяжке 79 установлена с шарнирной подвижностью стержневая стяжка 80. На верхнем конце каждой стяжки 80 установлен фиксирующий наконечник 81 с конической поверхностью 82 для сочленения с кронштейном 72 через отверстие «Л». При этом на одной из стяжек 80 ниже фиксирующего наконечника 81 установлен ограничитель 83 для установки раздвижной стяжки 69 в сложенном положении при сжатом состоянии пружины 76. Для обеспечения стягивания между собой стержневых стяжек 80 на их корпусную часть с шарнирной подвижностью установлены валики 84, сверху которых на их цилиндрические элементы 85 установлены съемные подшипниковые кронштейны 86. В центральной части каждого валика 84 выполнена резьба под прохождение резьбового стягивающего валика 87. Валик 87 выполнен так, что одна сторона его относительно центральной части 88 нарезана с левой резьбой, а другая сторона - с правой резьбой. При этом на одном конце из резьбовых сторон установлено съемное штурвальное колесо 89, застопоренное гайкой 90 и шплинтом 91. Вращение колеса 89 позволяет либо стягивать, либо раздвигать стержневые стяжки 80. Малые раздвижные стяжки 79 сочленены между собой с помощью вставных валиков 92, пружин 93 со стопорением на концах валиков с помощью шайб 94 и шплинтов 95. Валики 92 расположены по обе стороны от шарнирной подвижности стяжек 79 со стержневой стяжкой 80. Общее количество валиков 92 в месте сочленения стяжек 79 равно 4 шт.

В системе автоматической защиты привода установленные электроконтактные элементы 96 на балансире 4 и упоры 97 на траверсе 8 закрыты съемными крышками 98. Съемные крышки 98 закреплены на балансире 4 с помощью болтов 23 и стопорных шайб 24. На щитке 99 подачи электроэнергии на электродвигатель 12 установлен элемент световой сигнализации 100, подтверждающий, что электрический силовой привод механизма качания 9 при монтаже и ремонте обесточен.

В накладном переходном редукторе 25 установлена коническая зубчатая передача из колес 101, 102. При этом колесо 101 установлено на вал 103, а колесо 102 - на вал 104, которое сочленено с входным приводным элементом 16.

Работа механизмов по предлагаемому изобретению происходит следующим образом:

- поворот головки на балансире:

Для освобождения зоны обслуживания скважины путем смещения поворотной головки 5 оператор привода штанговых глубинных насосов обесточивает электродвигатель 12, загорается световой сигнализатор 100, поворачивает рукоятку 61 из нейтрального «О» положения в положение «1». Это достигается путем смещения рукоятки 61 за счет сжатия пружины 62, выхода ее из упорной планки 63 и поворота. В положении «1» оператор ослабевает сжатие пружины и фиксирует рукоятку 61 в планке 63. В результате поворота рукоятки 61 упор 67 нажимает на плечо рычага 65, сжимается пружина 66 и происходит расстопаривание вала 59. Одновременно с этим происходит включение соединительной зубчатой муфты 55. Оператор вращает рулевое колесо 21 против часовой стрелки для выкручивания фиксирующих болтов 17 и отвода их от головки 5. Так поток вращательного момента от рулевого колеса 21 передается через зубчатое колесо 50 на колесо 51. За счет включения соединительной муфты 55 вращательный момент передается на колесо 57, установленное на валу 59. Затем карданная передача 27 вращает вал 42, расположенный в накладном редукторе 28. На валу 42 установленные зубчатые колеса 38 и 40 делят поток на два, т.е. на колеса 39 и 41 соответственно, вращая валы 43 и 44 и муфты 29. Муфты 29, сочлененные с входными приводными элементами 18 каждого фиксирующего болта 17, с помощью телескопических переходных элементов 37 передают вращательный момент. Резьбовой элемент 46, установленный в кронштейне 45, обеспечивает болту 17 прямолинейное движение - отвод концов этих болтов к кронштейну 45. Поворотная головка 5 расстопорена. Оператор переключает рукоятку 61 из положения «1» в положение «2». При этом выключается соединительная зубчатая муфта 55, упор 67 отходит от рычага 65, а стопорный элемент 64 за счет работы пружины 66 стопорит вал 59 и включается муфта 56. Оператор вращает рулевое колесо 21 в зависимости от направления поворота головки 5. Для поворота головки 5 влево колесо 21 необходимо вращать влево, для поворота головки 5 вправо - колесо 21 вращать вправо. Вращательный момент от колеса 21 передается на зубчатое колесо 50, 52, вал 54, муфту 56, зубчатое колесо 58, вал 60. От вала 60 момент передается через карданную передачу 26 на вал 103 накладного переходного редуктора 25, колесо 101, колесо 102, вал 104, который сочленен с входным приводным элементом 16 червячного редуктора 15.

После обслуживания зоны скважины процесс работы механизмов поворота головки 5 в исходное рабочее положение происходит в обратном порядке. После возврата поворотной головки 5, когда ее продольная ось совпадет с продольной осью балансира 4, оператору необходимо с помощью фиксирующих болтов застопорить головку 5. Для этого рукоятку 61 переводят из положения «2» в положение «1». Оператор вращает рулевое колесо 21 вправо (по часовой стрелке), вращательный момент по ранее описанному потоку, но уже на подвод фиксирующих болтов 17 к головке 5. При контакте болта 17 с головкой 5 движение болта 17 останавливается из-за срабатывания муфты предельного момента 29. Храповый элемент 30 за счет сжатия пружины 31 отходит от вала 43 или 44 прекращает передавать момент вращения на телескопический переходный элемент 37 (слышится характерный звук от срабатывания храпового элемента 30). При срабатывании обеих муфт 29 вращение колеса 21 прекращается и рукоятка 61 переводится из положения «1» в положение «0». В этом случае упор 67 отходит от рычага 65, сжатая пружина 66 двигает стопорный элемент 64 к валу 59 и стопорит его. Привод штанговых глубинных насосов готов к продолжению работы.

Монтаж и ремонт привода

Электродвигатель 12 выключен, загорается световой сигнализатор 100, подтверждающий, что электрический силовой привод механизма качания 9 обесточен. Оператор вращает по часовой стрелке (вправо) штурвальное колесо 89 раздвижной стяжки 69 и стержневые стяжки 80 отходят друг от друга. При этом ограничитель 83 также отходит от противоположной стяжки 80. В результате, малые стяжки 79 также расстопариваются за счет срабатывания пружин 93, которые установлены между этими стяжками. Стяжки 79 отходят друг от друга, а сжатая пружина 76 толкает верхнюю часть стяжки по стержню 73 вверх. Оператор направляет фиксирующие наконечники 81 в отверстие «Л» кронштейна 72 и вращает колесо 89 в обратном направлении (против часовой стрелки). Стержневые стяжки 80 за счет вращения валика 87 с разно направленной резьбовой нарезкой сходятся навстречу друг другу. Конусные поверхности 82 наконечников 81 также сходятся навстречу друг другу и стопорят кронштейн 72 балансира 4. Одновременно с этим сходятся навстречу друг другу малые стяжки 79, сжимая при этом пружины 93, установленные между ними. Оператор продолжает вращать колесо 89. Увеличивает поверхность контакта малых стяжек 79 со стержнем 73, раздвижная стяжка 69 устройства 68 стопорит балансир 4 с кронштейном 72 относительно стойки 1. Оператор увеличивает приложение мускульной энергии на штурвальное колесо 89 до полного стопорения (невозможности поворота) его на поворот. Производится монтаж или ремонт привода. По окончании этих работ оператор выполняет порядок описанного процесса в обратном порядке. Вращая колесо 89 влево (против часовой стрелки) стержневые стяжки 80 за счет вращения валика расходятся. Наконечники 81 выходят из отверстия «Л» кронштейна 72. При этом происходит расстопаривание малых стяжек 79, сжатые пружины 93 между ними раздвигают их. После полного выхода наконечников 81 оператор сдвигает верхнюю часть устройства 68 по стержню 73 до полного сжатия пружины 76. Удерживая в сложенном положении устройство 68, оператор вращает колесо 89 вправо (по часовой стрелке) и стержневые стяжки 80 двигаются навстречу друг другу. Движение стяжек 80 происходит до тех пор пока ограничитель 83 не коснется противоположной стяжки 80. При вращении колеса 89 происходит схождение малых стяжек 79 и сжатие установленных между ними пружин 93. Происходит контакт их со стержнем 73 и стопорение. Оператор увеличивает приложение мускульной энергии на штурвальное колесо 89 до полного стопорения его на поворот. Устройство 68 раздвижной стяжки 69 в сложенном положении находится в ограждении 71. Работа по монтажу или ремонту привода закончена. Оператор подключает электродвигатель 12 к электроэнергии. Гаснет световой сигнализатор 100. Кривошипно-шатунный механизм начинает работать.

При срабатывании электроконтактных элементов 96 на балансире 4 и упорах 97 на траверсе 8 обесточивается электродвигатель 12, загорается световой сигнализатор 100. Оператор выполняет описанную выше работу по монтажу и ремонту.

Использование предлагаемого привода штанговых глубинных насосов обеспечивает за счет кинематического сведения ряда операционных рабочих мест к одному центральному месту, повышенное удобство, надежность и безопасность его обслуживания.