RU2105197C1

RU2105197C1 - Pumping unit

Info

Publication number: RU2105197C1
Application number: RU95108403A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Петров; Ю.В. Виноградов; М.Ю. Петров; Н.И. Буянов; Ю.В. Герасимов
Original assignee: Акционерное общество "Электростальский завод тяжелого машиностроения"
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1998-02-20
Also published as: RU95108403A

Abstract

FIELD: drives of sucker-rod well pumps in oil recovery. SUBSTANCE: pumping unit includes walking beam with head and crank mechanism mounted on frame of electric motor and reduction gear. Crank mechanism includes crank made in form of eccentric mounted on shaft of reduction gear, connecting rod, single-arm lever articulated with frame and double-arm lever provided with seat for eccentric. One arm of double-arm lever is articulated with single-arm lever and other arm carrying the balancing weight is articulated with connecting rod. Geometric axis of seat is shifted relative to geometric axis of double-arm lever passing through above-mentioned articulations. EFFECT: reduced torque on low-speed shaft of reduction gear, reduction of effect of length of connecting rod on change in load on shaft; slow upward motion and fast downward motion at reduced acceleration when load is maximum. 3 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для добычи нефти и может быть использовано для привода штангового скважинного насоса. The invention relates to equipment for oil production and can be used to drive a sucker rod pump.

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. Known rocking machine MARK-P (see the catalog of the company "Lufkin" INDUSTRIES, INC, TEXAC, 1992., pages 4.21-31), containing an electric motor with a gearbox mounted on the frame, a single-arm balancer with a head and a suspension bracket mounted on it rods, crank mechanism.

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. Compared to rocking machines widely used in the world with two-shouldered balancers, MARK-P is equipped with a single-arm balancer, which ensures the required stroke of the rod pump at a smaller angle of rotation of the beam of the balancer with the same lengths. At the same time, with a decrease in the angle of rotation of the beam of the balancer, the conditions for balancing the entire crank system of the rocking machine are improved, which leads to a certain decrease in the working moment on the gearbox shaft and energy consumption, which is emphasized in the advertising materials of the MPAC-P rocking machine.

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. The disadvantages of this design include the presence of bulky rotating cranks with balancing weights, as well as increased metal construction, since for a better balanced torque on the gearbox shaft, an increased length of the connecting rods and, therefore, the height of the rocking machine, as well as the length of the beam balancer are required.

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. In addition, in the scheme of the acting forces in the links of the MARKK-P rocking machine, the compressing forces act on the connecting rods, which is less preferable in comparison with the acting tensile loads in the rods of other designs of the pumping units.

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". Of the known rocking machines, the closest in technical essence is the rocking machine described in the catalog of the company LUFKIN, INDUSTRIES, INC, TEXAS, 1992, pages 4, 10-19, "Generally accepted (standard) rocking machines".

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. This rocking machine contains an electric motor with a gearbox mounted on the frame, a balancer with a head and a rod suspension mounted on it, a crank mechanism, the crank of which is mounted on a low-speed gearbox shaft and carries a balancing load, and the connecting rod is connected to the balancer. The mentioned mechanism converts the rotational motion of the gearbox shaft into the reciprocating motion of the connecting rod connected to the rear shoulder of the balancer.

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. The disadvantage of this design of the rocking machine is the poor balance of the system of moments from working loads on the stock and balancing weights, which cannot be improved in the existing design of the rocking chair, and therefore additional drive energy is spent on the work of unbalanced forces.

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. This is due to the fact that the moment on the front shoulder of the balancer, arising from a constantly acting force at the point of suspension of the rods, is a constant value that does not depend on the angle of rotation of the balancer. While on the hind shoulder, the moment varies widely depending on the angle of rotation of the crank, i.e., depending on the magnitude of the shoulder action of the force in the connecting rod relative to the axis of rotation of the balancer.

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. Thus, the crank is affected by the variable force from the load at the point of suspension of the rods and the constant force from the balancing load, but the nature of the torque curves on the gearbox shaft from the action of these forces are very different from each other and it becomes impossible to balance them with such kinematics of the rocking machine. This leads to the fact that in one phase of rotation of the crank, the rocking chair is unbalanced, and in the other phase, on the contrary, is unbalanced, which requires additional power.

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). Another disadvantage of this rocking machine is its large metal consumption. This is due to the fact that the length of the connecting rod (or the angle between its extreme positions) in the kinematic diagram of a known machine affects the magnitude of the moment on the gearbox shaft, which decreases slightly with an increase in the length of the connecting rod (decreasing the angle).

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. In addition, the crank, rotating uniformly, transfers to the balancer with a forward stroke the same average speed of rotation as with a reverse stroke. From this it follows that accelerations with a direct more loaded stroke, when the pump rods transmit an increased load (pump stroke up) to the rocking links, such as with a reverse lighter stroke. The relatively high forward speed leads to a decrease in the durability of the rocking units, as well as to some loss of pump performance. In order to reduce the speed of the direct working stroke, expensive devices are installed in the drive control system.

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. The technical task of the present invention is to provide a rocking machine with a converting mechanism that reduces torque on the low-speed shaft of the gearbox and reduces the influence of the length of the connecting rod on the change in load on the shaft, as well as slower movement up and accelerated down with a decrease in acceleration at maximum load.

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. Such a design of the rocking machine will reduce the power consumption of the drive, reduce the metal consumption and reduce the dimensions of the rocking machine, as well as increase the performance of the pump and the service life of the nodes of the rocking machine.

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. This is achieved by performing the transforming crank mechanism according to the claims. As a result of this, firstly, a balanced system is provided that allows you to easily and fairly accurately balance to a minimum the moments brought to the low-speed shaft of the gearbox from the forces acting at the point of suspension of the rods and from the balancing load. This is achieved by creating in the connecting rod efforts approaching a constant value in all phases of its movement. Due to the fact that the two-arm lever moved by the eccentric describes the trajectory of an elongated, somewhat curved ellipse with a connecting rod joint, a minimum rotation of the connecting rod relative to the balancer and some constancy of the arm of the force acting in the connecting rod from the moment on the front arm of the balancer are provided.

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. In this case, the major axis of the ellipse-trajectory is set at an angle to the axis connecting the center points of the hinge of the rear shoulder of the balancer in two extreme positions of the balancer, due to the displacement of the geometric axis of the socket relative to the axis of the two shoulders of the lever passing through the hinges connecting it with the connecting rod and one-arm lever, which also helps minimize forces in the connecting rod.

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. All this provides a reduction in the working torque on the low-speed shaft of the drive gearbox from the loads acting on the rod connected to the balancer head and eliminates the dependence of the torque on the connecting rod length parameter.

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. At the same time, the balancing load, fixed on the two-arm lever (rocker), makes a rocking movement within the angle of rotation of the rocker arm and creates a slightly changing balancing torque on the gearbox shaft, well balanced with the torque supplied to the gearbox shaft from the working load on the head of the balancer; secondly, the slow speed of the direct working stroke of the pump rod (upward movement) and accelerated downward, due to which accelerations at maximum load are reduced, and this leads to an increase in the service life of the pumping machine units and an increase in pump performance. Slow forward speed is ensured by the fact that the different-arm lever, turning around the lever hinge (short shoulder) from one extreme position to another, travels along a long arc of turning of the eccentric and along a short arc (less than half the circumference) during the reverse stroke, while there is more time on the forward course than on the reverse.

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. In addition, the swinging movement of the two shoulders of the lever with the balancing weight placed on it not only simplifies repair and maintenance, since all the links of the machine are located at an accessible height, but also improves the safety conditions of the machine, as the danger zone of the moving links of the transforming mechanism is reduced by more than 2 times.

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. In FIG. 1 shows a rocking machine, general view; in FIG. 2 - the same, in two extreme positions with the trajectories of movement of the hinges of the transforming mechanism; in FIG. 3 is a section AA in FIG. one.

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. The rocking machine contains an electric motor 2 mounted on the frame 1, connected by a V-belt drive 3 with a reducer 4, a balancer 5 with a head 6 and a suspension bracket 7 of the rods and a crank mechanism.

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. This mechanism includes a crank in the form of an eccentric 8 mounted on a low-speed shaft 9 of the gearbox, a connecting rod 10, a hinge 11 connected to the balancer, a one-arm lever 12, pivotally connected to the frame, and a two-arm lever 13 with a socket 14 for installation in it by means of an eccentric bearing 15 . One shoulder of the two shoulders of the lever 13 by a hinge 16 is connected with a one-arm lever, and the other shoulder carries a balancing load 17 and a hinge 18 is connected with a connecting rod. The socket of the two-shouldered lever is made with a displacement of its geometric axis relative to the geometric axis aa passing through the hinges 16, 18. Moreover, the shoulder of this lever connected with the one-arm lever 11 is constantly and inclined to the axis aa at an angle α, and the other shoulder can be changed depending on the position of the connecting rod hinge 18 in accordance with the required stroke length.

Станок-качалка работает следующим образом. Rocking machine works as follows.

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. The torque by means of a V-belt drive 3 is transmitted from the electric motor to the slow-moving shaft 9 of the gear 4. When the latter rotates with the eccentric 8 fixed on it, the two-arm lever 13 is transmitted with a swinging movement in the vertical plane, thereby causing the two-arm balancer 5 with the head 6 to swing, and providing a return - progressive movement of the suspension 7 rods.

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.When the eccentric rotates due to the presence of a two-shouldered lever, the transforming mechanism describes the following trajectories:
the socket 14 of the two shoulders of the lever 13 - a circular path with a radius equal to the eccentricity of the eccentric:
the hinge 16, which is the apex of the angle of inclination α of the shoulder of the two-shouldered lever connected to the one-shoulder lever, an arc with a radius equal to the length of the one-shoulder lever;
hinge 18 - a trajectory in the form of an elongated ellipse 19, the major axis bb of which is inclined at an angle β to the cc line passing through the points of the center of the hinge 11 connecting the rear arm of the balancer with the connecting rod, at the extreme upper and lower positions of the balancer. This ensures a minimum swing of the connecting rod 10 relative to the balancer, and the magnitude of the shoulder action of the force in the connecting rod relative to the axis of the balancer approaches a constant.

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. The proposed rocking machine in comparison with the known allows to reduce power consumption, reduce the metal consumption of the rocking machine. The device also allows you to increase the performance of the pump and increase the life of the nodes of the pumping unit.

Claims

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. A rocking machine containing an electric motor with a gearbox mounted on the frame, a two-arm balancer with a head, a crank mechanism, the crank of which is mounted on a low-speed gearbox shaft, and a connecting rod connected to the balancer, as well as a balancing load, characterized in that the crank mechanism is equipped one-arm lever pivotally connected to the frame and a two-arm lever with a socket for installation in it by means of a bearing support of the crank, made in the form of an eccentric, one of the shoulders of the two-arm lever, on which it is closed captive balancing the load, pivotally connected to the connecting rod, and the other shoulder with a one-arm lever, while the socket is made in a two-arm lever with a displacement of its geometric axis relative to the axis of this lever passing through the hinges connecting it with the connecting rod and one-arm lever.