Станки-качалки с дифференциальным и дифференциально-балансирным кривошипными преобразующими механизмами

О прогрессивных технических решениях в конструкции станков-качалок с дифференциальным кривошипным преобразующим механизмом. Опытный образец станка-качалки с дифференциальным кривошипным преобразующим механизмом ОНСК 60-3-28, эффективность применения. Варианты конструкций дифференциальных станков-качалок, типажный ряд станков-качалок.

СТАНКИ-КАЧАЛКИ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-БАЛАНСИРНЫМ КРИВОШИПНЫМИ ПРЕОБРАЗУЮЩИМИ МЕХАНИЗМАМИ

Дифференциальный кривошипный преобразующий механизм в приводах станков-качалок обеспечивает вертикальное прямолинейное возвратно-поступательное движение натяжного шкива непосредственно на ведущем кривошипе. Это его качество открывает широкие возможности для создания рациональных конструкций станков-качалок как в обычно применяемом диапазоне длин ходов и тяговых усилий, так и создания станков-качалок для большой длины хода, а также для больших тяговых усилий.

В сравнении с балансирньм преобразующим механизмом дифференциальный кривошипный преобразующий механизм имеет ряд положительных качеств. В нем отсутствуют такие слабые звенья, как шатуны, траверсы, поворотная головка балансира и их опорные узлы, на долю которых приходится значительная часть отказов станков-качалок с балансирным преобразующим механизмом, а при обрыве одного из шатунов приводящих к сильному повреждению металлоконструкции. Они заменены более надежными - натяжным шкивом на ведущем кривошипе, сравнительно короткой равноплечей перекладиной с направляющими шкивами и стойкой, которая нагружена только вертикально направленными усилиями, что благоприятно для работы металлоконструкции и узлов станка-качалки, так как нет знакопеременных горизонтально направленных раскачивающих усилий, присущих станкам-качалкам с балансирным преобразующим механизмом.

Длина хода у дифференциального преобразующего механизма равна сумме четырех радиусов кривошипов, поэтому нет необходимости применять неравноплечий балансир, который применяется у балансирных станков-качалок для увеличения длины хода.

Важным свойством дифференциального преобразующего механизма является то, что он позволяет применить схемы с полиспастом, что увеличивает длину хода в два раза без существенного увеличения высоты самого привода. Это позволяет создавать конструкции станков-качалок с большой длиной хода, до 6 метров, для которых балансирный механизм уже мало пригоден из-за необходимости применять неравноплечий балансир с соотношением плеч бликом к двум, что во столько же раз увеличивает тяговое усилие на шатунах и знакопеременные горизонтальные раскачивающие усилия, действующие на стойку. Головка балансира приобретает нерационально большие размеры, возникают также проблемы и с телом балансира, поскольку резко возрастает изгибающий момент.

Представляет практический интерес также конструктивный вариант, когда дифференциальный и балансирный преобразующие

механизмы объединены в одну конструкцию. При этом в конструкции воплощаются лучшие качества этих механизмов:

• обеспечивается прямолинейное возвратно-поступательное движение натяжного шкива на ведущем кривошипе дифференциального механизма; длина хода,равная сумме четырех радиусов кривошипов; получение стойки, нагруженной только вертикальными направленными усилиями;

• применяется сравнительно короткий равноплечий балансир с большими радиусами неподвижных головок, установленными на его концах, что благоприятно для увеличения долговечности гибких элементов, а при повороте балансира до вертикального положения образуется пространство для проведения на скважине ремонтных работ.

Дифференциальный преобразующий механизм позволяет также создавать конструкции станков-качалок с применением двух параллельно установленных специальных редукторов с увеличенным межосевым расстоянием между входным и выходным валами и передачей тягового усилия только на одну ветвь гибкого элемента, которое удваивается при передаче его к подвеске устьевого штока. Это позволяет применить редукторы с небольшими передаваемыми номинальными крутящими моментами в вариантах конструкции для большой длины хода, а также больших тяговых усилий, где требуются большие тяговые усилия.

В итоге можно сделать вывод , что при применении в приводах станков-качалок дифференциального кривошипного преобразующего механизма вместо традиционного балансир-ного преобразующего механизма достигается получение более прогрессивных рациональных конструкций станков-качалок как с длиной хода до 3-х метров, так и с длиной хода до 6-ти метров и для больших тяговых усилий. Ожидается, что конструкция дифференциальных станков-качалок будет обладать большей надежностью и безотказностью в связи с отсутствием слабых звеньев, присущих балансирным станкам-качалкам.

При определении эффективности применения дифференциального станка-качалки ОНСК 60-3-28 исходим из повышения его надежности и безотказности в сравнении с балансирными станками-качалками. При этом принимаем, что стоимость станков-качалок будет примерно одинаковой. По данным диссертации А.А. Сабирова «Повышение эффективности работы ШСНУ за счет своевременного распознавания неисправностей с помощью системы диагностики», Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 1999 г., отказы шатунного узла, траверсы и балансира

составляют 15% от общего числа отказов. Эти узлы в дифференциальных станках-качалках заменены более надежными, поэтому принимаем, что число отказов для них, по сравнению с балансирными станками-качалками, будет снижено на 15%. Соответственно уменьшатся расходы на ремонт, сократятся простои скважин и повысится их отдача. Следует также учесть, что в конструкции дифференциальных станков-качалок отсутствуют такие узлы и детали, при отказе которых может произойти значительное повреждение других узлов и деталей. Важно также, что уже при длине радиусов кривошипов 1,0 м длина хода станка-качалки составляет 4 м, а при радиусах кривошипов 1,25 м длина хода станка-качалки составляет 5 м. То есть, даже не прибегая к схеме с полиспастом, что очень важно, получаем станок-качалку с большой длиной хода по схемам со стойкой, расположенной в вертикальной плоскости вдоль оси выходного вала редуктора.

Опытный образец дифференциального станока-качалки ОНСК 60-3-28 разработан в качестве типового представителя типажного ряда станков-качалок, у которых для преобразования вращательного движения выходного вала редуктора в возвратно-поступательное движение подвески устьевого штока применен дифференциальный кривошипный преобразующий механизм. При разработке там, где это оказалось возможным, применены узлы унифицированные с балансирными станками-качалками ОАО «Редуктор». К таким узлам относятся подвеска устьевого штока, тормоз частично, кронштейн под двигатель, детали клиноременной передачи, применен также серийный редуктор ЦЗНШ- 450-28, но со специальным полым выходным валом.

Предполагается, что опытный образец станка-качалки будет подвергнут эксплуатационным и приемочным испытаниям, по результатам которых приемочная комиссия примет решение о постановке их на серийное производство.

Испытания позволят отработать конструкцию и технологию изготовления, подтвердить технические характеристики, проверить удобство обслуживания, ремонтопригодность, надежность и безотказность в сравнении с балан-сирными станками-качалками.

В приложении приводятся 8-м вариантов конструкции дифференциальных и дифференциально-балансирных станков-качалок, а также типаж дифференциальных станков-качалок. Их технические характеристики соответствуют требованиям ГОСТ Р 51763-2001 «Приводы штанговых скважинных насосов. Общие технические требования».

Дифференциальный кривошипный преобразующий механизм располагается с одной стороны редуктора. Он содержит два

взаимосвязанных кривошипа 0 центральный кривошип, установленный на полом выходном валу редуктора, и ведущий кривошип, установленный на выходном валу центрального кривошипа. Центральный кривошип содержит в своем корпусе планетарную передачу внешнего зацепления. Центральное колесо планетарной передачи неподвижно. Оно установлено на оси, которая проходит через полый выходной вал редуктора и жестко крепится к корпусу редуктора. При этом центральное колесо, через паразитную шестерню, находится в зацеплении с сателлитом, снабженным выходным концом, на котором установлен ведущий кривошип с натяжным шкивом. Начальный диаметр центрального колеса в два раза больше начального диаметра сателлита. Радиусы кривошипов равны друг другу, причем при вертикальном положении направлены в одну сторону. За один оборот центрального кривошипа ведущий кривошип также осуществляет один оборот, но в противоположном направлении.

При относительном движении кривошипов обеспечивается вертикальное прямолинейное возвратно-поступательное движение точки крепления натяжного шкива на ведущем кривошипе. Длина хода ровна сумме четырех радиусов кривошипов. Уравновешивание осуществляется путем установки противовесов на ведущем кривошипе.

1. Редуктор; 2. Центральный кривошип; 3. Ведущий кривошип; 4. Полный выходной вал редуктора; 5. Неподвижное центральное колесо планетарной передачи; 6. Ось центрального кривошипа; 7. Паразитная шестерня; 8. Сателлит; 9. Натяжной шкив; 10. Противовес.

Станок-качалка с дифференциальным кривошипным преобразующим механизмом типа ОНСК 60

Предельно компактная и надежная конструкция. Дифференциальный кривошипный преобразующий механизм (Патент RU 2246650 С2) обеспечивает прямолинейное возвратно-поступательное движение натяжного шкива на ведущем кривошипе. Вращение кривошипов встречное, поэтому инерционные нагрузки сведены к минимуму. Стойка расположена симметрично относительно оси

выходного вала и продольной оси редуктора на тумбе, над редуктором, и нагружена только вертикальными усилиями. Это обеспечивает хорошую устойчивость привода. Вращение выходного вала редуктора в любую сторону. Спокойная устойчивая работа при большой частоте качаний. Нет причин для повреждения металлоконструкции при отказе (нет шатунов). При ремонтных работах перекладина поворачивается вокруг вертикальной оси.

Дифференциальный станок-качалка, у которого стойка с перекладиной и направляющими шкивами и кривошипный преобразующий механизм расположены с одной стороны редуктора

У такого дифференциального станка-качалки стойка с перекладиной и направляющими шкивами и дифференциальный кривошипный преобразующий механизм расположены с одной стороны редуктора, причем ось стойки и продольная ось перекладины расположены в вертикальной плоскости, проходящей вдоль оси выходного вала редуктора. Стойка с перекладиной и направляющими шкивами установлены на отдельном фундаменте, и связь с приводом осуществляется только посредством гибкого элемента. Поэтому такую стойку с направляющими шкивами и перекладиной можно рассматривать как установленные на скважине стационарно. Это удобно для замены редуктора при ремонте или установке нового редуктора с другим передаточным числом для перевода станка-качалки в другой диапазон охватываемых частот качаний. Такой вариант исполнения дифференциального станка-качалки позволяет оперативно решать вопросы переоборудования

Наименование ОНСК 60-2,128 ОНСК 60-2,528 ОНСК 60 -3,028

Нагрузка на устьевом штоке, кН 60 60 60

Длина хода, м 2,1 2,5 3,0

Редуктор ЦЗНШ-450-28

Частота Редук- 40 5,2- 12,0

качаний в мин. тор, У 63 3,4-8,4 2,4-5,9 1,7-4,2

90

125

1.Фундаментная плита; 2.Тумба; 3. Стойка; 4.Перекладина; 5.Направляющие шкивы; 6.Центральный кривошип с размещенной в его корпусе планетарной передачей внешнего зацепления; 7.Ведущий кривошип; 8.Уравновешивающие грузы; 9.Натяжной шкив; 10,Гиб-кий элемент; 11.Подвеска устьевого штока; 12,Редуктор, 13.Приводной двигатель с клино-ременной передачей; 14.Шкив тормозного устройства; 15. Площадка нижняя; 16.Площадка верхняя; 17.Лестница нижняя; 18 Лестница верхняя; 19.Ограждение.

Обозначение L I Як |1 |2 |3 R D Н

ОНСК 60-2,1-28 ОНСК 60-2,5-28 ОНСК 60-3.0-28 3100 1550 525 625 750 1550 2850 350 1550 800 5350

скважин. То есть скважина оборудуется стационарной стойкой с перекладиной и направляющими шкивами, а привод сменный.

Дифференциально-балансирный станок-качалка, у которого кривошипный механизм и подвеска устьевого штока расположены с разных сторон редуктора

В дифференциально-балансирном станке-качалке дифференциальный и балансирный преобразующие механизмы объединены в одну конструкцию. Балансир выполняется равноплечим с двумя неподвижными головками на его концах и располагается на стойке над редуктором. Балансир имеет возможность поворачиваться вокруг своей оси, а при повороте в сторону кривошипов - до занятия им вертикального положения. При этом положении балансира его головки занимают вертикальное положение, и тогда со стороны устья скважины образуется свободное пространство для проведения на скважине ремонтных работ. В вертикальном положении балансир удерживается своей неуравновешенной относительно вертикальной оси массой.

Достоинства такой конструкции: нет присущих обычному балансирному механизму качающихся шатунов с траверсой и их узлов, нет поворотной головки, стойка нагружена только вертикально направленными усилиями. Возможен вариант конструкции с неравноплечим балансиром.

В такой конструкции все благоприятно для надежной и безотказной работы станка-качалки.

Дифференциально-балансирный станок-качалка, у которого кривошипный

механизм и подвеска устьевого штока расположены с одной стороны редуктора

У такого станка-качалки стойку с балансиром можно рассматривать как установленные на скважине стационарно, поскольку стойка имеет отдельное основание, а балансир связан с натяжным шкивом ведущего кривошипа только гибким элементом. Это удобно для замены редуктора при ремонте, или установке нового редуктора с другим передаточным числом для перевода станка-качалки в другой диапазон охватываемых частот качаний, или даже замене привода в целом с другим тяговым усилием. Такой вариант исполнения диф-ференциально-балансирного станка-качалки позволяет оперативно решать вопросы переоборудования скважин. То есть скважина оборудуется стационарной стойкой с балансиром, а привод сменный. Это целесообразно также и потому, что надежность стойки с балансиром существенно выше, чем у самого привода, поэтому возникает возможность заказывать только новый привод, а не станок-качалку в целом.

Дифференциальный длинноходовой станок-качалка с полиспастом

У такого станка-качалки стойка и кривошипный механизм находятся с одной стороны редуктора. При этом ось стойки находится в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси выходного вала редуктора. На стойке установлена перекладина с двумя подвижно установленными на ее концах направляющими шкивами. К нижней части перекладины подвижно крепится блок, который охватывается гибким элементом, а далее гибкий элемент охватывает натяжной шкив ведущего

I.Основание; 2.Тумба;

З.Двигатель; 4.Клиноременная передача; 5.Редуктор; б.Центральный кривошип;

7.Ведущий кривошип;

8.Подвеска устьевого штока;

9.Стойка; 10. Балансир;

II. Головка левая; 12. Головка правая;

13. Натяжной шкив;

14.Гибкий элемент, связывающий натяжной шкив с головкой балансира;

15.Гибкий элемент, связывающий подвеску устьевого штока с головкой балансира;

16.Противовес; 17.Тормозное устройство.

кривошипа, образует при этом петлю полиспаста с вертикальными ветвями, и далее через установленные на перекладине стойки направляющие шкивы гибкий элемент связан с подвеской устьевого штока. В связи с наличием петли полиспаста длина хода удваивается и равна восьми радиусам кривошипов. При этом требуется редуктор с большим передаточным числом и увеличенным номинальным крутящим моментом на выходном валу. Соотношение длин плеч перекладины равно двум, поэтому стойка нагружена только вертикальными сжимающими ее усилиями. Для выполнения на скважине ремонтных работ перекладина на стойке поворачивается вокруг своей вертикальной оси и фиксируется.

Достоинство такого станка-качалки - получение большой длины хода при минимальных размерах кривошипов и высоте привода.

Дифференциальный длинноходовой станок-качалка с полиспастом и раздельным приводом на каждую ветвь гибкого элемента

Привод станка-качалки содержит два параллельно установленных редуктора с увеличенными межосевыми расстояниями между входным и выходным валами. Входные валы редукторов соединены общим валом, а на выходных валах каждого редуктора установлен дифференциальный кривошипный преобразующий механизм. Причем ведущий кривошип каждого преобразующего механизма через натяжной шкив связан только с одной ветвью гибкого элемента. При этом редукторы имеют одинаковое передаточное число, кривошипы установлены в одинаковом исходном положении, имеют равные друг другу радиусы.

Стойка расположена симметрично по отношению к редукторам, так что ветви гибкого элемента занимают вертикальное положение. Ось стойки находится в вертикальной плоскости, перпендикулярной осям выходных валов редукторов. На стойке установлена перекладина с двумя подвижно установленными на ее концах направляющими шкивами.

К нижней части перекладины подвижно крепится блок, который охватывается гибким элементом, а далее одна ветвь гибкого элемента охватывает натяжной шкив ведущего кривошипа одного редуктора, а другая гибкая ветвь охватывает натяжной шкив ведущего кривошипа другого редуктора, и далее через направляющие шкивы перекладины гибкий элемент связан с подвеской устьевого штока. В связи с наличием петли полиспаста длина хода при этом удваивается.

Достоинством такого станка-качалки является получение большой длины хода и большого тягового усилия при применении привода с редукторами, имеющими небольшие номинальные крутящие моменты. При этом также применяются меньшие размеры кривошипов и противовесы меньшей массы.

Дифференциально-балансирный станок-качалка для больших тяговых усилий с раздельным приводом на каждую ветвь гибкого элемента

Привод станка-качалки содержит два параллельно установленных редуктора с увеличенным межосевым расстоянием между входным и выходным валами. Входные валы редукторов соединены общим валом, а на выходных валах каждого редуктора установлен дифференциальный кривошипный преобразующий механизм. На стойке установлен балансир с двумя неподвижными головками на его концах. На головке балансира со стороны кривошипов подвижно установлен блок, который охватывается гибким элементом, одна ветвь которого соединяется с блоком одного ведущего кривошипа, а другая с блоком другого ведущего кривошипа дифференциальных механизмов редукторов. Другая головка балансира посредством уже другого гибкого элемента связана непосредственно с подвеской устьевого штока. При этом редукторы имеют одинаковое передаточное число, кривошипы установлены в одинаковом исходном положении и имеют равные друг другу радиусы.

Достоинством такого станка-качалки является то, что тяговые усилия от ведущих кривошипов дифференциальных механизмов редукторов суммируются и на балансир передается уже удвоенное значение тягового усилия. Важно также то, что большое тяговое усилие достигнуто при применении привода с редукторами, имеющими небольшие номинальные крутящие моменты, а также при этом применяются небольшие размеры кривошипов и противовесы с небольшой массой. Имеет значение также и то, что нет шатающихся шатунов, траверсы и их опорных узлов, присущих обычному балансирному механизму, а также то, что головки балансира имеют большой радиус, что благоприятно для увеличения долговечности гибкого элемента.

В.П. колошко,

директор

ООО «ОНТЕКС-Механика», разработчик документации дифференциальных станков-качалок

Обозначение Максималь- Длина хода Крутящий мо- Типоразмер

типоразмера ная нагрузка устьевого мент на выход- редуктора

в точке под- штока, м ном валу редук-

веса штанг, тора, кН^м

кН

ОНСК 60-2.1-28 2.1

ОНСК 60-2.5-28 2.5 28.0 ЦЗНШС-450-28

ОНСК 60-3.0-28 3.0

ОНСК 60-4.2-40 60.0 4.2 40.0 ЦЗНШС-450-40

ОНСК 60-5.0-40 5.0 40.0 ЦЗНШС-450-40

ОНСК 60-6.0-56 6.0 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 80-2.1-40 2.1 40.0 ЦЗНШС-450-40

ОНСК 80-2.5-40 2.5

ОНСК 80-3.0-40 3.0

ОНСК 80-4.2-56 80.0 4.2 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 80-5.0-56 5.0 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 80-6.0-71 6.0 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 100-2.1-40 2.1 40.0 ЦЗНШС-450-40

ОНСК 100-2.5-40 2.5 40.0 ЦЗНШС-450-40

ОНСК 100-3.0-56 100.0 3.0 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 100-4.2-71 4.2 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 100-5.0-71 5.0 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 100-6.0-100 6.0 100.0 ЦЗНШС-710-100

ОНСК 120-2.1-56 2.1

ОНСК 120-2.5-56 2.5 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 120-3.0-56 3.0

ОНСК 120-4.2-71 120.0 4.2 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 120-5.0-100 5.0 100.0 ЦЗНШС-710-100

ОНСК 120-6.0-100 6.0 100.0 ЦЗНШС-710-100

ОНСК 140-2.1-56 2.1 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 140-2.5-56 2.5 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 140-3.0-71 3.0 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 140-4.2-100 140.0 4.2 100.0 ЦЗНШС-ЛО-100

ОНСК 140-5.0-100 5.0 100.0 ЦЗНШС-710-100

ОНСК 140-6.0-140 6.0 140.0 ЦЗНШС-800-140

ОНСК 160-2.1-56 2.1 56.0 ЦЗНШС-560-56

ОНСК 160-15-71 2.5 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 160-3.0-71 3.0 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 160-4.2-100 160.0 4.2 100.0 ЦЗНШС-710-100

ОНСК 160-5.0-140 5.0 140.0 ЦЗНШС-800-140

ОНСК 160-6.0-140 6.0 140.0 ЦЗНШС-800-140

ОНСК 200-2.1-71 200.0 2.1 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 200-2.5-71 2.5 71.0 ЦЗНШС-630-71

ОНСК 200-3.0-100 3.0 100.0 ЦЗНШС-710-100

Таб.1 Типаж станков-качалок с дифференциальным кривошипным преобразующим механизмом