Индивидуальные механические приводы

 

В нефтедобывающей промышленности наибольшее распрос­транение получили приводы штангового скважинного насоса механического действия.

Как все приводы, так и механические бывают индивидуаль­ные и групповые. Основное применение в настоящее время имеют индивидуальные механические приводы. Они используются по их прямому назначению, т.е. как привод насоса, работающего в одной скважине. Кроме того, бывает, что этот же привод одно­временно является приводом других нефтепромысловых меха­низмов, как, например, лебедки для подземного ремонта, насо­са для закачки жидкости в скважину, подвесного компрессора для откачки газа из скважины и т.д.

Использование индивидуального привода насосов одновре­менно для других промысловых механизмов не всегда рацио­нально, так как, во-первых, конструкция привода усложняется, а во-вторых, глубинный насос и дополнительный механизм будут работать в одном режиме. Таким образом, при создании оп­тимального режима работы насоса дополнительный механизм будет работать не в оптимальном режиме, и наоборот.

Индивидуальные механические приводы выполняются по раз­личным принципиальным схемам в зависимости от конструктив­ного назначения. В основном они состоят из двух видов механиз­мов: для снижения скорости вращения вала двигателя до числа ходов точки подвеса штанг; для преобразования вращательного движения звена со сниженным числом оборотов в возвратно-по­ступательное движение точки подвеса штанг. Первая группа ме­ханизмов будет названа трансмиссией или передачей вращатель­ного движения, вторая группа — преобразующим механизмом.

Особое влияние на работу и конструкцию привода насоса оказывает принципиальная кинематическая схема преобразую­щего механизма.

По видам преобразующих механизмов механические приводы насосов делятся на две группы: балансирные и безбалансирные. В балансирном приводе вертикальное возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг осуществляется посредством ка­чающегося балансира (коромысла), а в безбалансирных приводах механического действия это движение осуществляется разными другими механизмами без применения качающегося балансира.

В нефтепромысловой практике балансирные индивидуальные приводы называют станками-качалками. Кроме трех общих па­раметров (максимальные значения: нагрузки в точке подвеса штанг Р_max, длины хода S_max и числа ходов n_max), индивидуальные механические приводы характеризуются еще максимальным до­пустимым значением крутящего момента М_max на валу ведущего звена преобразующего механизма (то же самое, что и на ведо­мом валу трансмиссии). Так что максимальное значение этого момента является одним из основных параметров механических индивидуальных приводов.

 

По величине крутящего момента индивидуальные механичес­кие приводы могут быть классифицированы следующим обра­зом (кгс*м):

приводы с малым моментом при Мс < 1000

со средним при 1000 < Мс < 3000

с большим при 3000 < Мс < 6000

со сверхбольшим при Мс > 6000

Между крутящим моментом и параметрами Р_тax, S и n суще­ствует определенная аналитическая зависимость. Общая класси­фикация механических приводов насосов представлена на рис. 7.5.

Существуют многочисленные конструкции станков-качалок, выполненные по различным кинематическим — схемам как трансмиссии, так и преобразующего механизма.

Балансиры станков-качалок на практике встречаются двух видов: как механизм двуплечего рычага (рычаг первого рода), так и механизм одноплечего рычага (рычаг второго рода).

По этому признаку все балансирные индивидуальные приво­ды (станки-качалки) могут быть подразделены на две группы: станки-качалки с двуплечим балансиром и одноплечим балан­сиром [9].

В станках-качалках с двуплечим балансиром (рис. 7.6) опора С качения балансира BD находится между точкой подвеса штанг D и точкой В сочленения балансира с шатуном 3. Применяемые станки-качалки в основном созданы по этой схеме.

В станках-качалках с одноплечим балансиром точка сочлене­ния В шатуна 3 с балансиром DC находится между точкой под­веса штанг D и опорой балансира С. Соединение станка-качал­ки (т.е. конца его балансира) с колонной штанг (с точкой подве­са штанг) производится двояко — непосредственно шарнирно (см. рис. 7.6, а и 7.7, а) или посредством гибкой связи 5 (см. рис. 7.6, б и 7.7, б).

В первом случае штанга подвешивается непосредственно к концу балансира в точке D, которая описывает дугу D₁DD₂ ради­усом K₁ (см. рис. 7.6, а и 7.7, а). Общее отклонение оси сальни­кового полированного штока OD от вертикальной оси скважи­ны (или от оси сальника) будет равно величине стрелы h сегмен­та D₁DD₂ Такое отклонение оси сальникового штока отрица­тельно влияет на работу сальникового устройства. По этой при­чине такое соединение головки балансира станка-качалки с точ­кой подвеса штанг в настоящее время почти не применяется. Гибкое звено 5 в сочетании с дугообразной головкой балансира представляется прямолинейно направляющим механизмом. При этом конец балансира (головка балансира) выполняется так, что при работе станка-качалки гибкое звено 5, закрепленное одним концом в верхней части головки и другим концом к сальниково­му штоку, всегда огибает дугу радиусом К₁ Таким образом, обеспечиваются прямолинейное движение точки подвеса штанг D и нормальная работа сальникового устройства.

Почти во всех станках-качалках в качестве преобразующего механизма используется четырехзвенный шарнирный кривошипно-коромысловый механизм. Имеются также станки-качалки, в которых в качестве преобразующего применяются другие виды механизмов.

Учитывая, что в нефтяной промышленности в основном при­меняются станки-качалки с четырехзвенным кривошипно-коромысловым преобразующим механизмом, будем называть их обычными станками-качалками. На рис. 7.8. представлена клас­сификация механических балансирных приводов скважинных штанговых насосов (станков-качалок) [9].

Рис. 7.5. Общая классификация механических приводов

 

 

Рис. 7.6. Кинематическая схема обычных станков-качалок с одноплечим балансиром:

а — с шарнирной головкой; б — с другой головкой

 

 

 

Рис. 7.7. Сравнительная схема станков-качалок с двуплечим и одноплечим балансиром:

а — с шарнирной головкой; б — с дуговой головкой

 

В последние годы на нефтепромыслах страны стали появ­ляться станки-качалки с перенесенным вперед четырехзвенным механизмом, в которых шарнирный четырехзвенник располо­жен между скважиной и опорой балансира. Такие приводы при­нято называть станками-качалками с одноплечим балансиром.

В числе основных достоинств подобных станков-качалок — компактность по сравнению с обычными станками-качалками при одинаковых параметрах. На рис. 7.9 представлена совме­щенная сравнительная схема механизма с двуплечим и однопле­чим балансиром.

Рис. 7.8. Классификация механических балансирных приводов скважинных штанговых насосов

Рис. 7.9. Сравнительная схема станков-качалок с двуплечим и одноплечим балансиром

Рис. 7.10. Общая классификация уравновешивания привода скважинного штангового насоса

Для механизма с одноплечим балансиром параметры обозна­чены индексом-штрихом. В приводах с двуплечим балансиром отношение переднего и заднего плеч балансира обычно состав­ляет k₁/k = 1,0—1,2 и даже в вышедших из применения стан­ках-качалках не превышало 1,4—1,5. Из схемы на рис. 7.9 видно, что при одноплечих балансирах отношение k₁, выполняющего роль переднего плеча, kk’ (заднее плечо) существенно больше, т.к. длина заднего плеча составляет лишь часть длины передне­го плеча балансира. Поэтому во втором случае одним и тем же кривошипом можно получить намного больший ход головки балансира или, при одинаковой длине хода, сократить габари­ты станка-качалки по сравнению с обычной. При этом все ос­новные геометрические отношения звеньев остаются теми же (r/l = r'/l’, r/k = r'/k'). Одновременно решается проблема ог­раничения массы кривошипов, противовесов и установки в целом, т.к. сокращается и потребная длина фундамента. Фак­тически в станках-качалках с механическим уравновешивани­ем отношение k₁ k' составляет не очень большую величину, т.к. из стремления получить другие преимущества точка В^’ со­пряжения шатунов с траверсой (с балансиром) переносится ближе к головке балансира.

Применение кинематической схемы с одноплечим баланси­ром позволяет улучшить динамические характеристики станка-качалки, т.е. уменьшить динамические нагрузки и смягчить виб­рации насосных штанг; при этом кривошипы должны вращать­ся против часовой стрелки при устье скважины слева от наблю­дателя (для обычных станков-качалок наоборот) [9].

В числе недостатков рассматриваемых станков-качалок по­ниженная боковая устойчивость, затрудненность обслуживания и ремонта, повышенная опасность обслуживания приводов с кривошипным уравновешиванием вследствие того, что скважи­на оказывается между кривошипами.

Условия уравновешивания станков-качалок с одноплечим балансиром позволяют применять в них фигурные кривошипы. Схема станка качалки является очень удобной для примене­ния пневматического, гидравлического или комбинированного уравновешивания, которые используются в тяжелых мощных установках. В этих случаях соответствующий цилиндр помеща­ется между траверсой и головкой балансира. Цилиндр может быть неподвижным, когда он крепится к основанию, а шток поршня к балансиру, или подвижным, если сам крепится к ба­лансиру, а шток к основанию. Система уравновешивания полу­чается сложной, т.к. помимо цилиндропоршневой группы тре­буется целый комплекс оборудования. Например, при пневма­тическом уравновешивании с гидрозатвором необходимы комп­рессор, ресивер, масляный компенсационный насос, емкость с маслом и др. (рис. 7.10).

В конструкциях с чисто механическим уравновешиванием траверса обычно располагается не в средней части балансира, а переносится ближе к головке балансира, чем обеспечивается определенный эффект.

Известны индивидуальные механические приводы и группо­вые приводы для эксплуатации нескольких скважин.

Приводы первого типа включают двигатель, трансмиссию — преобразующий механизм, и обеспечивают движение только одной колонны насосных штанг. В настоящее время почти все приводы, СШНУ относятся к этому типу.

Приводы второго типа служат для эксплуатации нескольких (от 2 до 40) скважин, расположенных близко друг от друга и имеющих сопоставимые параметры. Групповой привод исполь­зовался для эксплуатации малодебитных скважин и в настоящее время не применяется. В индивидуальном механическом приво­де трансмиссия уменьшает частоту вращения вала двигателя до числа оборотов, соответствующего числу двойных ходов точки подвеса штанг.

Механизм для преобразования вращательного движения вы­ходного звена трансмиссии в возвратно-поступательное движе­ние точки подвеса колоны штанг обеспечивает кинематическую связь, уравновешивающего устройства с точкой подвела штанг.

Трансмиссия, используемая в индивидуальном приводе, обыч­но состоит из ременной передачи от двигателя к входному валу редуктора. Редуктор выполняется двух- или трехступенчатым с зубчатыми зацеплениями различных типов.

Наибольшее влияние на конструкцию установки оказыва­ют тип и кинематическая схема преобразующего механизма. По видам преобразующих механизмов механические приводы делятся на две группы: балансирные и безбалансирные. В пер­вых возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг достигается использованием качающегося рычага — баланси­ра, который соединяется с выходным валом трансмиссии по­средством кривошипно-шатунного механизма. В свою очередь кривошипно-шатунный механизм может быть со звеньями имеющими постоянную или переменную длину, изменяющу­юся в пределах времени одно цикла работы установки.

В безбалансирных приводах возвратно-поступательное дви­жение точки подвеса штанг обеспечивается за счет использова­ния механизмов с гибкими элементами (канаты или цепи).

Рассмотрим основные типы механических индивидуальных приводов с точки зрения их кинематических схем.

Тип кинематической схемы определяется конструкцией ба­лансира, исполняемого в виде двуплечного или одноплечного рычага.

 

Балансирные станки-качалки

 

Станки-качалки с двуплечным балансиром. В этой конструк­ции опора балансира находится между точками подвеса штанг и сочленения балансира с шатуном. Усилия к балансиру передает­ся через шатун соединенные с балансиром траверсой.

Стандартом 1966 г. было предусмотрено 20 типо-размеров станков-качалок (СК) грузоподъемностью от 1,5 до 20 т (см. табл. 7. 1) [10].Типовая конструкция СК представлена на рис. 7.11. Впервые в стране был начат выпуск приводов, в кото­рых редуктор был поднят и установлен на подставке.

При создании размерного ряда учитывалась унификация уз­лов и элементов с той целью, чтобы свести к минимуму разно­образие быстроизнашивающихся узлов и тем самым упростить изготовление, ремонт, обслуживание и снабжение оборудова­ния запасными элементами. Для этого из 20 типов станков-ка­чалок 9 — были выполнены как базовые, а остальные 11 — в виде их модификаций. Модификации заключались: 1) в измене­нии соотношений длин переднего и заднего плеч балансира пу­тем замены головки балансира или всего балансира, что приво­дило к изменению грузоподъемности и длины хода станка-качалки; 2) в применении редуктора с другим крутящим момен­том- 3) в одновременной замене балансира и редуктора.

Фактически в серийный выпуск пошли только 9 моделей, включая 7 базовых и 2 модифицированных. Условное обозначе­ние на примере 4СКЗ-1,2-700 расшифровывается следующим образом:

4СК — станок-качалка 4 — базовой модели;

3 — допускаемая нагрузка на головку балансира 3 т;

1,2 — наибольшая длина хода точки подвеса штанг 1,2 м;

700 — допускаемый крутящий момент на редукторе 700 кгс*м.

Начиная с этого стандарта, в числе важнейших параметров стал регламентироваться крутящий момент редуктора вместо числа качаний балансира.

Основные типоразмеры СК, выпускаемых по разным стан­дартам, приведены в таблице 7.1—7.12. Указанные станки-качалки имеют редукторы следующих ти­пов (см. табл. 7.7).

В условных обозначениях редукторов указано:

Ц — цилиндрический;

2 — двухступенчатый;

Н — нормального ряда;

С — суммарное осевое расстояние в мм;

Ш — шевронное зацепление (этот признак был положен в основу отличия станков-качалок с одинаковыми параметрами).

 

Рис. 7.11. Схема станка-качалки по ГОСТ 5866-66