Тихоходные станки-качалки

С ростом числа малодебитных скважин (с дебитом не более 5 м³/сут) все острее вставала проблема их оптимальной эксплу­атации. Использование периодической эксплуатации связано с целым рядом существенных неблагоприятных факторов, в числе которых: неравномерная выработка пласта, неэффективное ис­пользование наземного и подземного оборудования, недостаточ­ный межремонтный период по сравнению с непрерывно функ­ционирующими скважинами, затруднения, возникающие в зим­нее время и др.

Была разработана конструкция тихоходного станка-качалки с увеличенным передаточным числом за счет введения в транс­миссию дополнительной ременной передачи, что позволяло снизить частоту качаний балансира до 0,8—1,7 в минуту. Для этого между электродвигателем и редуктором монтируется проме­жуточный вал с соответственно малым и большим по диамет­ру шкивами, установленными консольно. Компоновка про­межуточного вала может быть вертикальной и горизонтальной (рис. 2.14). В последнем случае раму станка-качалки прихо­дится немного наращивать на величину межосевого расстоя­ния дополнительной ременной передачи. Такой вариант при­меняется на станке-качалке 7СК8-3,5-4000Ш.

Конструктивное решение с дополнительной передачей отли­чается простотой, позволяет применять его к любому станку-качалке и допускает изготовление необходимых деталей силами добывающих предприятий. Однако рассматриваемый конструк­тивный вариант можно было считать удачным только относи­тельно, для условий отсутствия серийных тихоходных приводов.

Другим решением стало применение в приводе мотор-редук­тора с передаточным числом i = 2,3. Если станок-качалка типа 7СК8-3,5-4000Ш имеет число качаний п = 3,8—12, то с мотор-редуктором — до 2,5. При этом для работы вместо двигателя мощностью в 30 кВт используется двигатель мощности 18,5 кВт.

Конструкция мотор-редуктора представлена на рис. 2.15.

На удлиненном валу электродвигателя установлена шестер­ня, работающая в паре с зубчатым колесом. Пара зубчатых ко­лес сменная, позволяет изменять передаточное число мотор-ре­дуктора. Выходной конец ведомого вала имеет стандартные при­соединительные размеры для посадки сменных шкивов клиноременной передачи.

Тихоходные станки-качалки с трехступенчатым редуктором (рис. 2.16) разработаны АзИНМАШем. Компоновка трансмис­сии такого станка-качалки отличается отсутствием ременной передачи, что компенсируется применением трехступенчатого редуктора с передаточным числом i = 165. Редуктор непосред­ственно, с помощью муфты, соединяется с электродвигателем. При этом приходится применять угловую передачу, поэтому ре­дуктор имеет коническо-цилиндрическую конструкцию с быст­роходной конической ступенью [11].

Отсутствие ременной передачи не позволяет регулировать частоту хода балансира, поэтому в описываемом варианте пре­дусматривается применение регулируемого многоскоростного асинхронного электродвигателя, который за счет изменения схе­мы подключения может обеспечить частоту вращения вала 495, 745, 990 и 1485 об/мин. Соответственно получают 3; 4,5; 6 и 9 качаний балансира в минуту, причем резко сокращается время перевода СШНУ на другой режим работы по сравнению со сме­ной шкивов.

Рис. 2.14. Схема тихоходного станка-качалки с дополнительной ременной передачей

Рис. 2.15. Мотор-редуктор

Рис. 2.16. Схема станка-качалки с трехступенчатым коническо-цилиндрическим редуктором

Отсутствие ременной передачи, которая в обычном механиз­мах предохраняет оборудование от поломок при перегрузках потребовала в данном случае другого конструктивного решения. Муфта, соединяющая двигатель с редуктором, снабжена срез­ным штифтом, заключенным в резиновую оболочку, которая смягчает пусковой момент. При заклинивании плунжера скважинного насоса или поломках в кинематической цепи штифт срезается, предохраняя электродвигатель от перегрузки.

Нестандартная компоновка привода потребовала и измене­ний в тормозной системе. Для этого одна из половин муфты — на валу редуктора — служит одновременно тормозным шкивом двухколодочного тормоза, а в систему управления тормозом вклю­чена промежуточная угловая зубчатая закрытая передача.

Наряду с описанным вариантом с 1991 г. применяется тихо­ходный станок-качалка типа СКДТ4-1,5-710А, предназначенный для эксплуатации низкопродуктивных пластов при малых и сред­них глубинах (см. рис. 2.17).

Станок-качалка имеет комбинированную систему уравнове­шивания; в нем имеется клиноременная передача и обычный редуктор типа Ц2НШ-315. Станок-качалка обеспечивает от 2,8 до 5 ходов балансира в минуту. Целый ряд конструктивных узлов СКД4-1,5-710А (опора балансира, траверса, шатуны и ре­дуктор) взаимозаменяемы с узлами СКДЗ-1,5-710, а подвеска устьевого штока заимствована у СКД6-2,5-2800.

Приводы завода «Вакуммаш». Технические характеристики приводов соответствует ОСТ 26-16-08-87. В частности, парамет­ры и конструкция привода ПСН-3 в основном соответствуют станку-качалке СКДЗ-1,5-710 с некоторыми отклонениями (число ходов балансира в минуту 4,2—8,0 вместо 5—15 в СКДЗ). В при­воде применен редуктор Р-315, 2-ступенчатый, с передаточным числом i = 39,868, с шевронной передачей и зацеплением Нови­кова, соответствующий редуктору Ц2НШ-315.

Приводы АО «Ижнефтемаш». Выпускаются по техническим условиям ТУ 3665-012-05785537-93 в нескольких вариантах ис­полнения (см. табл. 2.8) [11].

Рис. 2.17. Станок-качалка СКДТ4-1,5-710А с комбинированным уравновешиванием

У привода ПНШ80-3-40 все технические характеристики со­ответствуют станку-качалке СКД8-3-4000 по ОСТ 26-16-08-87. Приводы имеют кривошипное уравновешивание.

Условное обозначение на примере ПНШ60-2,1-25 означает следующее:

ПНШ — привод насосов штанговых;

60 — нагрузка на устьевом (сальниковом) штоке не более 60 кН;

2,1 — наибольшая длина устьевого (сальникового) штока 2,1 м;

25 — номинальный крутящий момент на ведомом валу редук­тора 25 кНм.

Каждый привод в соответствии с техническими условиями может быть выполнен в двух вариантах по кинематической схеме (без дополнительного редуктора или с таким редукто­ром для уменьшения частоты ходов) и в двух вариантах по установке основного редуктора (непосредственно на раме стан­ка-качалки или на тумбе). В зависимости от сочетания ука­занных вариантов получаются различные виды исполнения приводов:

а) основное соответствует приведенному шифру и предусмат­ривает установку редуктора непосредственно на плоскости рамы, когда для монтажа привода требуется высокий фундамент;

б) исполнение 01 (например, ПНШ 60-2,1-25-01), когда в кинематической схеме трансмиссии предусмотрен промежуточ­ный редуктор и электродвигатель пониженной мощности; компоновка привода как в основном варианте;

в) исполнение 02 (например, ПНШ 60-2,1-25-02) соответствует установке редуктора с двигателем на подставке-тумбе, когда для монтажа привода требуется низкий фундамент высотой не более 200 мм; разновидностью исполнения 02 является 02.01, при ко­тором электродвигатель устанавливается не на уровне редукто­ра, а на низком подрамнике (с целью удобства обслуживания);

г) исполнение 03 (например, ПНШ 60-2,1-25-03) предусмат­ривает приме­нение дополнительного редуктора, но при компо­новке, как в исполнении 02.

На рис. 2.18 показан одни из приводов в двух исполнениях: в обычном тумбовом варианте и с промежуточным редуктором.

Завод-изготовитель отмечает следующие конструктивные осо­бенности своих приводов:

— Т-образную раму, которая создает дополнительную попе­речную устойчивость привода, позволяет разгрузить переднюю, наиболее нагруженную часть фундамента и уменьшить величи­ну его проседания в процессе работы;

— несъемные отжимные болты рамы, с помощью которых осуществляется нивелирование привода при монтаже и эксплу­атации;

— трехопорную стойку, менее чувствительную к перекосу рамы и легко поддающуюся корректировки положения;

— фиксацию головки балансира и в рабочем и в нерабочем положении;

— защищенный от внешних воздействий (осадков, пыли) опор­ный подшипник головки балансира;

— кривошипные противовесы со встроенными механизмами их перемещения (рис. 2.19); механизм размещается в стандарт­ном гнезде противовеса и центрируется по продольному пазу кривошипа; перемещение противовеса осуществляется враще­нием отдельной рукоятки;

— дополнительный настил над редуктором для обеспечения доступа к опоре траверсы (в приводе ПНШ 80-3-40).

В приводах применяются редукторы:

ПНШ 60-2,1 -25 РП- 450-28 (i=39,932) ПНШ 80-3-40 РП- 450 (i= 37,18) Редуктор РП-450-28 является аналогом редуктора Ц2НШ-450, а редуктор РП-450 — аналогом редуктора Ц2НШ-750Б. Существенной особенностью редукторов является раздельная система смазки зубчатых зацеплений и подшипниковых опор.

Рис. 2.18. Привод ПНШ 60-2,1-25 в исполнениях 02 и 03

Рис. 2.19. Устройство для перемещения противовесов:

1— механизм перемещения; 2 — гайка круглая; 3 — рукоятка; 4 — вороток

С этой целью полости подшипниковых опор отделены от внут­реннего объема картера, что предотвращает попадание в рабо­чую зону подшипников продуктов износа зубчатых колес, нека­чественного масла и др. Смазка зубчатых колес обеспечивается жидким маслом путем окунания и разбрызгивания, а смазка подшипниковых узлов — консистентной смазкой, периодичес­ки пополняемой при техобслуживании.

Дополнительный редуктор типа 1Ц2У-125 двухступенчатый с передаточным числом 7,75, с эвольвентным зубчатым зацепле­нием, массой не более 31,5 кг.

Станки-качалки типа СКР выпускаются заводом ОАО «Ре­дуктор». Обозначение станка-качалки СКР4-2,1-16 (рис. 2.20):

СКР — станок-качалка акционерного общества «Редуктор»;

4 — максимальная нагрузка на устьевой шток 4 т;

2,1 — наибольшая длина хода устьевого штока 2,1 м;

16 — максимальный момент на выходном валу редуктора 1,6 кНм (1600 кгс-м).

Основные размеры и кинематика станков-качалок СКР соответ­ствуют размерам и кинематике наиболее распространенных в отече­ственной практике станков-качалок типа СК по ГОСТ 5866-76, а типа СКДР соответствуют СКД по ОСТ 26-16-08-87; узлы их кривошипно-шатунных механизмов взаимозаменяемы с узлами станков-качалок СК и СКД азербайджанского производства. Так, СКР6-2,1-2800 соответствует станку-качалке СК6-2,1-2500. Од­нако новые станки-качалки имеют свои особенности, среди ко­торых автоматическое натяжение клиновых ремней, быстродей­ствующий дисковый тормоз с рычажно-винтовым управлением и храповым фиксатором, складная трехопорная стойка и др.

Как уже отмечалось, станки-качалки СКР оснащены быстро­действующим дисковым тормозом (см. рис. 2.21). Тормозной диск 4 надевается скользящей посадкой на шлицевую втулку 6, зак­репленную на конце входного вала редуктора 5. Зажим диска тормозными колодками 3 осуществляется с помощью винтового механизма, состоящего из нажимного винта 2 с рычагом /, ко­торый с помощью тяги связан с рукояткой 10 ручного привода. Тяга состоит из двух полутяг 7 и 9, соединенных гайкой и кон­тргайкой 8, позволяющих регулировать степень затяжки тормо­за. Фиксация рукоятки 10 в рабочем положении обеспечивается зубчатым фиксатором 11.

Рис. 2.20. Станок-качалка типа СКР:

1 — фундамент; 2 — рама; 3 — подвеска устьевого штока; 4 — огражде­ние кривошипно-шатунного механизма; 5 — нижняя головка шатуна; б— кривошип; 7— противовес; 8— стойка; 9—лестница; 10— площад­ка верхняя (кроме СКДРЗ); // — опора балансира; 12 — балансир с головкой; 13 — траверса с опорой; 14— шатун; 15 — площадка редукторная (для СКДР8. 10, 12); 16 — редуктор; 17 — площадка нижняя; 18 — кожух ременной передачи; 19 — станция управления; 20 — рукоятка тор­моза с фиксатором; 21 — тяга тормоза; 22 — электродвигатель; 23 — кронштейн; 24 — шкив ведущий; 25 — ремень клиновой; 26— шкив ведомый

Основные характеристики приводов, выпускаемых ПО «Уралтрансмаш» по техническим условиям ТУЗ-8629-651-010, пред­ставлены в таблице 2.10.

Рис. 2.21. Дисковый тормоз станков-качалок типа СКР

Условное обозначение приводов рассмотрим на примере ПШГНТ4-1,5-1400:

ПШГН — привод штанговых глубинных насосов;

Т — редуктор установлен на тумбе;

4 — максимальная нагрузка на устьевом штоке 4 тонны;

1,5 — наибольшая длина хода устьевого штока 1,5 м

1400 — наибольший допустимый крутящий момент на ведо­мом валу редуктора, кгс*м.

Типовая конструкция обычного станка-качалки типа ПШГН показана на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Привод типа ПШГН

Приводы имеют целый ряд отличительных особенностей. В основу конструкции преобразующего механизма заложены со­отношения, соответствующие рекомендациям Американского нефтяного института (API).

В кривошипах предусмотрен механизм плавного перемещения противовесов. Головка балансира крепится к телу балансира че­тырьмя вертикальными осями. Для поворота головки необходимо вынуть две оси с одной стороны, противоположной повороту, и с помощью стяжки повернуть головку. Такое соединение отлича­ется надежностью и удобством проведения указанной операции.

Для поворота головки балансира предусмотрен червячный редуктор с ручным управлением (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Механизм поворота головки балансира:

1 — головка балансира; 2 — упорный подшипник; 3 — ось головки балансира; 4 — пробка; 5 — винт для стопорения головки балансира; 6 — гайка; 7 — тело балансира; 8 — редуктор

В приводах применен двухкол од очный тормоз с поворотным рычагом 10 управления (рис. 2.24). Для фиксирования механиз­ма н нужном положении стопор 3 вводится в зацепление с пазом тормозного шкива 12. Рычаг управления с помощью кнопки 11. фиксируется в зубчатом секторе 9. Регулировка зазора между тормозными колодками и шкивом обеспечивается изменением длины тяги 7 при помощи муфты 8 и изменением положения упорного винта 5.

Рис. 2.24. Тормоз с поворотным рычагом управления:

1 — корпус редуктора; 2, 4 — колодки тормозные; 3 — стопор; 5 — болт упорный; 6— рычаг плавающий; 7— тяга; 8— муфта стяжная; 9— сектор зубчатый; 10 — рычаг управления; 11 —кнопка; 12 — шкив тормозной; 13 — вал ведущий; 14 — шпонка

В приводах используются цилиндрические трехступенчатые редукторы, имеющие прямозубые колеса на быстроходной сту­пени и шевронные — на тихоходных ступенях. Передаточные числа редукторов:

ПШГН4 i= 57,75

ПШГН6 i = 51,45

ПШГН8 i = 51,45

ПШГН10 i = 51,45

ПШГН12 i = 54,25

Валы монтируются на роликовых сферических двухрядных подшипниках. Смазка подшипников комбинированная — раз­брызгиванием и принудительная с подводом масла по направля­ющим лоткам, в которые масло забирается из картера черпака­ми, закрепленными на ободе зубчатых колес. Дополнительно под­шипники смазываются пластичной смазкой через резьбовые от­верстия в крышках подшипниковых узлов, закрытых пробками. Присоединительные размеры корпусов редукторов соответ­ствуют серийным редуктором Ц2НШ-560 и Ц2НШ-750Б.

Модифицированные варианты приводов имеют ряд отличий от базовых.

В приводах ПШГНТ4-1.5-1400, ПШГНТ6-3-3500, ПШГНТ8-3-5500, кроме установки редуктора на тумбе, стойка трехопорная, крепится двумя ногами с помощью болтов к раме, а третьей ногой к тумбе.

В приводе ПШГНТ4-1,5-1400 (рис. 2.25) применен редуктор, в котором оси всех четырех валов расположены в одной наклон­ной плоскости, служащей одновременно плоскостью разъема.

Конструкция основных узлов и деталей привода ПШГНТ10-3-5500 аналогична приводу ПШГНТ8-3-5500, показанному на рис. 2.26.

На нефтяных промыслах РФ довольно широко применяются румынские станки-качалки завода «Вулкан» UP9T-2500-3500 и UP12T-3000-5500, технические характеристики которых приве­дена в таблице 2.4.

Рис. 2.25. Привод типа ПШГНТ 4-1,5-1400

Условное обозначение станков-качалок включает максималь­ную нагрузку на головку балансира (7,9 и 12 т), наибольшую дли­ну хода устьевого штока (2000, 2500 и 3000 мм) и допускаемый крутящий момент на ведомом валу редуктора (3500 и 5500 кгс*м).

Конструкция румынских станков-качалок (рис. 2.27) соот­ветствует стандартным конструкциям, выпускавшимся в нашей стране [11].

В последние годы параметры румынских станков-качалок приведены в соответствие с рекомендациями Американского нефтяного института (API). Новые приводы оборудуются двух-и трехступенчатыми редукторами с шевронными зубчатыми ко­лесами. Ведомый вал посажен на усиленные бронзовые подшип­ники скольжения, а ведущий и промежуточные валы — на под­шипники качения. Смазка подшипников осуществляется раз­брызгиванием с доставкой масла к каждому подшипнику по желобкам.

Рис. 2.26. Привод ПШГНТ 8-3-5500 и ПШГНТ 6-3-3500

Американские станки-качалки с двуплечим балансиром. Ти­повая конструкция станка-качалки с двуплечим балансиром аме­риканской фирмы «Lufkin» показана на рис. 2.28.

В США принята англо-американская система единиц и обо­значения штанговых скважинных приводов в соответствии с тре­бованиями API расшифровываются следующим образом:

С — общепринятый (стандартный) тип станка-качалки с дву­плечим балансиром;

320, 456 — максимальный крутящий момент редуктора в ты­сячах футов на дюйм;

D — двухступенчатый редуктор;

173, 213 — максимальная нагрузка на верхней штанге в сот­нях фунтов;

120 — длина хода в дюймах

Рис. 2.27. Станок-качалка фирмы «Вулкан»

В станках-качалках применены двухступенчатые редукто­ры с передаточными числами: 30, 12 — для С-320 и 29,04 — для С-456.

Стандартным для станков-качалок фирмы «Lufkin» стали шев­ронные со спиральными зубьями зубчатые колеса, которые от­личаются меньшей чувствительностью к неточностям сборки и значительно лучше работают в реверсивных передачах. Кроме двуплечих станков-качалок фирма «Lufkin» выпускает однопле­чие приводы типа Mark II.

Конструкция станка-качалки представлена на рис. 2.29.

Фирма подчеркивает следующие преимущества приводов Mark II:

1) увеличенное время хода вверх, т.к. станок-качалка имеет дезаксиальный механизм; величина дезаксиала составляет 15°;

2) пониженное ускорение в начале хода вверх, что позволяет снизить величину перегрузки в этот наиболее напряженный пе­риод цикла на привод и на штанги;

3) увеличенная допускаемая нагрузка в точке подвеса штанг, т.к. траверса расположена перед редуктором, близко от головки балансира, что позволяет увеличить «тягу» рычажной системы;

4) возрастание допускаемой нагрузки при ходе вверх и сниже­ние при ходе вниз выравнивает распределение нагрузки за цикл;

5) геометрия механизма позволяет повысить крутящий мо­мент по сравнению с обычными станками-качалками; это дела­ется за счет особой конструкции кривошипа и его расположе­ния, позволяющего изменить приложение момента по отноше­нию к моменту, создаваемому весом колонны штанг; в случае сохранения параметров неизменными можно снизить момент на редукторе до 35% и, соответственно, уменьшить потери мощ­ности и требуемую мощность двигателя.

Рис. 2.28. Станок-качалка с двуплечим балансиром фирмы «Lufkin»

Рис. 2.29. Конструкция станок-качалка с одноплечным балансиром:

1 — ограждение; 2 — шатун; 3— подвеска устьевого штока; 4— стяжка; 5 — балансир с опорой; 6 — траверса; 7 — винт установочный; 8 — стойка; 9 — противовес; 10 — кривошип; 11 — электродвигатель; 12 — шкив ведущий; 13 — плитка поворотная; 14 — рычаг тормоза; 15 — рама; 16— ремень; 17 — шкив ведомый; 18— редуктор

Модель М-1140-143-86, в которой литера М обозначает Mark II. Остальные обозначения аналогичны приведенным ра­нее. Данная модель имеет следующие характеристики:

Нагрузка на головку балансира: 14300 фунтов — 6,5 т

Длина хода: 63; 75; 96 дюймов — 1,6; 1,9; 2,2 м

Номинальный момент редуктора: 114000 фунтов на дюйм— 13,1 кН*м

Рис. 2.30. Привод одноплечий ПШГНО 6-2,5

Редуктор двухступенчатый с передаточным число 29,4, с го­ризонтальной плоскостью разъема, с шевронными зубчатыми колесами. Особенностью редуктора является применение в ка­чества опор кривошипного вала бронзовых подшипников сколь­жения; опоры двух других валов — цилиндрические роликопод­шипники.

Впервые в нашей стране также начат серийный выпуск при­водов с одноплечим балансиром, если не считать эксперимен­тов многолетней давности по выпуску такого станка-качалки с пневматическим уравновешиванием. Одноплечий станок-качалка «Уралтрансмаша» типа ПШГНО6-2,5 (рис. 2.30).

Целый ряд узлов привода (траверса, шатуны, подвеска устье­вого штока и др.) конструктивно аналогичны принятому за ба­зовый приводу ПШГН8-3-5500 и не имеют существенных отличий. Редуктор заимствован от ПШГНТ4-1,5-1400, но в него вне­сены некоторые конструктивные изменения, в частности, уси­лен ведомый вал.

Рис. 2.31. Привод кривошипно-шкивной передвижной ПКШП-80

Аналогичное оборудование выпускает завод «Редуктор» — это станки-качалки типов СКМР6-2,5 и СКМР12-3,5. Основ­ные кинематические размеры приводов соответствуют станку-качалке М-1140-143-86 фирмы «Lufkin», а параметры и конст­рукция адаптированы к российским условиям и практике экс­плуатации.

Станки-качалки оснащены надежными редукторами ЦЗНК-450М и ЦЗНК-500М с усиленным выходным валом на подшипни­ках качения, позволяющим реверсирование. Привод СКМР6-2,5 оснащен быстродействующим дисковым тормозом, шарнирно складывающейся верхней частью (стойка, балансир, траверса, шатуны), ручным приспособлением для перестановки длины хода без применения грузоподъемных средств.

Станки-качалки с одноплечим балансиром выпускаются так­же румынским заводом «Вулкан».