Гидравлический привод подъемного устройства

 

Устройство предназначено для использования в гидравлических машинах объемного вытеснения, включающих гидравлические или пневматические средства, для приведения в действие скважинных штанговых насосов, предназначенных для подъема жидкостей с больших глубин. Гидравлический привод подъемного устройства содержит рабочий цилиндр и уравновешивающий тандемный цилиндр. Одна из поршневых полостей тандемного цилиндра соединена с емкостью со сжатым газом, другая поршневая полость - со штоковой полостью рабочего цилиндра с образованием замкнутого гидравлического контура. Для увеличения числа качаний штока рабочего цилиндра без увеличения производительности насоса подачи рабочей жидкости, штоковые полости тандемного цилиндра соединены через гидрораспределитель с насосом или сливом. Привод содержит систему компенсации утечек, обеспечивающую подпитку рабочей жидкости в замкнутый контур при необходимости. При работе привода повышенная скорость перемещения штока обеспечивается за счет мультипликации в тандемном цилиндре расхода рабочей жидкости, обеспечиваемого насосом привода. Обеспечивается увеличение числа качаний штока рабочего цилиндра без увеличения производительности насоса. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения, включающим гидравлические или пневматические средства, и может быть использовано для приведения в действие скважинного штангового насоса, предназначенного для подъема жидкостей с больших глубин.

Известен гидравлический привод подъемного устройства (пат RU №2061913, МПК⁶ F 15 B 1/02, опубл. 10.06.96 г.), содержащий рабочий цилиндр и уравновешивающий тандемный цилиндр с перемычкой и штоком с поршнями на его концах, установленными с образованием четырех полостей, одна из которых соединена с емкостью со сжатым газом, другая - со штоковой полостью рабочего цилиндра с образованием замкнутого гидравлического контура, и систему компенсации утечек из этого контура, содержащую плунжерный насос и два обратных клапана, один из которых установлен в канале, соединяющем штоковые полости тандемного цилиндра, а другой - в поршне рабочего цилиндра.

При работе такого привода происходит постоянная подпитка жидкости в замкнутый гидравлический контур, независимо от ее утечек, что вынуждает постоянно срабатывать обратный клапан, установленный в канале, соединяющем штоковые полости тандемного цилиндра для слива излишков жидкости из замкнутого гидравлического контура.

Постоянное срабатывание клапанов приводит к их повышенному износу, а следовательно, к снижению надежности привода.

Кроме того, число качаний штока рабочего цилиндра такого привода ограничено из-за малой скорости перемещения штока рабочего цилиндра при движении вниз под действием давления рабочей жидкости, поступающей от насоса в поршневую полость рабочего цилиндра. Для увеличения числа качаний необходимо использовать более производительный насос для подачи рабочей жидкости и гидроаппаратуру, что снижает надежность работы привода и приводит к его удорожанию.

Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является гидравлический привод подъемного устройства (пат. RU №2134360, МПК⁶ F 04 B 47/04, опубл. 10.08.99 г.), содержащий рабочий цилиндр и уравновешивающий тандемный цилиндр с перемычкой и полым штоком с поршнями на его концах, установленными с образованием четырех полостей, одна из которых соединена с емкостью со сжатым газом, другая - с полостью рабочего цилиндра с образованием замкнутого гидравлического контура, и систему компенсации утечек из этого контура, содержащую плунжерный насос и обратный клапан, расположенный в полости штока тандемного цилиндра, соединенной каналом с его штоковой полостью, соединенной через гидрораспределитель с насосом или сливом.

Такой привод более надежен, так как при его работе система компенсации утечек срабатывает только при необходимости подпитки рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур.

Однако число качаний штока рабочего цилиндра этого привода также ограничено по описанным выше причинам.

Задачей изобретения является обеспечение увеличения числа качаний штока рабочего цилиндра без увеличения производительности насоса подачи рабочей жидкости и производительности гидроаппаратуры.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является увеличение скорости перемещения штока рабочего цилиндра за счет мультипликации в тандемном цилиндре расхода рабочей жидкости, обеспечиваваемого насосом привода.

Для решения поставленной задачи усовершенствуется гидравлический привод подъемного устройства, содержащий рабочий цилиндр и уравновешивающий тандемный цилиндр с перемычкой и штоком с поршнями на его концах, установленными с образованием четырех полостей, одна из которых соединена с емкостью со сжатым газом, другая - с полостью рабочего цилиндра с образованием замкнутого гидравлического контура, и систему компенсации утечек из этого контура, содержащую поршневой насос, соединенный с контуром каналом с обратным клапаном, при этом одна штоковая полость тандемного цилиндра соединена через гидрораспределитель с насосом или сливом.

Это усовершенствование состоит в том, что вторая штоковая полость тандемного цилиндра соединена через гидрораспределитель с насосом или сливом, с полостью рабочего цилиндра соединена поршневая полость тандемного цилиндра.

Такое выполнение привода позволяет подать рабочую жидкость в рабочий цилиндр из поршневой полости тандемного цилиндра. При этом за счет мультипликации расхода в тандемном цилиндре увеличивается расход рабочей жидкости, подаваемой в полость рабочего цилиндра и сливаемой из него, что необходимо для увеличения числа качаний без изменения производительности насоса привода.

Кроме того, в таком приводе сисистема компенсации утечек может быть выполнена в виде поршневого насоса системы компенсации утечек расположенного в штоковой полости тандемного цилиндра, смежной с полостью, соединенной с емкостью со сжатым газом, канала, соединяющего поршневой насос с контуром, выполненного в виде полости в штоке, имеющий вход в штоковой, а выход - в поршневой полости тандемного цилиндра, соединенной с полостью рабочего цилиндра, при этом цилиндр поршневого насоса системы компенсации утечек охватывает шток тандемного цилиндра, а поршень выполнен на части штока, между входом канала в штоковой полости и соответствующим поршнем тандемного цилиндра.

Выполнение привода с вышеописанной системой компенсации утечек позволяет обеспечить компенсацию утечек только при необходимости подпитки рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур.

Кроме того, цилиндр поршневого насоса системы компенсации утечек может быть установлен на перемычке.

Такая установка цилиндра плунжерного насоса позволяет упростить конструкцию за счет использования перемычки в качестве дна цилиндра и уменьшить количество уплотнительных узлов (по сравнению с установкой цилиндра, например на корпусе тандемного цилиндра).

Кроме того, в крышке поршневой полости тандемного цилиндра, соединенной с полостью рабочего цилиндра, может быть выполнено отверстие с узлом уплотнения, через который проходит шток поршневого насоса системы компенсации утечек, установленный с возможностью взаимодействия с поршнем тандемного цилиндра, канал, соединяющий поршневой насос с контуром, выполнен в виде полости в штоке поршневого насоса, имеющий вход в поршневой полости цилиндра поршневого насоса, а выход - в поршневой полости тандемного цилиндра, соединенной с полостью рабочего цилиндра, при этом поршневая полость цилиндра поршневого насоса системы компенсации утечек соединена трубопроводом с обратным клапаном через гидрораспределитель с насосом или сливом, а его штоковая полость соединена со сливом.

Выполнение привода с вышеописанной системой компенсации утечек позволяет обеспечить подпитку рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур только при необходимости. При этом обеспечивается надежная подача рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур независимо от соотношения давлений в замкнутом контуре и штоковой полости тандемного цилиндра. А плунжерный насос системы компенсации утечек доступен для обслуживания.

Кроме того, трубопровод, соединяющий поршневую полость цилиндра поршневого насоса системы компенсации утечек через гидрораспределитель с насосом или сливом, может быть соединен со штоковой полостью тандемного цилиндра, смежной с поршневой полостью, соединенной с полостью рабочего цилиндра.

Такое соединение обеспечивает одновременную подачу рабочей жидкости в поршневую полость цилиндра поршневого насоса системы компенсации утечек и штоковую полость тандемного цилиндра и позволяет исключить возможность неконтролируемой подачи рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур при уменьшении давления в его полостях при движении поршня рабочего цилиндра вниз.

Кроме того, поршневая полость тандемного цилиндра может быть соединена с поршневой полостью рабочего цилиндра, что обеспечивает подъем штока рабочего цилиндра при подаче давления рабочей жидкости в поршневую полость рабочего цилиндра, что позволяет уменьшить высоту установки рабочего цилиндра на скважине и, следовательно, уменьшить габариты и металлоемкость скважинной установки с заявляемым приводом.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков обеспечивает увеличение числа качаний штока рабочего цилиндра без увеличения производительности насоса подачи рабочей жидкости за счет мультипликации в тандемном цилиндре расхода рабочей жидкости, создаваемого насосом привода. При этом обеспечивается компенсация утечек рабочей жидкости из замкнутого гидравлического контура, образованного штоковой полостью тандемного цилиндра и полостью (штоковой или поршневой) рабочего цилиндра.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная гидравлическая схема привода с системой компенсации утечек, расположенной в штоковой полости тандемного цилиндра (поршневая полость тандемного цилиндра соединена с поршневой полостью рабочего цилиндра); на фиг.2 - тандемный цилиндр с системой компенсации утечек, расположенной в штоковой полости; на фиг.3 - принципиальная гидравлическая схема привода с системой компенсации утечек, установленной на крышке тандемного цилиндра (поршневая полость тандемного цилиндра соединена со штоковой полостью рабочего цилиндра); на фиг.4 - тандемный цилиндр с системой компенсации утечек, установленной на его крышке.

Гидравлический привод подъемного устройства, изображенный на фиг.1, содержит рабочий цилиндр 1 и уравновешивающий тандемный цилиндр 2. В приведенном варианте рабочий цилиндр 1 выполнен в виде двух цилиндров 1 и 1’, штоковые 3 и 3’ и поршневые полости 4 и 4’ которых разделены поршнями 5 и 5’ со штоками 6 и 6’, соединенными между собой траверсой 7, соединяемой при монтаже на скважине с колонной штанг 8. В тандемном цилиндре 2 установлены перемычка 9 и полый шток 10 с поршнями 11 и 12 на его концах с образованием четырех полостей 13, 14, 15 и 16. Поршневая полость 13 соединена с емкостью 17 со сжатым газом, поршневая полость 14 - с полостями 4 и 4’ рабочих цилиндров 1 и 1’ с образованием замкнутого гидравлического контура. Привод содержит систему компенсации утечек из этого контура, состоящую из поршневого насоса 18 и обратного клапана 19, расположенного в канале. В приведенном на фиг.1, 2 варианте канал образован полостью 20 штока 10, имеющей вход 21 в штоковой 15, а выход 22 - в поршневой полости 14 тандемного цилиндра 2. Штоковые полости 15 и 16 тандемного цилиндра 2 соединены через гидрораспределитель 23 с насосом 24 или сливом 25. Цилиндр 26 поршневого насоса 18 системы компенсации утечек охватывает шток 10 тандемного цилиндра 2 и расположен в его штоковой полости 15, смежной с полостью 13, а поршень 27 выполнен на части штока 10, между входом 21 и поршнем 12 тандемного цилиндра 2. В варианте на фиг.1 цилиндр 26 установлен на перемычке 9. Для изменения положения гидрораспределителя 23 служит переключатель 28, срабатывающий при крайнем положении поршней 5 и 5’.

Работа привода происходит следующим образом.

Перед началом работы штоки 6, 6’ и поршни 5 и 5’ цилиндров 1 и 1’ находятся в нижнем положении, шток 10 тандемного цилиндра 2 находится в крайнем правом положении. Давление газа в емкости 17 и связанной с ней полостью 13 передается на поршень 11, затем на жидкость в полости 14 и жидкость в полостях 4 и 4’ рабочих цилиндров 1 и 1’, уравновешивая вес поршней 5 и 5’, штоков 6 и 6’, траверсы 7 и колонны штанг 8 скважинного насоса. Гидрораспределитель 23 находится в левом по чертежу положении, при котором с насосом 24 соединена штоковая полость 16 тандемного цилиндра 2. Под действием давления рабочей жидкости, создаваемого насосом 24 в полости 16, поршень 12 перемещается влево по чертежу, вытесняя рабочую жидкость из полости 14 и создавая в поршневых полостях 4 и 4’ давление, под действием которого перемещаются поршни 5 и 5’, штоки 6 и 6’ и траверса 7, соединенная с колонной штанг 8. При этом расход рабочей жидкости в поршневых полостях 4 и 4 определяется из соотношения:

где Р_ц - расход рабочей жидкости в полостях 4 и 4’ рабочих цилиндров 1 и 1’;

S_n - площадь поршня тандемного цилиндра 2;

S_ш - площадь штока тандемного цилиндра 2;

Р_н - расход рабочей жидкости, обеспечиваемый насосом 24.

Например, при соотношении S_ш=0,5S_n, Р_н=2Р_н, что обеспечивает повышенную скорость перемещения поршней 5 и 5’ при их движении вверх. Жидкость из полости 15 тандемного цилиндра через гидрораспределитель 23 вытесняется на слив 25. При достижении поршнями 5 и 5’ крайнего верхнего положения срабатывает переключатель 28, переводя гидрораспределитель 23 в правое по чертежу положение, при этом в работу включается левая половина гидрораспределителя 23. Происходит реверс привода. Рабочая жидкость от насоса 24 поступает в полость 15 тандемного цилиндра 2 и, воздействуя на поршень 11, перемещает его шток 10 вправо по чертежу, сжимая газ в полости 13 и емкости 17. Вместе со штоком 10 перемещается поршень 12 и рабочая жидкость из полостей 4 и 4' перетекает в полость 14 тандемного цилиндра 2. При этом расход жидкоста также определяется из соотношения: , (см. экспликацию выше) и превышает расход, обеспечиваемый насосом 24.

При уменьшении (из-за утечек) объема жидкости в замкнутом гидравлическом контуре (полостях 4 и 4’ и полости 14) зона перемещения штока 10 с поршнями 11 и 12 смещается влево по чертежу. При этом поршень 27 входит в цилиндр 26 системы компенсации утечек и вытесняет из него рабочую жидкость в полость 20. Давлением рабочей жидкости открывается клапан 19 и жидкость поступает в полость 14 замкнутого гидравлического контура. По мере пополнения замкнутого контура рабочей жидкостью зона перемещения штока 10 смещается вправо по чертежу, поршень 27 не доходит до цилиндра 2 и пополнения жидкости в замкнутый гидравлический контур не происходит. Система компенсации утечек автоматически отключается.

Гидравлический привод подъемного устройства, изображенный на фиг.3, содержит рабочий цилиндр 1 и уравновешивающий тандемный цилиндр 2. Штоковая 3 и поршневая 4 полости рабочего цилиндра 1 разделены поршнем 5 со штоком 6, соединяемым при монтаже на скважине с колонной штанг 8. В тандемном цилиндре 2 установлены перемычка 9 и полый шток 10 с поршнями 11 и 12 на его концах с образованием четырех полостей 13, 14, 15 и 16. Поршневая полость 13 соединена с емкостью 17 со сжатым газом, поршневая полость 14 - со штоковой полостью 3 рабочего цилиндра 1 с образованием замкнутого гидравлический контура. Привод содержит систему компенсации утечек из этого контура, состоящую из поршневого насоса 29, установленного на крышке 30 поршневой полости 14 тандемного цилиндра 2. В крышке 30 выполнено отверстие 31 с узлом уплотнения 32, через который проходит шток 33 поршневого насоса 29, установленный с возможностью взаимодействия с поршнем 12 тандемного цилиндра 2. Канал, соединяющий поршневой насос 29 с контуром (полостями 14 и 3), выполнен в виде полости 34 в штоке 33 поршневого насоса 29, имеющий вход 35 в поршневой полости 36 цилиндра 37 поршневого насоса 29, а выход 38 - в поршневой полости 14 тандемного цилиндра 2. В полости 34 установлен обратный клапан 39. Поршневая полость 36 цилиндра 37 соединена трубопроводом 40 с обратным клапаном 41 через гидрораспределитель 23 с насосом 24 или сливом 25. Штоковая полость 42 цилиндра 37 соединена со сливом 25. В приведенном варианте трубопровод 40 соединен со штоковой полостью 16 тандемного цилиндра 2.

Для изменения положения гидрораспределителя 23 служит переключатель 28, срабатывающий при крайнем положении поршня 5.

Работа привода происходит следующим образом.

Перед началом работы шток 6 и поршень 5 цилиндра 1 находятся в нижнем положении, шток 10 тандемного цилиндра 2 находится в крайнем правом положении. Давление газа в емкости 17 и связанной с ней полостью 13 передается на поршень 11, затем на жидкость в полости 14 и жидкость в полости 3 рабочего цилиндра 1, уравновешивая вес поршня 5, штока 6 и колонны штанг 8 скважинного насоса. Гидрораспределитель 23 находится в левом по чертежу положении, при котором с насосом 24 соединена штоковая полость 16 тандемного цилиндра 2 и поршневая полость 36 цилиндра 37 системы компенсации утечек, так как под действием давления, создаваемого насосом 24 обратный клапан 41 трубопровода 40 открыт, при этом обратный клапан 39 закрыт, поскольку давление в полости 14 замкнутого контура больше давления в поршневой полости 36, создаваемого насосом 24. За счет разности площади поршня 43 и штока 33 поршень 43 перемещается в сторону тандемного цилиндра 2, вдвигая шток 33 в полость 14. Под действием давления рабочей жидкости, создаваемого насосом 24 в полости 16, поршень 12 перемещается влево по чертежу, вытесняя рабочую жидкость из полости 14 и создавая в штоковой полости 3 давление, под действием которого перемещается поршень 5 и шток 6, соединенный с колонной штанг 8. При этом расход рабочей жидкости в штоковой полости 3 определяется из соотношения:

где Р_ц - расход рабочей жидкости в полости 3 рабочего цилиндра 1;

S_n - площадь поршня тандемного цилиндра 2;

S_ш - площадь штока тандемного цилиндра 2;

Р_н - расход рабочей жидкости, обеспечиваемый насосом 24.

Например, при соотношении S_ш=0,5S_n, Р_ц=2Р_н, что обеспепечивает повышенную скорость перемещения поршня 5 при движении вверх. Жидкость из полости 15 тандемного цилиндра через гидрораспределитель 23 вытесняется на слив 25. При достижении поршнем 5 крайнего верхнего положения срабатывает переключатель 28, переводя гидрораспределитель 23 в правое по чертежу положение, при этом в работу включается левая половина гидрораспределителя 23. Происходит реверс привода. Рабочая жидкость от насоса 24 поступает в полость 15 тандемного цилиндра 2 и, воздействуя на поршень 11, перемещает его шток 10 вправо по чертежу, сжимая газ в полости 13 и емкости 17. Вместе со штоком 10 перемещается поршень 12 и рабочая жидкость из полости 3 перетекает в полость 14 тандемного цилиндра 2. При этом расход жидкости также определяется из соотношения: (см. экспликацию выше) и превышает расход, обеспечиваемый насосом 24. Трубопровод 40 через гидрораспределитель 23 соединяется со сливом 25, клаланы 41 и 39 закрыты. Подпитки рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур не происходит.

При уменьшении (из-за утечек) объема жидкости в замкнутом гидравлическом контуре (полостях 3 и 14) зона перемещения штока 10 с поршнями 11 и 12 смещается влево по чертежу. При этом поршень 12 упирается в шток 33 поршневого насоса 29, перемещая поршень 43, закрывает клапан 41, открывает клапан 39 и вытесняет рабочую жидкость из полости 36 в полость 14 замкнутого гидравлического контура. По мере пополнения замкнутого контура рабочей жидкостью зона перемещения штока 10 смещается вправо по чертежу, поршень 12 не доходит до штока 33 и пополнения жидкости в замкнутый гидравлический контур не происходит. Система компенсации утечек автоматически отключается. Поршневая полость 36 цилиндра 37 соединена со штоковой полостью 16 тандемного цилиндра 2, что исключает возможность открытия клапана 39 и неконтролируемой подачи рабочей жидкости в замкнутый гидравлический контур при уменьшении давления в его полостях 14 и 3.

Таким образом, при работе привода обеспечивается перемещение штока рабочего цилиндра (вверх и вниз) с большей скорость, что позволяет увеличить число качаний штока рабочего цилиндра без увеличения производительности насоса подачи рабочей жидкости. Система компенсации утечек рабочей жидкости из замкнутого гидравлического контура срабатывает автоматически только в случае необходимости подпитки.

Формула изобретения

1. Гидравлический привод подъемного устройства, содержащий рабочий цилиндр и уравновешивающий тандемный цилиндр с перемычкой и штоком с поршнями на его концах, установленными с образованием четырех полостей, одна из которых соединена с емкостью со сжатым газом, другая - с полостью рабочего цилиндра с образованием замкнутого гидравлического контура, и систему компенсации утечек из этого контура, содержащую поршневой насос, соединенный с контуром каналом с обратным клапаном, при этом одна штоковая полость тандемного цилиндра соединена через гидрораспределитель с насосом или сливом, отличающийся тем, что вторая штоковая полость тандемного цилиндра соединена через гидрораспределитель с насосом или сливом, а с полостью рабочего цилиндра соединена поршневая полость тандемного цилиндра.

2. Гидравлический привод по п.1, отличающийся тем, что поршневой насос системы компенсации утечек расположен в штоковой полости тандемного цилиндра, смежной с полостью, соединенной с емкостью со сжатым газом, канал, соединяющий поршневой насос с контуром, выполнен в виде полости в штоке, имеющий вход в штоковой, а выход - в поршневой полости тандемного цилиндра, соединенной с полостью рабочего цилиндра, при этом цилиндр поршневого насоса системы компенсации утечек охватывает шток тандемного цилиндра, а поршень выполнен на части штока, между входом канала в штоковой полости и соответствующим поршнем тандемного цилиндра.

3. Гидравлический привод по п.2, отличающийся тем, что цилиндр поршневого насоса системы компенсации утечек установлен на перемычке.

4. Гидравлический привод по п.1, отличающийся тем, что в крышке поршневой полости тандемного цилиндра, соединенной с полостью рабочего цилиндра, выполнено отверстие с узлом уплотнения, через который проходит шток поршневого насоса системы компенсации утечек, установленный с возможностью взаимодействия с поршнем тандемного цилиндра, канал, соединяющий поршневой насос с контуром, выполнен в виде полости в штоке поршневого насоса, имеющей вход в поршневой полости цилиндра поршневого насоса, а выход - в поршневой полости тандемного цилиндра, соединенной с полостью рабочего цилиндра, при этом поршневая полость цилиндра поршневого насоса системы компенсации утечек соединена трубопроводом с обратным клапаном через гидрораспределитель с насосом или сливом, а его штоковая полость соединена со сливом.

5. Гидравлический привод по п.4, отличающийся тем, что трубопровод, соединяющий поршневую полость цилиндра поршневого насоса системы компенсации утечек через гидрораспределитель с насосом или сливом, соединен со штоковой полостью тандемного цилиндра, смежной с поршневой полостью, соединенной с полостью рабочего цилиндра.

6. Гидравлический привод по п.1, отличающийся тем, что поршневая полость тандемного цилиндра соединена с поршневой полостью рабочего цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4