Электропривод

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромеханическим линейным исполнительным механизмам с периодическим изменением направления движения передачи осевого усилия при однонаправленной осевой нагрузке. Электропривод (ЭП) представляет собой совмещенную конструкцию электродвигателя (ЭД) винтового преобразователя вращательного движения в поступательное (ВП) и рекуператора энергии (РЭ). Предложенный ЭП содержит ЭД 1, установленный на корпусе 5 ЭП. Вал ЭД сочленен с винтом 3 ВП, установленным в подшипниках 13 и 14. Ходовая гайка 2 ВП сочленена с ходовыми штоками 9, проходящими через сквозные отверстия подшипникового щита 7 и соединенными с элементом 8 передачи осевого усилия. Корпус РЭ 10 соединен с корпусом 5 ЭП, а поршневой шток 11 РЭ сочленен с элементом 8 передачи осевого усилия. Технический результат от использования данного изобретения состоит в том, что электропривод обладает пониженным энергопотреблением и увеличенным ресурсом. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электромеханическим линейным исполнительным механизмам с периодическим изменением направления движения штока при однонаправленной осевой нагрузке и может быть использовано, например, в качестве привода штанговых насосов для откачки нефти из скважин при непосредственном сочленении электромеханизмов с обсадными трубами.

Известен электропривод (патент Англии 1291304 А, кл. Н 02 К 7/06), содержащий электродвигатель, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из ходовой гайки, зафиксированной от проворачивания, и винта, сочлененного через редуктор с валом электродвигателя. Недостатком известного электропривода является его низкая надежность, обусловленная отсутствием устройств, защищающих преобразователь от заклинивания при ударных осевых нагрузках.

Известен также электропривод (патент США 3691858, кл. Н 02 K 7/10), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий корпус, электродвигатель, жестко сочлененный с корпусом, преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из винта, сочлененного посредством передаточного звена, например редуктора, с валом электродвигателя, и ходовой гайки с тарельчатыми пружинами по обе ее стороны, установленной с возможностью поворота в пределах некоторого угла, ограниченного упругими стопорами. Ходовая гайка посредством трубы сочленена с элементом передачи осевого усилия.

Достоинством известного электропривода является защищенность винтового преобразователя вращательного движения в поступательное от заклинивания посредством демпфирования ударных осевых нагрузок. Недостатками известного электропривода являются его пониженный ресурс, обусловленный консольностью закрепления винта преобразователя вращательного движения в поступательное. Также недостатком известного электропривода, работающего в режиме однонаправленной осевой нагрузки (например, за счет веса штанговой колонны и плунжерного насоса в нефтескважине), является повышенное энергопотребление из-за невозможности обеспечения рекуперации энергии посредством ее накопления в пассивном режиме холостого хода (например, при опускании штанговой колонны в скважину) и использовании ее в активном режиме (например, при подъеме нефти на поверхность земли).

Задачей изобретения является создание электропривода с увеличенным ресурсом за счет повышения прочности конструкции и уменьшенным энергопотреблением за счет обеспечения рекуперации энергии.

Это достигается тем, что в электроприводе, содержащем корпус, элемент передачи осевого усилия, электродвигатель, сочлененный с корпусом, систему управления работой электродвигателя, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из ходовой гайки, зафиксированной от проворота, и винта, сочлененного посредством передаточного звена с валом электродвигателя, корпус снабжен подшипниковым щитом с как минимум одним сквозным отверстием, преобразователь вращательного движения в поступательное снабжен как минимум одним штоком, винт преобразователя установлен в подшипнике указанного щита, а шток расположен в сквозном отверстии щита и одним своим концом соединен с ходовой гайкой, а другим концом сочленен с элементом передачи осевого усилия.

Также электропривод может быть снабжен как минимум одним рекуператором энергии, причем корпус его соединен с корпусом электропривода, а его поршневой шток сочленен с элементом передачи осевого усилия.

На чертеже изображен предложенный электропривод (система управления работой электродвигателя не приводится).

Электропривод представляет собой совмещенную конструкцию электродвигателя 1, преобразователя вращательного движения в поступательное, состоящего из ходовой гайки 2 и винта 3, а также рекуператора 4 энергии (например, пневмоцилиндра). Электродвигатель 1 жестко сочленен с корпусом 5, снабженным двумя щитами 6 и 7, в подшипниках 13 и 14 которых установлен винт 3 преобразователя вращательного движения в поступательное. Подшипниковый щит 7 (со стороны элемента 8 передачи осевого усилия) снабжен сквозными отверстиями, через которые проходят штоки 9, одним своим концом сочлененные с ходовой гайкой 2, а другим с элементом 8 передачи осевого усилия (на чертеже, в качестве примера, показаны два штока 9). Винт 3 преобразователя вращательного движения в поступательное сочленен с валом электродвигателя 1. Корпусы 10 рекуператоров 4 энергии (в качестве примера на чертеже представлено два рекуператора энергии) присоединены к корпусу 5 электропривода, а поршни 11 посредством штоков 12 сочленены с элементом 8 передачи осевого усилия.

Электропривод работает следующим образом. При подаче напряжения от системы управления на электродвигатель 1 его вал, а следовательно и сочлененный с ним винт 3, начинают вращаться. Ходовая гайка 2, при этом, периодически перемещается в ту или другую сторону в зависимости от направления вращения вала электродвигателя. Периодически в ту или иную сторону будет также перемещаться элемент 8 передачи осевого усилия, связанный с ходовой гайкой 2 посредством штоков 9. Наличие щита 7 и установка винта 3 преобразователя вращательного движения в поступательное в двух подшипниках 12 и 13 устраняет консольность винта, имеющую место в прототипе. В результате, возрастает прочность конструкции и, как следствие, повышается ресурс электропривода.

Период работы электропривода включает в себя полупериод холостого хода, когда гайка 2 совместно с элементом 8 передачи осевого усилия движутся в сторону однонаправленного осевого усилия (показано на чертеже стрелкой), и активный полупериод, когда гайка 2 и элемент 8 передачи осевого усилия движутся навстречу однонаправленному осевому усилию. При движении гайки 2 и элемента 8 передачи осевого усилия в сторону действия однонаправленной осевой нагрузки (например, в пассивном режиме работы электропривода при опускании штанговой колонны и плунжерного насоса в нефтескважину) поршень 11 рекуператора энергии 4, связанный с элементом 8 передачи осевого усилия поршневым штоком 12, сжимает газ в подпоршневом пространстве, одновременно увеличивая его давление. Сжатие газа и увеличение его давления осуществляется за счет энергии однонаправленной осевой нагрузки (например, за счет потенциальной энергии штанговой колонны и плунжерного насоса в нефтескважине). При движении гайки 2 и, сочлененного с ней, элемента 8 передачи осевого усилия в направлении, противоположном указанному на чертеже (например, в активном режиме работы электропривода при подъеме нефти на поверхность земли), потенциальная энергия сжатого газа в рекуператоре преобразуется в активную энергию, помогая электродвигателю совершать полезную работу (например, подъема нефти из скважины). Таким образом, посредством рекуператоров энергия однонаправленной осевой нагрузки, накопленная в полупериоде холостого хода (например, в режиме опускания штанговой колонны и плунжерного насоса в нефтескважине), рекуперируется в активном полупериоде работы электропривода (например, при подъеме нефти из скважины). Использование рекуператоров энергии в электроприводе позволяет приблизить друг к другу нагрузочные диаграммы полупериодов холостого хода и активного режима и, тем самым, облегчить режим работы электродвигателя в наиболее тяжелом, с точки зрения энергетических показателей, активном полупериоде. В результате, появляется возможность снизить мощность электропривода, что приведет, в конечном счете, к снижению количества электрической энергии, затрачиваемой на работу электропривода (к уменьшению энергетических затрат на подъем нефти из скважины на поверхность).

Использование в электроприводе рекуператора энергии позволяет осуществить демпфирование осевых ударных нагрузок и, тем самым, предохранить преобразователь вращательного движения в поступательное от заклинивания. А это, в свою очередь, приведет к дальнейшему увеличению ресурса электропривода за счет повышения его прочности.

Кроме того, размещение сочлененных с ходовой гайкой 2 штоков 9 в сквозных отверстиях подшипникового щита 7 предопределяет невозможность проворачивания ходовой гайки 2. Вследствие этого, отпадает необходимость в специальных устройствах фиксации ходовой гайки 2 от проворачивания, что приводит к упрощению конструкции.

Формула изобретения

1. Электропривод, содержащий корпус, элемент передачи осевого усилия, электродвигатель, сочлененный с корпусом, систему управления работой электродвигателя, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из ходовой гайки, зафиксированной от проворота, и винта, сочлененного посредством передаточного звена с валом электродвигателя, отличающийся тем, что корпус снабжен подшипниковым щитом с как минимум одним сквозным отверстием, преобразователь вращательного движения в поступательное снабжен как минимум одним штоком, винт преобразователя установлен в подшипнике указанного щита, а шток расположен в сквозном отверстии щита и одним концом соединен с ходовой гайкой, а другим концом сочленен с элементом передачи осевого усилия.

2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен как минимум одним рекуператором энергии, причем корпус рекуператора соединен с корпусом электропривода, а поршневой шток рекуператора сочленен с элементом передачи осевого усилия.

РИСУНКИ

Рисунок 1