CN101387192B - 吊摆式动态平衡增效节能抽油机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其机械结构分为刚性动态平衡结构与柔性动态平衡结构两种形式，其基本特征在于：在横梁上连接一组或多组摆臂机构，摆臂机构下端连接吊重装置，摆臂机构与横梁形成稳固的游梁结构，摆臂机构与吊重装置组合为用于接受驱动动力和平衡负荷的吊摆装置。可采用多种不同类型的电动机进行动力驱动与电气控制。本发明从革新机械结构与改进相应的配套电气驱动及控制手段两个方面同时着手，运用静、动平衡相结合的方式，集三级复合平衡方式于一体，具有设计新颖、结构简单、运行可靠、平衡性能好、系统效率高、制造与运行维护成本低、吊运安装简便、且节能效果显著等诸多优点。

Description

吊摆式动态平衡增效节能抽油机

一、技术领域

本发明涉及一种采油机械与控制技术相结合的石油开采系统，是一种吊摆式动态平衡增效节能抽油机。

二、背景技术

常规游梁式抽油机是目前油田上广泛使用的一种石油开采设备，它是由底座、电机和传动带、减速器、曲柄连杆、曲柄平衡重、支架、悬绳及悬绳器组件、驴头、游梁组件及轴承组件等部分组成的四连杆机构，这种机构自身所存在的弊端尽管十分突出：负荷力矩波动大、动力性能差、系统效率低、动力损耗大、平衡调节不方便，且游梁摆角相对较小，难以满足油田开发后期在油井注水量骤增时的长冲程抽汲需要等，然而由于这种机构具有结构简单、安装便捷、工作可靠性高，并适合常年工作在野外而无需专人看管等显著优势，所以百余年来在油田一直占据着主导地位。

随着油田的不断开发，油层能量以及油井液面的日趋下降，通过节能挖潜、提高抽汲效率与延长抽油机使用寿命的问题越发显得重要。为此，人们从不同角度进行了大量的研究和探索，试图在技术上有所改进和突破。目前在全国各油田进行试验或已投运的抽油机技改措施不下数百种之多，但归纳起来不外乎两种技术思路：即对抽油机本身的机械结构进行革新和对抽油机动力设备或电气控制方式进行改进、替换。

国内外现已公开的多种类型的抽油机，如异型游梁式抽油机、异形轮双速节能抽油机、吊重滑轮组平衡式抽油机、复合天轮式抽油机、气动储能游梁式抽油机、六连杆游梁式抽油机、偏心轮式抽油机等，都是通过对抽油机本体的机械结构做了一定程度的改动，虽然解决了常规游梁式抽油机的低效率、高能耗等一种或几种技术问题，但其同时也往往会伴随其它诸如结构复杂、运输装卸麻烦、安装效率低下、运行可靠性差等新的问题应运而生。目前仅有异型游梁式抽油机实现了批量化生产。

在抽油机动力设备或电气控制方式的改进中，目前所应用的技术主要有：采用永磁电机等新型节能电机替换交流异步电机，加装无功补偿装置减少系统损耗，安装Δ/Y转换装置、晶闸管相控与调压装置、变频器控制电机输出功率，使用间抽控制器解决抽油机空抽低效的问题。运用这些技术虽然能够取得一定的节能增效效果，但除过无功补偿技术被油田广泛认同外，其它绝大多数技术由于成本高、可靠性低、与机械设备间的紧密性与关联度差等因素而一直无法与抽油机形成配套供油田规模化使用。

致使上述技术造成解决了老问题又添新问题的根本原因在于研究方向大都从节能或增效的单一方向出发，忽略了油田对抽油机的要求首先是可靠性、耐用性。油田绝对不会用牺牲因故障频发导致经常停井以至影响正常生产为代价，而接纳节能性能与技术缺陷同样突出的新技术产品的。

三、发明内容

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其设计独特、结构简单，运行可靠，平衡程度好，系统效率高，制造与运行维护成本低，设备吊运安装简便，且节能效果十分显著。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种吊摆式动态平衡增效节能抽油机，包括机架、动力驱动与电气控制系统，其特征在于：横梁通过机架轴承安置在机架上，横梁的前端为驴头，后端连接尾梁平衡重容器，在横梁上连接一组或多组通过连接件对称设置在机架左右两侧的摆臂机构，摆臂机构的下端连接吊重装置，摆臂机构与横梁共同形成稳固的游梁结构，摆臂机构与吊重装置组合为用于接受驱动动力和平衡负荷的吊摆装置。

吊重容器为实体、腔体或外设隔挡的支架体，吊重容器若为动力从动轮，吊重容器的底面形状则呈以机架轴承为圆心、以机架轴承至其底端的距离为半径的圆弧断面状。

横梁为直梁结构，或折梁结构，或三角形结构。

尾梁平衡重容器整体高于横梁呈上偏尾梁状；或为在横梁后端配置一个在抽油机正常运行时能使悬挂其上的平衡重发生前后位移的异型驴头；或为在横梁后端直接连接一个位置固定的平衡重或悬挂有平衡重的常规驴头；或为在横梁尾部铰链一套下偏尾梁平衡重容器；或为采用吊摆装置直接替代尾梁平衡重容器。

驴头的悬挂绳与柔性绳带相连，并越过驴头顶部，途经固定在横梁中部的定向轮和固定在横梁尾部的换向轮与铰链在横梁尾部的下偏尾梁平衡重容器连接，形成柔性负荷悬挂装置；驴头的顶部呈与常规驴头大弧面平滑相切的小弧面形状，且所有与悬挂装置能发生接触的驴头弧面侧，均安装能够确保悬挂装置上下顺畅滑动的驴头弧面滑动件；设置在驴头上部用于固定悬挂绳的卡件的承载能力与凸出驴头弧面的高度至少提高两倍以上；下偏平衡臂与横梁间相铰的轴承固定在横梁末端，或与换向轮可以为同轴。

在横梁上设置有流体式平衡重装置，流体式平衡重装置为长状体容器，容器的内壁呈两端大中间小的形状；流体为液体或球状、颗粒、粉末状的固体。

在机架上铰链一组机械式滑动平衡重连杆与设于横梁上的机械式滑动平衡重相连。

动力驱动与电气控制系统包括开关磁阻调速电机、直线电机、适用于常规游梁式抽油机的动力驱动传动系统、可换向可调速的驱动系统，均通过对吊摆装置进行驱动，使其产生往复摆动从而带动抽油机正常运行。

若动力传动轮与吊重容器的圆弧底面相切或啮合，则该相切的两个圆弧面或至少其中的一个圆弧面上粘连有表面平整且耐磨力极强的弹性物；而该相啮的两个圆弧面上则均有互为啮合的啮齿，啮齿直接设置在两个圆弧面上，或通过在两个圆弧面上固定耐磨性强的啮齿同步带；动力传动轮可以与电机同轴，或通过传动带与电机连接。

电气控制系统采用单片机或PLC控制技术和模块化结构，通过借助于控制系统中的硬件和软件，对抽油机的工作状态进行智能控制。

驴头为常规式驴头或增程式驴头。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、结构简单，运行可靠：整个设备无过多部件，机身的底座、支架、横梁、驴头等部件全部继承了常规游梁机可靠耐用的特点，特别是当摆臂被设为两组在横梁前、后两端铰链时，摆臂与横梁组成了稳定的三角形游梁结构，将极大的加强横梁的应力与承载能力，再加之吊重装置的作用使设备重心的下移，使得常规机所存在的翻机、折梁、平衡块脱落、曲柄销折断等常见安全故障在本发明所述的技术中的发生率大大减小。

2、先进性高，适用性强：本发明从革新机械结构与改进相应的配套电气驱动及控制手段两个方面同时着手，运用静、动平衡相结合的方式，集三级复合平衡方式于一体，从而使系统内的机电设施的综合协调性能大为提高，非常适合常年在无专人看管的野外恶劣条件下工作。

3、平衡率高，节能显著：独特的吊摆式天平平衡结构，巧妙的运用重力及由此产生的势能和变矩技术做为实现动态平衡的手段，并通过将以往上下作用于横梁的动力驱动方式改为现行的前后作用于吊摆装置的动力驱动方式，既有效的抑制了电机失载的现象，又能防止动态平衡重在设备运行过程中对系统速度造成冲击，由此大大提高了系统的平衡性能，使扭矩波动有效减小，整机运行平稳，系统效率得到了极大的改善，动力驱动的输出功率大幅度降低，节能效果十分显著。

4、动力驱动与电气控制技术成熟：本发明中所述的动力驱动方式与相对应的电气控制手段已趋于成熟，尤其是动力驱动装置业已全部实现了产业化生产，从而为本发明所涉及的惟有通过电气技术方可得以实现的功能提供了可靠的保障。

5、制造与运行维护成本低：包括吊重装置、尾梁平衡重容器、动态平衡装置的非调节基础重物都可使用水泥、沙石、砖头、液体等物类替代钢铁材料；若采用开关磁阻调速电机或直线电机进行动力驱动，则不但能够实现吊摆装置的摆幅由小渐大的软启动功能，以此减少电流对系统的冲击，更重要的是省去了常规游梁式抽油机动力驱动所必须的减速传动装置、曲柄、连杆，由此减除曲柄与连杆间、连杆与横梁间的承载轴承等故障活点，从而有效的降低了故障的发生率。

6、设备吊运、安装、拆卸简便：对现场地基的处理和现场安装人员的素质与常规游梁式抽油机一样没有差异性要求，无须过多的改变现场安装人员的安装习惯，从而可以保证设备吊运、安装、拆卸的效率不受丝毫影响。

四、附图说明

图1是本发明采用开关磁阻调速电机为动力驱动源、横梁上连接有两组摆臂机构、以流体重物装置为动态调节力矩手段、安装有上偏尾梁平衡重容器的刚性动态平衡结构示意图；

图2为本发明采用直线电机进行动力驱动的、横梁上连接有两组摆臂机构、以流体重物装置为动态调节力矩手段、安装有上偏尾梁平衡重容器的刚性动态平衡结构示意图；

图3为本发明采用适用于常规游梁式抽油机的动力驱动装置进行动力驱动的、横梁上连接有两组摆臂机构、以流体重物装置为动态调节力矩手段、安装有上偏尾梁平衡重容器的刚性动态平衡结构示意图；

图4为本发明采用可换向可调速的类似驱动系统或通过采用传动带给设备传递动力的、横梁上连接有两组摆臂机构、以流体重物装置为动态调节力矩手段、在尾梁配置一个在抽油机正常运行时能使悬挂重发生前后位移异型驴头的刚性动态平衡结构示意图；

图5为本发明使用增程驴头替代常规驴头、横梁上连接有两组摆臂机构以及采用机械滑动平衡装置替代流体重物装置为动态调节力矩手段的刚性动态平衡结构示意图；

图6是在图1的基础上，针对摆臂机构与吊重装置位置发生变异以及对机械滑动平衡装置的铰链方式做了变动、安装有上偏尾梁平衡重容器刚性动态平衡结构示意图；

图7为本发明采用一组摆臂机构、以流体重物装置为动态调节力矩手段、横梁后端直接连接一个位置固定的平衡重的刚性动态平衡结构示意图；

图8为本发明采用两组摆臂机构直接与吊重容器相连、以流体重物装置为动态调节力矩手段、横梁后端连接一个悬挂有平衡重的常规驴头的刚性动态平衡结构示意图；

图9为本发明采用开关磁阻调速电机为动力驱动源的柔性动态平衡结构示意图；

图10为本发明电气控制框图。

附图中的数字编码分别表示：1为吊重容器、2为吊重主臂、3为吊臂连接板、4为后摆臂、5为后摆臂铰链轴承、6为吊重物、7为吊重副臂、8为前摆臂、9为前摆臂铰链轴承、10为横梁、11为驴头、12为驴头悬挂绳、13为尾梁平衡主臂、14为尾梁平衡重容器、15为尾梁平衡重、16为动力输出机构、17为机架轴承、18为机架、19为底座、20为流体式平衡重装置、21为机械式滑动平衡重、22为机械式滑动平衡重连杆、23为增程驴头旋转轴承、24为增程驴头推拉杆、25为上置平衡重连杆支架、26为动力传送带、27为直线电机定子装置、28为减速机构、29为曲柄、30为推拉杆、31为柔性绳带、32为定向轮、33为换向轮、34为驴头弧面滑动件、35为尾梁平衡臂铰接轴承，36为驴头悬挂绳卡件、37为尾梁平衡副臂、38为尾梁驴头、39为尾梁平衡重位移托架。

五、具体实施方式

抽油机的系统效率低与能耗指标高的现状只所以难于得到根本性的改观，其根本原因在于抽油载荷是时刻变化的，而平衡配重又不可能和抽油载荷做到完全一致的变化，可以说抽油机的系统效率与能耗的高低取决于其平衡调整的好坏。本发明正是为了有效解决常规游梁式抽油机在抽汲原油过程中存在效率低、能耗高以及克服诸多改进型抽油机结构复杂、运输安装不便、工作可靠性差等问题而设计出的一种吊摆式动态平衡增效节能抽油机。

本发明包括横梁、机架、驴头、悬挂装置、尾梁平衡重容器、摆臂机构、吊重装置、底座、动力驱动与电气控制系统等。本发明的机械部分有两种结构形式，动力驱动方式与相对应的电气控制手段则可以有多种类别。

1、机械部分的两种结构形式

分别为刚性动态平衡结构和柔性动态平衡结构。

(1)、该两种结构的共同特征在于：

横梁通过机架轴承安置在机架上，横梁的前端为驴头，后端连接尾梁平衡重容器，在横梁上连接一组或多组通过连接件对称设置在机架左右两侧的摆臂机构，摆臂机构的下端连接吊重装置，在摆臂机构与横梁共同形成T字形或三角形及其它多边形稳固游梁结构的同时，摆臂机构与吊重装置也组合为了用于接受驱动动力和平衡负荷的吊摆装置。吊重容器可以是实体，也可以是能够任意添、减吊重物重量的腔体或外设阁挡的支架体。如果吊重容器承担动力传递的作用，则该吊重容器的底面形状应呈以机架轴承为圆心、以机架轴承至其下端的距离为半径的圆弧断面状；如果吊重容器不具有动力传递的功能，则其形状、数量以及与吊重主臂的结合部位和结合形式不受任何限制。吊重容器可上设吊重主臂与摆臂相连也可无须吊重主臂直接与摆臂机构连接。

(2)、刚性动态平衡结构的特征在于：

尾梁平衡重容器有四种基本形式：其一为尾梁平衡重容器上偏于横梁，其结构如图1、图2、图3、图5、图6所示；其二为在横梁后端配置一个在抽油机正常运行时能使悬挂其上的平衡重发生前后位移的异型驴头，如图4所示；其三为在横梁后端连接一个位置固定的平衡重或悬挂有平衡重的常规驴头，如图7、图8所示；其四为直接采用吊摆装置替代尾梁平衡重容器。另外可根据现场需要决定是否在横梁上加装一套能在其中部至尾部区间运动的尾梁平衡重容器，该动态尾梁平衡重容器可以是机械滑动装置，也可以是流体容器装置；机械滑动装置其构造为在机架上铰链一组双连杆与滑动平衡重相连；流体容器装置外形呈长状体、内壁呈两端大中间小形状，流体可以是液体也可以是球状或颗粒、粉末状的固体并方便随时从容器中添加或取出。

(3)、柔性动态平衡结构的特征在于：

柔性绳带的一端与驴头悬挂绳相连，另一端越过驴头顶部，途经固定在横梁中部的定向轮和固定在横梁尾部的换向轮与铰链在横梁尾部的下吊尾梁平衡重容器连接，形成柔性负荷悬挂装置，如图9所示。用于连接驴头悬挂绳与下偏尾梁平衡重容器的绳带为承重力、耐磨性极强的橡胶钢丝带或凡能达到类似功能的柔性物。其驴头的顶部应呈与常规驴头大弧面平滑相切的小弧面形状，且所有与柔性负荷悬挂装置能发生接触的驴头弧面侧须安装能够确保悬挂装置上下顺畅滑动的轴承或类似部件；原来设置在常规驴头上部用于固定悬挂绳的卡件的承载能力与凸出驴头弧面的高度至少须再提高两倍以上。下偏平衡臂铰接轴承既可以与换向轮同轴，也可以与换向轮为非同轴。

2、多种类别的动力驱动方式与相对应的电气控制手段

本发明所述的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，可采用包括开关磁阻调速电机、直线电机、适用于常规游梁式抽油机的动力驱动传动系统、可换向可调速的类似驱动系统在内的多种不同类型的电动机进行动力驱动与电气控制。

(1)、其共同特征在于：

每个类别的动力驱动方式与相对应的电气控制手段皆适合于对本发明所述的两种机械结构形式的任何一种抽油机进行独立动力驱动与电气控制。都是通过对摆臂或与摆臂相连接的吊重装置进行驱动，使其产生往复摆动从而带动抽油机正常运行的。控制系统采用微型控制器控制技术和模块化结构，预留信号输入接口和信号输出接口包括：抽油杆载荷传感器接口、位移传感器接口、压力传感器接口、电机电压传感器接口与电机电流传感器接口、远程监控接口，控制器件包括：换向控制开关、限位控制开关、电机调速器，通过借助于控制系统中的硬件和软件，可以准确的计算出抽油机及油井的示功图、憋压曲线、产液量、动液面线、电流图、系统效率、泵的工作状况、抽油机的平衡状况等，并以此为依据，自动调整抽油机的工作状态。

(2)、采用开关磁阻调速电机或直线电机进行动力驱动与电气控制的相同特征在于：

抽油机由静止状态开始启动时，可通过程序设定实现电机在驱动吊摆装置做往复摆动过程中的摆幅由小渐大，直至达到预设的正常摆幅。能够无级调整抽汲参数与抽油机的冲次、冲程，可以实现抽油机上快下慢、上慢下快、上下同速和换向时停滞间抽四种运动模式

(3)、采用开关磁阻调速电机或可换向可调速的类似驱动系统进行动力驱动与电气控制的相同特征在于：

动力传动轮可以与电机同轴，也可以通过传动装置与电机连接获得动力。动力传动轮与悬挂在其上的吊重装置的圆弧底面相切或啮合。该相切的两个圆弧面或至少其中的一个圆弧面上应粘连有表面平整且耐磨力极强的弹性物。该相啮的两个圆弧面上应皆有互为啮合的啮齿，啮齿既可以在两个圆弧面上直接加工成型，也可以通过在两个圆弧面上固定耐磨性强的啮齿同步带来得以实现。

(4)、采用直线电机进行动力驱动与电气控制的特征在于：

将直线电机的定子通过底座固定在吊重装置靠近圆弧底面的内侧或下侧，将吊重装置做为直线电机的动子。

(5)、采用适用于常规游梁式抽油机的动力驱动传动系统进行动力驱动与电气控制的特征在于：

将推拉对象由原来的横梁改为现在的吊摆装置，将推拉方向由原来的上下方向改为目前的前后方向，除此以外，其它仍沿袭常规游梁式抽油机原有的动力驱动方式与电气控制手段。加装变频器后能对抽油机的冲次做适当的调整。

(6)、采用可换向可调速的类似驱动系统进行动力驱动与电气控制的特征在于：

能够对抽油机的冲次做适当的调整，可以实现抽油机上快下慢、上慢下快、上下同速和换向时停滞间抽的运动模式。

本发明凡具有明显特征功能和作用的装置或部件，在不影响系统正常运行与效果的前提下，既可以增添或减少，也可以互为替用和相互组合，不受本发明说明书缺述以及附图所示的具体形状结构的限制。

如图1、图2所示，本发明所涉及的动力驱动源以采用开关磁阻调速电机或直线电机为最佳方案，该两种动力驱动形式取消了减速器、四连杆机构、游梁等大重量部件，而减少了动力传递中的功率损失，提高了生产效率，降低了制造成本，维护费用低，大大节约了电能，匀速行程长，可控性能好。

如图3、图4所示，在一些使用开关磁阻调速电机、直线电机不便的现场或对老设备进行技改并希望使陈旧设备能够有效利用的状况下，可采用常规游梁式抽油机的动力驱动装置或可换向可调速的类似驱动系统进行动力驱动。

如图4所示，本发明所涉及的刚性动态平衡结构设备在油井地貌环境复杂、不宜配备上偏尾梁的场所，可采取在横梁的末端配置一台能使后梁的悬挂重随着横梁的上下摆动而发生前后位移的异型驴头，从而起到变矩的作用。

如图4所示，在一些原油稠度大的油区，为防止电机烧毁，可考虑采用传动带给设备间接传递动力。

如图5所示，使用增程驴头替代常规驴头主要是为满足油田开发后期在油井注水量骤增时的长冲程抽汲需要。

所图6所示，摆臂机构与吊重装置可以发生形状与所处位置的变化。

所图7所示，设备可采用一组摆臂机构，其横梁后端可直接连接一个位置固定的平衡重。

所图8所示，摆臂机构可以无须吊重主臂而直接与吊重容器相连，并与横梁可以组成三角形、四边形或其它多边形游梁结构；横梁的后端连接一个悬挂有平衡重的常规驴头。

所图9所示，为本发明柔性动态平衡结构的示意图，用于连接尾梁平衡主臂与横梁间的下偏平衡臂铰接轴承应确保下偏尾梁平衡重容器通过柔性绳带在接受来自驴头悬挂绳的拉力后，能够根据拉力大小的变化实现下偏平衡装置的末端以下偏平衡臂铰接轴承为支点的上下运动。

图10为本发明电气控制框图。

下面结合附图对本发明所涉及的各主要部件的结构与功能、设备的工作过程、系统的可靠性与平衡手段、节能增效途径与实现方式等方面的实施方式做进一步的描述：

1、各主要部件的结构与功能

(1)、摆臂机构：如前所述，摆臂数量若为一组，将在横梁10与机架轴承17相交处的横梁左右两侧进行连接，如图7所示；摆臂数量若为两组，在横梁10上通过前摆臂轴承9与后摆臂铰链轴承5，分别铰链前摆臂8和后摆臂4，通过连接件对称设置在机架18左右两侧组成横断面为∏状的摆臂机构，其下端通过吊臂连接板3经与吊重主臂2及吊重容器1连接，两组摆臂左右可同时与横梁10组成三角形游梁或其它多边形的坚固游梁结构，摆臂机构与吊重装置组合为用于接受驱动动力和平衡负荷的吊摆装置。

(2)、吊重装置：它一般由四个部件组成，包括：吊重容器1、吊重物6、吊重主臂2和吊重副臂7。其中如果吊重容器1作为动力从动轮，则其底面形状应呈以机架轴承17为圆心、以机架轴承17至其底端的距离为半径的圆弧断面状，承担从动轮和平衡负荷的作用；如果吊重容器1不承担动力从动轮的功能，如图3所示，则其形状、数量以及与吊重主臂2的结合部位不受任何限制。在吊重容器1的上端设置有可以方便随时添加或减少吊重物6的盖门等类似机关。吊重主臂2与吊重副臂7可以根据需要直接省去，如图8所示。

(3)、尾梁平衡重容器：其由三个部件组成，包括尾梁平衡主臂13、尾梁平衡重容器14、尾梁平衡重15。如果为刚性动态平衡结构，且横梁10与尾梁平衡主臂13互为独立，如图1、图2、图3、图5、图6所示，则尾梁平衡重容器将整体高于横梁10呈上偏尾梁状；当横梁10能够完全替代尾梁平衡主臂13所起的作用时，如图4、图7、图8所示，用尾梁驴头38悬挂尾梁平衡重或用横梁后端连接的平衡重进行尾梁平衡也不失为是一种平衡负载的选择。如果为柔性动态平衡结构，如图9所示，则尾梁平衡主臂13与横梁10将通过尾梁平衡臂铰接轴承35连接，受驴头悬挂绳12及柔性绳带31和重力的共同作用呈下偏状态。尾梁平衡重容器的重量将通过调节尾梁平衡重15在尾梁平衡重容器14中的装入量而实现。

(4)、上置移动流体式平衡重装置：其分为机械滑动装置与流体容器装置两种形式。如图5、图6所示，机械滑动装置其构造为在机架18上铰链一组滑动平衡重双连杆22与机械式滑动平衡重21相连。如图1、图2、图3、图4、图7、图8所示，流体容器装置20为长方形或便于延横梁10前后方向设置的长状体，该容器的内壁只所以被设计为两端大中间小的形状，主要是为防止其中的流体在参与力矩调节过程中由于受重力的作用，会对系统的正常运行造成不稳定冲击。

(5)、柔性负荷悬挂装置：如图9所示，驴头悬挂绳12与柔性绳带31越过驴头11顶部，途经定向轮32和换向轮33与通过下偏平衡臂铰接轴承35铰链在横梁尾部的尾梁平衡重容器14连接，形成柔性负荷悬挂装置，且所有与悬挂装置能发生接触的驴头弧面侧，应全部安装能够确保悬挂装置上下顺畅的滑动件34。

(6)、增程驴头机构：该机构的构造是采用旋转轴承23与横梁10连接，并在驴头11与机架18之间铰链一组偏心连杆24。在抽油机工作中能够相对横梁10做旋转运动，以此来满足油田开发后期在油井注水量骤增时的长冲程抽汲需要。

(7)、动力驱动与控制系统：动力驱动形式多样，控制系统则采用微型控制器控制技术和模块化结构，通过借助于控制系统中的硬件和软件，可以准确的计算出抽油机及油井的示功图、憋压曲线、产液量、动液面线、电流图、系统效率、泵的工作状况、抽油机的平衡状况等，并以此为依据，自动调整抽油机的工作状态以及根据井泵内的油量的充满度判断抽油机是否需要间歇工作，能对卡井、失载等突发性故障做出停机反应，对无法实现自动调整的异常情况能够做出报警提示。

2、本发明的工作过程为：

动力驱动系统通过驱动吊重装置或摆臂机构延着机架轴承为圆心做前、后往复摆动，以此实现游梁式抽油机的抽汲运行。

(1)、刚性动态平衡结构的工作过程

当吊摆装置向后到达最大偏移点时，驴头下行至下行限点，而此时由于受重力的作用，上置移动流体式平衡重装置的平衡重已完成了由横梁尾部向横梁中部运动的全过程，从而暂时退出了对系统力矩的调节，系统力矩的调节将由吊摆装置与尾梁平衡重容器共同完成。在控制方面，如采用开关磁阻调速电机或直线电机进行动力驱动与电气控制，还可根据系统事先设置的程序决定是否在该点位停滞以及停滞所需的时间长短，以便于提高液体入泵的充盈度，进而提高单次汲油量。

当吊摆装置由后最大偏移点开始做反向移动时，驴头带动悬挂装置上行，开始抽油过程，此时抽油机的负荷加大，与此同时吊摆装置的势能开始发挥作用，即使吊摆装置向前越过其重心点后，受惯性的作用其势能依然能够发挥作用。当吊摆装置向前继续移动带动驴头高过水平线继续向上摆动时，受重力的作用，上置移动流体式平衡重装置的平衡重开始由横梁中部向横梁尾部运动，并与尾梁平衡重容器、吊重装置及摆臂机构一起参与系统力矩的调节，同时吊重装置重心偏移开始积蓄势能。在控制方面，如采用开关磁阻调速电机或直线电机进行动力驱动与电气控制，还可根据系统事先设置的程序对冲次、冲程与运动模式进行动态调整。

当吊摆装置向前到达最大偏移点时，驴头上行至上行限点，抽油过程结束，且上置移动流体式平衡重装置的平衡重业已完成了由横梁中部向横梁尾部运动的全过程，系统力矩的调节将由动态平衡重、尾梁平衡重容器与吊摆装置共同完成。在控制方面，如采用开关磁阻调速电机或直线电机进行动力驱动与电气控制，还可根据系统事先设置的程序决定是否在该点位停滞以及停滞所需的时间长短，以便于存在泵内的液体泻淌干净，进而提高单次汲油的有效效率。

当吊摆装置由前最大偏移点开始做反向移动时，受悬挂装置牵引与吊摆装置势能的共同作用，驴头下行，抽油机的负荷降低，此时上置移动流体式平衡重装置的平衡重与尾梁平衡重容器用于减缓悬挂装置下坠的加速度。吊摆装置即使向前越过其重心点后，受惯性的作用其势能依然能够发挥作用，当吊摆装置重心偏移在抑制悬挂装置下坠的加速度的同时开始积蓄势能。当吊摆装置前移带动驴头低过水平线向下摆动时，受重力的作用，上置移动流体式平衡重装置的平衡重开始由横梁尾部向横梁中部运动，逐渐减少对系统力矩的调节直至驴头下行到下行限点完成一个周期的运行失去其调节作用。在控制方面，如采用开关磁阻调速电机或直线电机进行动力驱动与电气控制，还可根据系统事先设置的程序对冲次、冲程与运动模式进行动态调整。

(2)、柔性动态平衡结构的工作过程

柔性动态平衡结构的抽油机与刚性动态平衡结构的抽油机在完成一个周期的运动过程中，其原理既有相同点，也有不同差异点。

其相同点在于：吊摆装置的功能与作用、运行轨迹以及通过其传递动力的方式相同；对前述刚性动态平衡结构的所有动力驱动方式与控制设置程序都能够在该机构中投入运用。

其不同点在于：去掉了刚性动态平衡结构搭载在横梁上侧的动态平衡装置，而采用将驴头吊挂绳与尾梁平衡重容器通过柔性绳带直接相连的方式进行力矩同步调节，以此实现系统的动态平衡。具体的说就是当来自于驴头吊挂绳的负荷较大时，绳带加在尾梁平衡重容器的力量就会同步增加，并在杠杆的作用下，尾梁平衡重容器就会以下偏平衡臂铰接轴承为支点向上被提升，从而增大了力矩；反之亦然，当来自于吊挂装置的负荷较小时，绳带加在尾梁平衡重容器的力量就会同步减小，并在重力的作用下，尾梁平衡重容器就会以下偏平衡臂铰接轴承为支点向下被降低，从而减小了力矩。需要特别强调的是：负荷的变化会使柔性绳带在调整尾梁平衡重容器高低的同时，带动整个吊挂装置产生小距离的位移，而该种位移正好可以起到稳定吊挂装置运行速度的作用。

3、系统的可靠性与平衡手段

(1)、当摆臂机构为两组或两组以上时，其稳定的三角形或多边形游梁结构较单游梁受力增加数倍，其与吊重装置连接共同组成用于接受驱动动力和平衡负荷的吊摆装置。该装置的平衡作用只所以异常显著，在于其在进行正常的前后往复运动中，其摆幅夹角不大，其极限夹角一般为90度左右，而90度夹角对一个需要做往复摆动的吊摆装置而言，正是积蓄、储存、释放势能的最佳临界夹角。

(2)、本发明在设计刚性平衡结构时，只所以将横梁10与尾梁平衡主臂13互为独立前提下的尾梁平衡重容器呈上偏尾梁状，如图1、图2、图3、图5、图6所示，是基于三个方面的考虑：一是该种结构简单，二是较采用其它结构形式稳固，三是能够根据本系统的工作形态很好的与吊摆装置互为补充平衡负荷变化的力矩，使抽油杆在上下往复一个周期的过程中，经与吊摆装置的势能力矩相叠加，使从动扭矩不会忽高忽低的出现过大的峰值或谷值。如图4所示，其实在横梁10后端配置一个在抽油机正常运行时能使悬挂在其上的尾梁平衡重容器14发生前后位移的异性驴头38也是另一种动态变矩的有效手段，只是为防止尾梁平衡重容器14在设备运行过程中受风吹影响出现摇摆，则需要在底座19的末端固定一个设有滑动轮轨道的平衡重位移托架39。而在横梁后端直接连接一个平衡重或连接一个悬挂有平衡重的常规驴头的方式相对前述两种方式而言，如图7、图8所示，其平衡效果会稍低一些。

(3)、对抽油机而言平衡是相对的，不平衡是绝对的。相对于吊摆装置与上偏平衡尾梁对系统的平衡效果而言，上置移动流体式平衡重装置的作用只有在将前两者与悬挂负荷的静平衡调节得当的前提下所发挥的功效才能趋于最大，真正起到“四两拨千斤”的效果，因此合理巧妙的利用它将是刚性动态平衡结构的抽油机其平衡效果高低的重要环节。

(4)、柔性动态平衡结构的平衡则是采用力矩同步调节的方式，当来自于驴头吊挂绳12的负荷增大时，柔性绳带31就会对尾梁平衡重容器14同步增加拉力，并在杠杆的作用下，尾梁平衡重容器14就会被向上提升，以此增大作用力矩；当来自于吊挂装置12的负荷减小时，绳带31加在尾梁平衡重容器14的力量就会同步减小，受重力的作用尾梁平衡重容器14就会下落，从而减小了作用力矩。为防止吊挂装置在接受力矩的动态调节过程中，由于产生小距离的上下位移而使系统的冲程发生波动，如图8所示，本发明将采用位移传感器经微型控制器处理，通过调节吊摆装置的前后摆幅及时对冲程的增加或损失量进行减少与补偿。为防止柔性绳带31发生断裂导致驴头悬挂绳12失重下坠有可能对井泵产生撞击，本发明特意将原来设置在常规驴头上部用于固定悬挂绳的卡件36的承载能力与凸出驴头弧面的高度至少须提高两倍以上，从而使得位于卡件36上端的∩形状驴头悬挂绳12在失重下坠过程中很容易被卡件36及时钩挂住。

4、节能增效途径与实现方式

(1)、在机械结构方面：采用刚柔不同两种平衡结构，通过尾梁平衡、吊重平衡、滑动平衡三种手段进行复合平衡，尤其是尾梁平衡重容器与吊重平衡装置之间交替配合，堪称相得益彰，这使其它所有类型的抽油机所不曾有的。当驴头行至下限点开始上行时，吊摆装置的势能最大，而尾梁平衡重容器相对来讲其力矩处于最小状态，这时主要以吊摆装置的势能为主对负载进行平衡；当吊摆装置越过其重心线继续前行，其势能便会逐步减弱，而此时尾梁平衡重容器的力臂将会由小趋大，这时平衡负载的重任将由吊摆装置逐渐移交给尾梁平衡重容器。当驴头行至上限点开始下行时，吊摆装置的势能依然最大，尾梁平衡重容器的主要职责是抑制负载下坠所带来的加速度；当吊摆装置越过其重心线继续后行，其势能便会逐步减弱，而此时尾梁平衡重容器的力臂也将会减小，这时抑制负载下坠所带来的加速度的重任将以吊摆装置为主完成。

(2)、在动力驱动方面：其一、采用开关磁阻调速电机、直线电机以及通过在交流电机上加装变速装置等手段对抽油机进行动力驱动，本身就较常规游梁式抽油机所使用的动力驱动系统节能，其二采用开关磁阻调速电机、直线电机可以省却减速器、四连杆机构、游梁等大重量部件，从而减少了动力传递中的功率损失。其三、通过对摆幅由小渐大可实现系统的软启动，以此减少电网冲击。

(3)、在系统控制方面：当采用开关磁阻调速电机、直线电机作为动力驱动装置时，可根据实采所需的参数，自动调整抽油机的冲次、冲程、是否需要间歇以及每个间歇期需要时间等工作状态以及上快下慢、上慢下快、上下同速、间歇抽油等运动模式，从而提高系统的整体抽汲效率和实现节能的目标。

综合上述，本发明所涉及的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，从省功的角度入手，博采众长，运用力学、运动学、流体学、电气学的经典原理，独辟溪径，着力于在高可靠性、高性价比、高适应性、高节能率和高单次抽取量上下工夫。具有设计新颖、结构简单、结实耐用、平衡程度好、系统效率高、制造与运行维护成本低、设备吊运安装简便、且节能效果十分显著等优点。

Claims (6)

1.一种吊摆式动态平衡增效节能抽油机，包括机架（18）、动力驱动与电气控制系统，其特征在于：横梁（10）通过机架轴承（17）安置在机架（18）上，横梁（10）的前端为驴头（11），后端连接尾梁平衡重容器，在横梁（10）上连接一组或多组通过连接件对称设置在机架（18）左右两侧的摆臂机构，摆臂机构的下端连接吊重装置，摆臂机构与横梁（10）共同形成稳固的游梁结构，摆臂机构与吊重装置组合为用于接受驱动动力和平衡负荷的吊摆装置；

吊重容器（1）为实体、腔体或外设隔挡的支架体；吊重容器（1）为动力从动轮，吊重容器（1）的底面形状呈以机架轴承（17）为圆心、以机架轴承（17）至其底端的距离为半径的圆弧断面状；

横梁（10）为直梁结构，或折梁结构，或三角形结构；

尾梁平衡重容器整体高于横梁（10）呈上偏尾梁状；或为在横梁（10）后端配置一个在抽油机正常运行时能使悬挂其上的平衡重发生前后位移的异型驴头；或为在横梁（10）后端连接一个位置固定的平衡重或悬挂有平衡重的常规驴头；或为在横梁（10）尾部铰链一套下偏尾梁平衡重容器；或为采用吊摆装置直接替代尾梁平衡重容器；

驴头（11）的悬挂绳（12）与柔性绳带（31）相连，并越过驴头（11）顶部，途经固定在横梁中部的定向轮（32）和固定在横梁尾部的换向轮（33）与铰链在横梁尾部的下偏尾梁平衡重容器连接，形成柔性负荷悬挂装置；驴头（11）顶部呈与常规驴头大弧面平滑相切的小弧面形状，且所有与悬挂装置能发生接触的驴头（11）弧面侧，均安装能够确保悬挂装置上下顺畅滑动的驴头弧面滑动件（34）；设置在驴头（11）上部的驴头悬挂绳卡件（36）凸出驴头弧面；尾梁平衡主臂（13）与横梁（10）间相铰的尾梁平衡臂铰接轴承（35）固定在横梁末端，或与换向轮（33）同轴。

2.根据权利要求1所述的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其特征在于：在横梁（10）上设置有流体式平衡重装置（20），流体式平衡重装置（20）为长状体容器，容器的内壁呈两端大中间小的形状，流体为液体或球状、颗粒、粉末状的固体；或在机架（18）上铰链一组机械式滑动平衡重连杆（22）与设于横梁（10）上的机械式滑动平衡重（21）相连。

3.根据权利要求2所述的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其特征在于：动力驱动与电气控制系统包括开关磁阻调速电机、直线电机、适用于常规游梁式抽油机的动力驱动传动系统、可换向可调速的驱动系统，均通过对吊摆装置进行驱动，使其产生往复摆动从而带动抽油机正常运行。

4.根据权利要求3所述的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其特征在于：动力传动轮与吊重容器（1）的圆弧底面相切或啮合，该相切的两个圆弧面或至少其中的一个圆弧面上粘连有表面平整且耐磨力极强的弹性物；而该相啮的两个圆弧面上均有互为啮合的啮齿，啮齿直接设置在两个圆弧面上，或通过在两个圆弧面上固定耐磨性强的啮齿同步带；动力传动轮与电机同轴，或通过传动带与电机连接。

5.根据权利要求4所述的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其特征在于：电气控制系统采用单片机或PLC控制技术和模块化结构。

6.根据权利5所述的吊摆式动态平衡增效节能抽油机，其特征在于：驴头（11）为常规式驴头或增程式驴头。

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