CN102052062A - 一种节能型塔架式抽油装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油开采的节能型塔架式抽油装置，设于塔架上的曳引机通过传动机构与抽油杆、配重块联动，所述的传动机构包括与曳引机相连的曳引轮、设于塔架上的第一组合导轮、第二组合导轮，所述第一组合导轮由同轴的第一大导轮、第一小导轮组成，所述第二组合导轮由同轴的第二大导轮、第二小导轮组成，在曳引轮和第一、第二大导轮之间、第一小导轮与抽油杆之间、第二小导轮与配重块之间设置牵引绳，牵引绳分别固定并层叠地卷绕在曳引轮与第一、第二组合导轮上。本发明采用两组卷绕半径可变的组合导轮，避免了曳引机在上升行程时做无用功，真正实现抽油装置的节能；并且卷扬方式的传动机构避免了牵引绳的打滑。

Description

一种节能型塔架式抽油装置

 

技术领域

本发明涉及一种石油开采设备，尤其是涉及一种塔架式的抽油机。

 

背景技术

目前，在石油开采技术领域，塔架式抽油机得到了广泛的应用，其常见的结构如下：曳引机（电机）通过减速机构减速后带动曳引轮转动，曳引轮上绕设有牵引绳，牵引绳两端分别连接抽油杆和配重块。曳引机的转动经过减速机构减速增扭后带动曳引轮转动，从而通过绕设在曳引轮上的牵引绳带动抽油杆上升以完成抽油，配重块将储存的势能释放用于辅助提升抽油杆，以减小曳引机的启动扭矩，当抽油杆到达行程上限时，控制机构控制曳引机反向转动，此时抽油杆下降，配重块上升，曳引机对配重块做功以储存势能。如此上下循环动作，抽油杆即完成持续抽油。

减速机构通常采用的是皮带传动和齿轮减速箱，由于齿轮减速箱的体积较大，其制造难度大，成本高，而且减速箱在运转时会产生较大的噪音，其平时的维护保养工作量大，不便于维修。而皮带传动容易打滑，从而造成曳引轮的制动失灵并发生安全事故。此外，抽油杆在上升和下降行程中，其所需牵引力包括抽油杆的重量、油的重量和整个传动机构的摩擦力，因为油的重量是逐步减轻的，而摩擦力与抽油杆的运动方向相反，因此，用于抽油杆端的牵引力（悬点载荷）会在上冲程刚起动时的最大值Fmax与下冲程到达下限时的最小值Fmin之间线性变化，而为了尽量减小曳引机的最大扭矩，通常将配重块的重量W即配重块的牵引力设置在上述最大值和最小值的平均值，即W=(Fmax+Fmin)/2，进而降低曳引机的功率和规格，有利于降低成本。由于配重块所产生的牵引力是恒定不变的，曳引机在提升抽油杆的上冲程中，刚起步时，配重块所提供的牵引力小于抽油杆端所需的牵引力，此时曳引机对抽油杆作正功，起牵引提升作用；当抽油杆逐步上升，其所需牵引力（悬点载荷）逐步减小，配重块所产生的牵引力大于抽油杆端所需的牵引力时，曳引机开始做无用功，也就是说，曳引机起到一个阻力和刹车的作用，以使配重块所产生的牵引力和抽油杆端所需的牵引力之间保持平衡，从而降低了曳引机的工作效率。进一步地，连接配重块和抽油杆的牵引绳是绕设在曳引轮上的，因此，当配重块所产生的牵引力和抽油杆端所需的牵引力（悬点载荷）不平衡时，牵引绳与曳引轮之间容易出现打滑现象，并且，曳引机是通过皮带传动与曳引轮连接的，因此当皮带长期使用后也容易出现打滑现象，从而影响安全生产。

一种在中国专利文献上公开的“超低能耗塔吊式抽油机”，其公告号为CN2908774Y，在与井口对应的支架上端固定有异径连接为一体的大小滑轮，大滑轮下支架上端固定有定滑轮组，大滑轮上缠绕有游绳，游绳一端分别通过定滑轮组及动滑轮组后固定在定滑轮组上，动滑轮组与抽油杆相连，游绳的另一端连接有配重块，大小滑轮的左侧固定有电机，电机上的皮带轮通过皮带与小滑轮相连。该塔吊式抽油机通过一组滑轮机构降低游绳的牵引力，从而降低电机的启动功率，但其存在下列问题：1.滑轮组起到了减速箱的减速作用，但其配重块所产生的牵引力也是不变的，因此仍然无法解决在抽油杆在上冲程中电机做无用功的问题，从而降低了电机的效率，增加能耗。2.抽油杆悬挂在动滑轮组上，因此容易出现晃动，进而影响抽油杆行程的稳定，不利于抽油机工作时的安全。3.游绳和皮带容易打滑，进而降低其安全性和传动效率。4.滑轮组使配重块的行程成倍增加，从而使塔架过高或抽油杆的冲程过低。

 

发明内容

本发明是为了解决现有技术的塔架式抽油机所存在的电机效率低、整机的结构复杂、使用维护成本高以及安全性差的问题，提供一种电机效率高、结构简单、安全性好以及成本低的塔架式抽油装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种节能型塔架式抽油装置，包括塔架、固定在塔架上的曳引机，曳引机通过传动机构与抽油杆、配重块联动，所述的传动机构为卷扬式结构，其包括与曳引机相连的曳引轮、设于塔架上的第一组合导轮、第二组合导轮，所述第一组合导轮由同轴的第一大导轮、第一小导轮组成，所述第二组合导轮由同轴的第二大导轮、第二小导轮组成，在曳引轮与第一、第二大导轮之间分别设有传动用的牵引绳，并且在第一小导轮与抽油杆之间、第二小导轮与配重块之间分别设有牵引用的牵引绳，设置在曳引轮和第一、第二大导轮之间的牵引绳两端分别固定并层叠地卷绕在曳引轮与第一、第二大导轮上；设置在第一小导轮与抽油杆之间的牵引绳一端固定并层叠地卷绕在第一小导轮上，另一端与抽油杆连接；设置在第二小导轮与配重块之间的牵引绳一端固定并层叠地卷绕在第二小导轮上，另一端与配重块连接。现有的塔架式抽油机的传动机构有很多种，其基本的思路都是通过减速箱、滑轮组等省力装置增大对抽油杆的起吊力，以降低曳引机（电机）的输出扭矩，进而降低曳引机的功率以达到节能的目的。然而，由物理学的省力不省功原理可知，其节能作用并不明显，真正的作用在于降低曳引机的功率和成本，而上述传动机构由于配重块所产生的牵引力是恒定的，因此始终无法解决曳引机在抽油杆的上冲程中做无用功的问题。本发明的传动机构采用的是卷扬方式，牵引绳是层叠地卷绕在第一、第二大导轮、第一、第二小导轮以及曳引轮上的，并且牵引绳的卷绕半径在转动时是不断变化的，因此由配重块所产生的对抽油杆端的牵引力也在不断改变。曳引机的转动首先通过第一、第二大导轮进行减速，以降低曳引机的功率，并且其结构简单方便制造，运转时无需润滑，且噪音低；同时，当曳引机转动带动抽油杆上升时，第二小导轮上的牵引绳的卷绕半径逐步减小，而第二大导轮上牵引绳的卷绕半径是逐步增加的，第二大导轮上的牵引绳在曳引轮上的卷绕半径则是逐步减小的，因此配重块通过第二组合导轮传递到曳引轮上的牵引力是逐步减小的；与此同理，卷绕在第一小导轮上的牵引绳的卷绕半径逐步增加，而第一大导轮上牵引绳的卷绕半径是逐步减小的，第一大导轮上的牵引绳在曳引轮上的卷绕半径则是逐步增加的，因此，配重块所产生的牵引力在经过第一组合导轮后进一步减小。这样，抽油杆在其上冲程中，虽然其所需的牵引力逐步减小，但是，由于配重块所产生的对抽油杆的牵引力也相应地减小，从而可有效避免因配重块产生的牵引力大于抽油杆所需的牵引力而造成曳引机做无用功，通过分别调整第一、第二大导轮、第一、第二小导轮以及曳引轮的直径，可方便地实现抽油杆在到达上冲程的上限位置时，抽油杆端所需的牵引力与配重块产生的牵引力基本相等，从而彻底解决曳引机做无用功的问题，有效地提高曳引机的工作效率，并且曳引机反向转动时的启动负载可基本为零，从而有利于曳引机的反向启动。进一步地，本发明中的牵引绳均是采用卷扬的方式层叠地卷绕在各大、小导轮和曳引轮上的，其端部分别固定在各大、小导轮和曳引轮上，从而可彻底避免牵引绳与各大、小导轮和曳引轮之间的打滑现象，保证了抽油装置运转时的安全性，有利于提高动力传递效率，并且无需人工调整牵引绳预紧力，从而有利于简化安装程序。

作为优选，所述第一组合导轮、第二组合导轮分别设于曳引轮的两侧。从而有利于曳引轮受力的平衡，提高曳引轮运行时的稳定性，并有利于延长其使用寿命。进一步地，卷绕在曳引轮和第一、第二大导轮之间的钢带无需预紧，从而方便安装使用。

作为优选，所述牵引绳采用扁平的复合钢带。复合钢带的抗拉强度高，使用寿命长，无需润滑，并且扁平的钢带有利于其层叠地卷绕。

作为优选，所述曳引轮、大导轮、小导轮上分别设有用于卷绕牵引绳的U形导槽，并在U形导槽的开口边缘设有导向的倒角。U形导槽在牵引绳的层叠卷绕时具有导向和定位作用，可避免牵引绳在卷绕时的塌落，从而确保其卷绕半径呈线性变化。而设置在U形导槽的开口边缘上的倒角在牵引绳卷绕时具有导向作用，使牵引绳顺利地卷绕。

作为优选，在塔架上靠近第一组合导轮的外侧设有导向轮，第一小导轮上的牵引绳绕过导向轮与抽油杆连接，导向轮的轴承座与塔架可移动连接。通过导向轮位置的调整，便于调整牵引绳与抽油杆的同轴度。

作为优选，所述的曳引轮上设有电磁制动器以及插销式自锁机构。当抽油装置停止运行或需要维修时，除了通过电磁制动器制动曳引轮外，还可用插销式自锁机构将曳引轮锁止，从而可确保锁止的可靠性，避免单纯依靠曳引机的电磁制动器进行锁止可能出现的安全隐患。

作为优选，所述塔架上设有配重块的垂直导向机构，从而可避免配重块与塔架的碰撞，确保配重块的平稳升降。

 

因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过两组卷绕半径可变的组合导轮，在不增加曳引机功率的前提下，避免了曳引机在上升行程时做无用功，有效地提高了曳引机的效率，真正实现抽油装置的节能；（2）卷扬方式的传动机构避免了牵引绳的打滑，提高了安全性和动力传递效率；（3）结构简单，制造成本低，使用和维护方便。（4）无需人工调整牵引绳预紧力。

 

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中A部的放大图；

图4是图2中B部的放大图；

图5是本发明中第二组合导轮的轴向的局部剖视图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

在如图1、图2所示的实施例中，本发明的一种节能型塔架式抽油装置，包括塔架1、曳引机2、传动机构、抽油杆3、配重块4和控制箱5，曳引机水平地设置在塔架上部平台的中间位置，传动机构包括与曳引机同轴连接的曳引轮6，在曳引轮的左右两侧分别平行设置与塔架固定连接的第一组合导轮7、第二组合导轮8，第一组合导轮包括固定于同一转动轴上的第一大导轮71、第一小导轮72，其中的第一小导轮设于转动轴的中间，第一大导轮由相同的两片大导轮片711构成，其对称地设于第一小导轮的两侧；第二组合导轮同样由固定于同一转动轴上的第二大导轮81、第二小导轮82组成，其中的第二大导轮设于传动轴的中间，第二小导轮由相同的两片小导轮片821构成，其对称地设于第二大导轮的两侧。在塔架上靠近第一组合导轮的最外侧设置有导向轮9，导向轮的轴承座与塔架之间通过导轨滑动连接，同时在轴承座的一侧可转动连接一水平的调节杆91，调节杆的另一端设有螺纹，并且在塔架上设置与调节杆连接的调节螺母92，由于调节螺母是固定的，因此，通过转动调节杆，即可实现调节杆的水平移动，从而带动导向轮的水平移动。在圆柱形的曳引轮的圆柱面上并排设置四个用于卷绕牵引绳的U形导槽10，其中两个设于曳引轮中间的U形导槽用于卷绕连接第二大导轮的牵引绳11，而对称地设于曳引轮两侧的两个U形导槽则用于卷绕连接第一大导轮的牵引绳。与此相对应地，在第二大导轮上并排设置两个U形导槽，第二小导轮的两片小导轮片上也分别设置U形导槽；而在第一大导轮的两片导轮片上分别设置U形导槽，第一小导轮上则并排设置两个U形导槽，U形导槽的具体形状可参见附图4。在曳引轮与第一大导轮之间设有两条牵引绳以传递动力，两条牵引绳的一端分别固定并层叠地卷绕在第一大导轮两个大导轮片的U形导槽内，另一端则分别固定并层叠地卷绕在曳引轮上对应的两个外侧的U形导槽内；在曳引轮与第二大导轮之间同样设有两条牵引绳以传递动力，两条牵引绳的一端分别固定并层叠地卷绕在第二大导轮的两个U形导槽内，另一端则分别固定并层叠地卷绕在曳引轮上对应的两个中间的U形导槽内。另外，在第一小导轮与抽油杆之间、第二小导轮与配重块之间分别设有两条牵引用的牵引绳，设置在第一小导轮与抽油杆之间的两条牵引绳一端分别固定并层叠地卷绕在第一小导轮的两个U形导槽内，另一端绕过导向轮后与抽油杆连接；设置在第二小导轮与配重块之间的两条牵引绳一端分别固定并层叠地卷绕在第二小导轮两个小导轮片上的U形导槽内，另一端则与配重块连接。上述牵引绳可采用扁平的电梯用复合钢带，复合钢带不仅强度高，而且有利于在U形导槽内的层叠卷绕，而曳引轮和第一、第二大导轮之间、以及第一小导轮和抽油杆、第二小导轮和配重块之间分别设置两条牵引绳，既有利于确保牵引绳的强度，同时便于结构布置，使曳引轮转轴与第一、第二组合导轮的转轴受力均衡，以提高传动机构的机械强度。为了确保牵引绳在U形导槽内的平稳卷绕，可在U形导槽的开口边缘设置导向的倒角，以便使牵引绳能顺利地卷绕在U形导槽内。在曳引轮右侧，抽油杆通过牵引绳和第一组合导轮对曳引轮产生一个顺时针方向的扭矩；在曳引轮左侧，配重块通过牵引绳和第二组合导轮对曳引轮产生一个逆时针方向的扭矩。为了避免配重块升降时的摆动，可在塔架上设置如图3所示的垂直导向机构12，具体可在塔架上靠近配重块的两侧分别设置垂直的导向杆121，相应地，在配重块上设置滚轮122，滚轮与导向杆形成滑动连接，从而使配重块可沿导向杆平稳升降。当然，也可在塔架与配重块之间设置导轨，以实现稳定的升降。此外，在配重块的上、下限位置分别设置限位开关13，其通过控制箱5实现曳引机的正反转控制。

本发明的抽油装置在运转时的工作原理如下：

如图1所示，当抽油杆在抽油的上冲程时，曳引机和配重块同时提供牵引力使抽油杆上升，曳引机通过第一组合导轮、导向轮对抽油杆产生牵引作用，而配重块通过第二组合导轮、曳引轮、第一组合导轮、导向轮牵引抽油杆上升。抽油杆在上升行程中，由于其抽出的油的重量在逐步减轻，因此其所需的牵引力是逐步减小的，抽油杆在上冲程刚起步时所需的最大牵引力为Fmax，抽油杆在到达下冲程的下限位置时所需的最小牵引力为Fmin，我们可以设定在上冲程刚起步时，由配重块所产生的对抽油杆端的初始牵引力仍然为（Fmax+Fmin）/2，也就是最大、最小牵引力的平均值，从而确保曳引机的输出功率不会过大。曳引机带动曳引轮作逆时针转动，曳引轮通过钢带带动第一大导轮逆时针转动，与第一大导轮固定于同一转轴上的第一小导轮同步逆时针转动，并通过卷绕在第一小导轮上的钢带牵引抽油杆上升抽油，由于连接抽油杆和第一小导轮的钢带是绕设在一个可滑动的导向轮上的，因此通过调整导向轮的水平位置即可使钢带与抽油杆同轴，确保抽油杆平滑地升降。与此同时，曳引轮上与第二大导轮连接的钢带逐步释放，配重块通过钢带带动第二小导轮作逆时针转动，并带动与第二小导轮固定于同一轴上的第二大导轮同步逆时针转动，然后通过曳引轮将牵引扭矩传递到第一组合导轮上以牵引抽油杆上升。在抽油杆的逐步上升过程中，与配重块相连的第二小导轮上钢带逐步释放，因此其卷绕半径逐步减小，由于扭矩等于钢带的作用力与钢带卷绕半径的乘积，从而使配重块对第二小导轮产生的牵引扭矩也逐步呈线性递减，同时，第二大导轮上卷绕的钢带逐步增加，因此其卷绕半径也逐步增大，由于第二大、小导轮上的扭矩是大小相等的，因此，此时的第二大导轮对连接曳引轮的钢带的牵引力逐步减小，并且该钢带在曳引轮上的卷绕半径也是逐步减小的，因此对曳引轮的牵引扭矩进一步减小；进一步地，曳引轮上连接第一大导轮的钢带的卷绕半径逐步增大，而第一大导轮上钢带的卷绕半径是逐步减小的，因此，上述配重块所产生的扭矩在通过曳引轮和第一大导轮后传递到第一小导轮上的扭矩再一次地减小，而第一小导轮的卷绕半径是逐步增大的，因此上述扭矩在连接抽油杆的钢带上产生的牵引力变小，也就是说，配重块的牵引力在通过上述传动机构后最终传递到抽油杆上的牵引力是逐步减小的，从而与抽油杆所需牵引力逐步减小相对应，避免了现有的塔架式抽油装置中配重块对抽油杆的牵引力恒定不变的缺陷，通过合理地选择第一大、小导轮以及第二大、小导轮的直径和钢带厚度等参数，可方便地实现抽油杆在到达上冲程的上限位置时，配重块所产生的牵引力与抽油杆所需的牵引力基本相等，这样，不仅可确保曳引机在整个上冲程中不做无用功，同时可使曳引机在反向的下冲程中的启动负载基本为零，从而有利于提高曳引机的启动性能，减少过大的启动电流的冲击，延长曳引机的使用寿命。

当抽油杆到达上冲程的上限位置时，相应地，配重块到达其行程的下限位置，并与其下限位置的行程开关接触，控制器控制曳引机反向转动，抽油杆进入下降行程。此时，配重块变成负载，而抽油杆和曳引机所产生的牵引力共同牵引配重块使其上升蓄能。由于此时抽油杆的重量基本保持不变，而第一大、小导轮与第二大、小导轮以及曳引轮上钢带的卷绕半径的变化与前面抽油杆的上冲程时刚好相反，因此，配重块通过第二组合导轮传递到曳引轮上的扭矩逐步增大，抽油杆通过第一组合导轮传递到曳引轮上的扭矩则逐步减小，曳引机所产生的扭矩与抽油杆产生的扭矩共同用于提升配重块，因此曳引机对配重块作功，以便使配重块上升蓄能。当抽油杆到达其下冲程的下限位置时，配重块正好与其行程上限的行程开关接触，控制器控制曳引机反转，开始第二个抽油循环，如此不断循环重复即可实现连续抽油。

当本发明的抽油装置需要维护或停机较长时间，除了曳引机本身的电磁制动器对曳引轮进行锁止以外，我们可以在曳引轮上增设一个插销式自锁机构14，具体可在曳引轮的端面沿圆周均匀设置若干插销孔142，同时在曳引轮的轴承座上对应某个插销孔的位置设置头部带锥度的插销141，当需要自锁时，可将插销插入与其相对的插销孔内从而将曳引轮锁死，以确保装置的安全。

以上所述仅是本发明的一种典型结构，作为本领域的技术人员可以根据本发明的基本原理作出很多改变，例如：将其中的配重块换成抽油杆，即可实现两侧抽油；曳引机和曳引轮也可设置在塔架的下部；而用于减速的第一、第二组合导论根据需要可设计成二级甚至多级。另外，为了适应寒冷地区使用，我们可在传动机构上加装防护罩，利用曳引机、传动机构工作时产生的热量使复合钢带能工作在一个合适的温度，避免复合钢带表层的复合材料硬化，以延长其使用寿命；还有连接配重块与第二小导轮、抽油杆与第一小导轮的复合钢带也可用普通的钢丝绳代替，从而可简化防护罩的结构；进一步地，我们可在抽油杆和配重块的其中一侧或两侧同时增设一个滑轮组以减小曳引机的输出功率，减小配重块的升降行程。再进一步地，我们可将曳引轮与第一大导论连接方式改为钢带（或皮带）环形封闭形连接，这样，在抽油杆一侧遇到卡泵时，第一组合导轮上牵引绳打滑起到保护抽油泵的效果，而配重块一侧不打滑以保证作业安全，同时第二大导论对曳引轮的牵引力可作为第一大导论上牵引绳的预紧力，防止电机正反转动的变向瞬间产生的空行程和冲击现象，省去人工预紧。

Claims (10)

1.一种节能型塔架式抽油装置，包括塔架（1）、固定在塔架上的曳引机（2），曳引机通过传动机构与抽油杆（3）、配重块（4）联动，其特征是，所述的传动机构为卷扬式结构，其包括与曳引机相连的曳引轮（6）、设于塔架上的第一组合导轮（7）、第二组合导轮（8），所述第一组合导轮由同轴的第一大导轮（71）、第一小导轮（72）组成，所述第二组合导轮由同轴的第二大导轮（81）、第二小导轮（82）组成，在曳引轮与第一、第二大导轮之间分别设有传动用的牵引绳（11），并且在第一小导轮与抽油杆之间、第二小导轮与配重块之间分别设有牵引用的牵引绳，设置在曳引轮和第一、第二大导轮之间的牵引绳两端分别固定并层叠地卷绕在曳引轮与第一、第二大导轮上；设置在第一小导轮与抽油杆之间的牵引绳一端固定并层叠地卷绕在第一小导轮上，另一端与抽油杆连接；设置在第二小导轮与配重块之间的牵引绳一端固定并层叠地卷绕在第二小导轮上，另一端与配重块连接。

2.根据权利要求1所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述第一组合导轮、第二组合导轮分别设于曳引轮的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述牵引绳采用扁平的复合钢带。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述曳引轮、第一、第二大导轮以及第一、第二小导轮上分别设有用于卷绕牵引绳的U形导槽（10），并在U形导槽的开口边缘设有导向的倒角。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，在塔架上靠近第一组合导轮的外侧设有导向轮（9），第一小导轮上的牵引绳绕过导向轮与抽油杆连接，导向轮通过轴承座与塔架可移动连接。

6.根据权利要求4所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，在塔架上靠近第一组合导轮的外侧设有导向轮，第一小导轮上的牵引绳绕过导向轮与抽油杆连接，导向轮的轴承座与塔架可移动连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述的曳引轮上设有电磁制动器以及插销式自锁机构（14）。

8.根据权利要求6所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述的曳引轮上设有电磁制动器以及插销式自锁机构。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述塔架上设有配重块的垂直导向机构（12）。

10.根据权利要求8所述的一种节能型塔架式抽油装置，其特征是，所述塔架上设有配重块的垂直导向机构。

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