CN102155189B

CN102155189B - 游梁式抽油机用平衡变矩装置

Info

Publication number: CN102155189B
Application number: CN2011101048112A
Authority: CN
Inventors: 房启志; 张芝贤
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: CN102155189A

Abstract

一种游梁式抽油机用平衡变矩装置，从根本上解决了现有游梁式抽油机曲柄平衡方式造成的电动机自身损耗和电路损耗大的问题。它包括曲柄、曲柄轴，其技术要点是：还包括平衡重引导轮、变矩主动引导轮、变矩从动引导轮，平衡重引导轮分为平衡重主动引导轮、平衡重从动引导轮；变矩主动引导轮套装于曲柄轴上且固定在曲柄轴支撑体上不发生旋转，变矩从动引导轮与变矩主动引导轮为一对等径链轮，平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮为一对等径齿轮；在平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮轮体上或者其固定轴上对应设置一对平衡重。本发明具有结构简单合理、操作简单、维护方便安全、成本低、应用范围宽、使用寿命长等优点。

Description

游梁式抽油机用平衡变矩装置

技术领域

本发明属于油田采油设备技术领域，具体地说是一种游梁式抽油机用平衡变矩装置。

背景技术

众所周知，游梁式抽油机是石油开采所普遍采用的设备，而平衡重是保证抽油机电机匀速运转的主要部件。目前在游梁式抽油机上广泛采用曲柄平衡方式来实现抽油机的平衡。这种平衡方式，平衡重在曲柄上所产生的平衡扭矩，随曲柄的转动而按正弦规律变化。在常规抽油机中，受其结构制约，悬点载荷作用到曲柄轴上的载荷并不按正弦规律变化，即其随曲柄转动而变化的规律偏离了正弦规律，冲程越大偏离越大，曲柄平衡扭矩与抽油机悬点扭矩并不能很好的平衡，仍有较大的波动，致使曲柄轴输出的净扭矩在一个工作循环中，有较高的“峰值”和较深的负向“谷值”。从能耗角度讲，净扭矩波动大势必加大功率而增大能耗，从动力学的角度讲，峰值扭矩高，为了保证抽油机正常运转，势必要选用较大的电动机。这种大电动机、大电流峰值的配套方案，必将导致电动机自身损耗和电路损耗。

综上，现有的游梁式抽油机用曲柄平衡方式亟待改进。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构设计更加合理、使用安全可靠的游梁式抽油机用平衡变矩装置，从根本上解决了现有游梁式抽油机曲柄平衡方式造成的电动机自身损耗和电路损耗大的问题，通过曲柄的转动来调整平衡力矩的大小，驴头上冲程时增大平衡力矩，驴头下冲程时减小平衡力矩，同时在抽油机上行载荷最大时，平衡力矩也最大，下行载荷最大时平衡力矩变小，降低曲柄扭矩“峰值”克服曲柄扭矩负向“谷值”，达到提高抽油机曲柄输出扭矩的平衡度和节能降耗的目的。

本发明的技术方案是：游梁式抽油机用平衡变矩装置，包括曲柄、曲柄轴，其技术要点是：还包括平衡重引导轮、变矩主动引导轮、变矩从动引导轮，所述平衡重引导轮分为平衡重主动引导轮、平衡重从动引导轮；

所述变矩主动引导轮套装于所述曲柄轴上且固定在所述曲柄轴支撑体上不发生旋转，所述变矩从动引导轮与所述变矩主动引导轮为通过链条连接的一对等径链轮，且所述变矩从动引导轮与所述平衡重主动引导轮同轴连接；

所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮为相互啮合的一对等径齿轮，且所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮中之一皆可作为平衡重主动引导轮；

在所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮轮体上或者其固定轴上对应设置一对平衡重；两平衡重的具体位置：曲柄随曲柄轴旋转至上死点时，平衡重主动引导轮轮体或其固定轴上的平衡重的重心处于曲柄顺时针或逆时针方向水平位置，平衡重从动引导轮轮体或其固定轴上的平衡重的重心处于曲柄逆时针或顺时针方向的水平位置；

所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮的固定轴设置在所述曲柄上或者设置在与所述曲柄同步旋转的支撑架上，所述曲柄与抽油机连杆铰接。

所述曲柄轴为电动机变速箱的输出轴或为与电动机变速箱的输出轴同心分体旋转或固定的轴。

所述曲柄轴上连接的曲柄与抽油机的电动机变速箱输出轴上连接的原始曲柄共同连接在抽油机连杆上，也可取代抽油机原曲柄。

两所述平衡重等重分别设置在所述平衡重主、从动引导轮的轮体上，或者分别设置在所述平衡重主、从动引导轮的固定轴上，或者在所述轮体和固定轴上交叉设置。

两所述平衡重的具体位置：所述曲柄随所述曲柄轴旋转至上死点时，所述平衡重主动引导轮轮体或其固定轴上的平衡重的重心处于所述曲柄顺时针或逆时针方向水平位置，所述平衡重从动引导轮轮体或其固定轴上的平衡重的重心处于所述曲柄逆时针或顺时针方向的水平位置。

所述变矩从动引导轮与平衡重主动引导轮可设计为一体式结构。

所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮的齿轮传动机构与所述变矩主、从动引导轮的链条传动机构分别设置在所述曲柄两侧。

所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮的齿轮传动机构组装在支撑箱体内，以便于齿轮机构的润滑和散温。

所述支撑架与所述曲柄利用轴套紧固为一体，或采用能够实现本功能的其他任意连接方式。

本发明也可应用于其他结构的抽油设备或其他能够发挥其功能的任意设备上。

本发明的优点及积极的技术效果是：本发明在现有游梁式抽油机平衡方式的基础上加以改进，在保证各项物理指标的情况下改变原来的平衡方式，从而达到提高曲柄轴（电动机输出轴）上的扭矩平衡和节能降耗的目的。同时，本发明还具有结构简单合理、操作简单、维护方便安全、成本低、应用范围宽、使用寿命长、不改变原机安全稳定性、既可用于现有游梁式抽油机改造、也可用于生产新型游梁式抽油机等优点。

附图说明

结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的一种结构示意简图；

图2是图1的左视图；

图3是本发明的结构示意简图二；

图4是本发明的结构示意简图三；

图5是本发明的结构示意简图四；

图6是本发明的结构示意简图五；

图7是本发明的结构示意简图六；

图8是图1中平衡重4运行轨迹示意简图；

图9是图1中平衡重3运行轨迹示意简图；

图10是图1中曲柄11承受重力矩曲线示意简图；

图11是抽油机驴头载荷作用到曲柄上的力矩曲线示意简图；

图12是本发明结构力学分析示意简图。

图中序号说明：1电机变速箱、2平衡重引导轮、3平衡重、4平衡重、5平衡重引导轮、6抽油机连杆、7连接轴、8固定轴I、9固定轴II、10变矩从动引导轮、11曲柄、12链条、13曲柄轴（电动机变速箱输出轴）、14变矩主动引导轮、15曲柄轴支撑体、16支撑架（支撑箱体）、17原始曲柄。

具体实施方式

根据图1-12对本发明作详细描述。本发明可应用于抽油机平衡装置的改造，也可用于新的抽油机平衡装置的生产。

本发明装置实质为一个行星轮系。它包括曲柄11、曲柄轴13，平衡重主动引导轮2、平衡重从动引导轮5、变矩主动引导轮14、变矩从动引导轮10。其中，变矩主动引导轮14套装于曲柄轴13上且固定在曲柄轴支撑体15上不发生旋转，变矩从动引导轮10与变矩主动引导轮14为通过链条12连接的一对等径链轮，且变矩从动引导轮10与平衡重主动引导轮2同轴连接。变矩主动引导轮14和变矩从动引导轮10还可以是链条传动以外能够实现本功能的任意传动方式。平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5为相互啮合的一对等径齿轮。在平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5轮体上或者其固定轴9、8上对应设置一对平衡重3、4，两平衡重分别设置在平衡重主、从动引导轮的轮体上，或者分别设置在平衡重主、从动引导轮的固定轴上，或者在轮体和固定轴上交叉设置。两平衡重的具体位置：曲柄11随曲柄轴13旋转至上死点时，平衡重主动引导轮轮体或其固定轴上的平衡重3的重心处于曲柄11顺时针或逆时针方向水平位置，平衡重从动引导轮轮体或其固定轴上的平衡重4的重心处于曲柄11逆时针或顺时针方向的水平位置。

平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5的固定轴9、8可设置在曲柄11上，或者设置在与曲柄11同步旋转的支撑架（支撑箱体）16上，支撑架16与曲柄11利用轴套紧固为一体。

本发明中曲柄轴13可以为电动机变速箱1的输出轴，曲柄11与抽油机连杆6铰接。也可是单独的设置的，若是后者，曲柄轴13上连接的曲柄11与抽油机的电动机变速箱输出轴上连接的原始曲柄共同连接在抽油机连杆6上。

本发明的变矩从动引导轮10与平衡重主动引导轮2可设计为一体式结构。或者平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5的齿轮传动机构与变矩主、从动引导轮14、10分别设置在曲柄11两侧。平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5的齿轮传动机构可组装在支撑箱体16内，以便于齿轮机构的润滑和散温。

实施例一：本发明的具体结构如图1：它包括曲柄11、曲柄轴13、变矩主动引导轮14、变矩从动引导轮10、平衡重主动引导轮2及固定轴II 9、平衡重从动引导轮5及固定轴I 8、平衡重3、4、链条12。其中：曲柄杆臂上利用固定轴II 9和固定轴I 8分别组装平衡重主动引导轮2、平衡重从动引导轮5，平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5为相互啮合的一对等径齿轮，且平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5侧面分别以焊接或以铸件形式设置平衡重3、4。两平衡重3、4在相对应的平衡重主、从动引导轮上2、5的位置为：当曲柄11处于上死点时，平衡重主动引导轮2上的平衡重3的重心处于曲柄11逆时针方向水平位置，平衡重从动引导轮5上的平衡重4的重心处于曲柄11顺时针方向的水平位置，如图2所示。

曲柄轴13上另设有与曲柄11分体同轴零摩擦、且固定不旋转的变矩主动引导轮14，在变矩主动引导轮14同侧设置与平衡重主动引导轮2同轴的变矩从动引导轮10，变矩从动引导轮10与平衡重主动引导轮2同心同步旋转，变矩主动引导轮14与变矩从动引导轮10为等径链轮，两者通过链条连接。

当曲柄11转动时，由于平衡重主动引导轮2与变矩从动引导轮10同轴旋转，由力学原理可知，变矩从动引导轮10和平衡重主动引导轮2随曲柄11公转，并带动平衡重从动引导轮5自转，也就是说带动平衡重3公转和平衡重4自转。由于变矩主动引导轮14与变矩从动引导轮10等径，平衡重主动引导轮2与平衡重从动引导轮5等径，则曲柄11旋转一周，变矩从动引导轮10和平衡重主动引导轮2随曲柄11公转一周，并相对于曲柄11旋转一周，并带动平衡重从动引导轮5随曲柄公转一周的同时自转一周，平衡重3在随平衡重主动引导轮2公转一周的过程中有一个偏心圆形运动轨迹（参见图8），平衡重4自转和随平衡重从动引导轮5公转一周的过程中有一个心形运动轨迹（见图9）。由力学原理可知，平衡重3公转和平衡重4自转产生的扭矩不论曲柄11运动到任何位置，都能变成链条12的拉力而作用到变矩主动引导轮14上，变矩主动引导轮14产生的反扭矩与平衡重3公转和平衡重4自转产生的扭矩平衡，由于平衡重3公转和平衡重4自转产生的扭矩对曲柄11旋转的影响较小，可忽略，也就是说平衡重3公转和平衡重4自转产生的扭矩对曲柄11不做功，对曲柄11的旋转没有产生任何影响，即平衡重3和平衡重4作用到曲柄11上的只有不断变化的重力矩，而且是脱离了正弦规律的变化的重力矩。本发明在设计上就是利用了平衡重3公转和平衡重4自转的过程中的这一偏心圆形运动轨迹和心形运动轨迹，以及平衡重3公转和平衡重4自转产生的扭矩的作用。在抽油机驴头上行时增大平衡力矩，且在上行载荷最大时，平衡重3和平衡重4的重心相对于曲柄轴13的轴心的旋转半径最大，即作用到曲柄11上的重力矩也最大，抽油机驴头下行时减小平衡力矩，且在下行载荷最大时，平衡重3和平衡重4的重心相对于曲柄轴13轴心的旋转半径最小，即作用到曲柄11上的重力矩却最小，而且扭矩变化曲线与抽油机的载荷作用到曲柄上的扭矩变化曲线相近（见图11），由抽油机平衡原理可知，本发明能在最大程度上提高抽油机的平衡同时，也能够降低抽油机电动机功率。

下面结合图12进一步说，（图12a）抽油机驴头下死点时，即曲柄处于0o，因平衡重3和平衡重4等重，由力学原理可知，平衡重3和平衡重4作用到曲柄11上的重力矩为0；（图12b）抽油机驴头由下死点运行到水平位置时，即曲柄逆时针旋转90o，此时平衡重3和平衡重4的重心相对于曲柄轴13轴心的旋转半径最大，平衡重3和平衡重4作用到曲柄11上的重力矩也最大，而且是脱离了正弦规律变化的逐渐增大；（图12c）抽油机驴头运行到上死点时，即曲柄逆时针旋转180o时，因平衡重3和平衡重4等重，平衡重3和平衡重4作用到曲柄11上的重力矩为0，而且是脱离了正弦规律的逐渐归零，（图12d）抽油机驴头由上死点运行到水平位置时，即曲柄逆时针旋转270o时，此时平衡重3和平衡重4的重心相对于曲柄轴13轴心的旋转半径最小，平衡重3和平衡重4作用到曲柄11上的力矩也变小，而且是脱离了正弦规律的逐渐变小。综上所述，由力学原理可知，曲柄11旋转一周，平衡重3和平衡重4作用到曲柄11上的重力矩实现了抽油机驴头上行时增大，且在上行载荷最大时重力矩也最大，抽油机驴头下行时重力矩减小，且在下行载荷最大时，重力矩变小，而且平衡重3和平衡重4作用到曲柄上的重力矩的变化是脱离了正弦规律的变化，与抽油机驴头载荷作用到曲柄上的力矩变化规律相近，所以这一变化过程不仅仅提高了抽油机的平衡度，也达到了降低电机功率的目的。

为了能够达到最好的设计效果，可以采用与原抽油机平衡方式配合的复合平衡方式。

实施例二、如图3所示，图中平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5的齿轮传动机构与变矩主、从动引导轮14、10分别设置在曲柄11两侧，且平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5设置在支撑箱体16内，两平衡重3、4设置在伸出箱体的固定轴体上（同侧），其固定轴紧固在曲柄11上。变矩原理同实施例一，不再赘述。

实施例三、如图4所示，图中两平衡重3、4属于交叉设置，即平衡重主动引导轮2固定轴伸出箱体端固定一平衡重3，平衡重从动引导轮5对侧的变矩从动引导轮10的固定轴伸出端固定另一平衡重4。变矩原理同实施例一，不再赘述。

实施例四、如图5所示，图中两平衡重均设置于支撑箱体16内。变矩原理同实施例一，不再赘述。

实施例五、如图6所示，是对图3所示结构的改进，图6中平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5的齿轮传动机构与变矩主、从动引导轮14、10分别设置在曲柄11同侧，且平衡重主动引导轮2和平衡重从动引导轮5的齿轮传动机构利用固定轴设置在支撑架16（支撑箱体）内，支撑架16与曲柄11之间利用套筒紧固在一起，曲柄11在随着电动机变速箱输出轴13（曲柄轴）转动的同时，支撑架16亦随之转动。变矩原理同实施例一，不再赘述。

实施例六、如图7所示，是对图6所示结构的改进。图7中，曲柄轴13并不是电动机变速箱的输出轴，为了达到转动的目的，使曲柄轴上的典柄11与抽油机电动机变速箱输出轴上的原始曲柄17共同连接到抽油机连杆6上。原理同实施例一，不再赘述。

综上，本发明装置无论是作为游梁式抽油机的单独平衡变矩装置，还是与其他平衡装置并存，都能起到很好的平衡变矩效果，具有突出的实质性特点及显著的进步。

Claims

1.一种游梁式抽油机用平衡变矩装置，包括曲柄、曲柄轴，其特征在于：还包括平衡重引导轮、变矩主动引导轮、变矩从动引导轮，所述平衡重引导轮分为平衡重主动引导轮、平衡重从动引导轮；

2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：所述曲柄轴为电动机变速箱的输出轴或为与电动机变速箱的输出轴同心分体旋转或固定的轴。

3.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：所述曲柄轴上连接的曲柄与抽油机的电动机变速箱输出轴上连接的原始曲柄共同连接在抽油机连杆上。

4.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：两所述平衡重等重分别设置在所述平衡重主、从动引导轮的轮体上，或者分别设置在所述平衡重主、从动引导轮的固定轴上，或者在所述轮体和固定轴上交叉设置。

5.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：所述变矩从动引导轮与平衡重主动引导轮可设计为一体式结构。

6.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮的齿轮传动机构与所述变矩主、从动引导轮分别设置在所述曲柄两侧。

7.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：所述平衡重主动引导轮和平衡重从动引导轮的齿轮传动机构组装在支撑箱体内，以便于齿轮机构的润滑和散温。

8.根据权利要求1所述的游梁式抽油机用平衡变矩装置，其特征在于：所述支撑架与所述曲柄利用轴套紧固为一体。