CN103244620B - 机械换向减速器和立式抽油机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械换向减速器以及立式抽油机，机械换向减速器适用于各种石油、矿山、港口等有需要换向传动的领域，所述换向机构的特征在于，电动机将动力输入减速箱，减速箱内设置两组并联的行星轮系，每组行星轮系用液力制动装置转换，使行星轮系在自由状态和减速传动状态交替运行，在两组行星轮系后设置合并齿轮组将动力合并，再驱动后一级减速行星轮系，最终将动力传输到天轮上，两组并行的行星轮系由液力制动装置交替转换工作状态，实现天轮的机械换向操作。本发明的换向机构使用寿命长，故障率低，运行稳定，高效节能，结构紧凑，并可根据具体工况调节不同行程速度，使油井采油达到最佳的经济效益。

Description

机械换向减速器和立式抽油机

技术领域

本发明涉及立式抽油机的换向机构，属于石油开采领域，同时适用于各种矿山、港口等有需要换向传动的领域。

背景技术

立式抽油机相对于传统的游梁式抽油机，拥有很多的优点，如可提高采油效率，增加石油产量；减少磨损，提高抽油杆和抽油泵寿命；排量稳定，动载荷小，事故少；运转平稳，疲劳应力低，应力循环次数少等。采用长冲程抽油方式，抽油泵柱塞实际冲程损失的较小，可提高抽油泵的排量系数和充满系数，提高采油效率，增加石油产量，降低采油成本。

但是立式抽油机也存在一些短板，其中换向的问题就是一个突出问题，也是推广过程中遇到的主要障碍之一，现在的解决方法主要有几种，但在实际使用后的情况并不理想。

1.链条式

链条式立式抽油机是现在应用最多的立式抽油机，换向方式如图1所示，曲拐1-6的头部实际上充当着轨迹链条1-2的一个特殊链节，其圆轴部插入滑车架1-5，可以在滑车架1-5内转动。滑车架1-5可以在往返架1-4内沿导轨横向移动。曲拐1-6随轨迹链条1-2作循环运动，当曲拐1-6运动到轨迹链条1-2的圆弧部分即上链轮1-1部分时，它继续带动往返架1-4向上运动，同时带动滑车架1-5沿导轨横向移动，到达最高点后曲拐1-6带动往返架1-4改变方向向下运动，同时带动滑车架1-5沿导轨继续横向移动，直到曲拐1-6运转到链条1-2的垂直部分后往返架1-4与滑车架1-5又相对静止实现抽油机的下冲程。在下链轮1-7处以相同的方式实现抽油机的上冲程。

2.变频换向电机

采用变频器控制电动机的运行，换向时通过变频器提供不同频率的旋转磁场，准确控制运动的方向和速度，实现抽油机的缓冲和换向。

但是现有的链条式抽油机和采用变频换向电机的抽油机仍然存在大量问题。

针对链条式抽油机来说，它的换向机构体积庞大，部件多，结构复杂，成本高。换向机构的润滑系统为半开放式，对外界环境的污染侵蚀的抵抗能力弱，使用的地域受到很大限制，如大风沙地区、高寒冷地区等不能使用。这种换向机构的维修和更换困难，磨损后，会产生振动和噪音，使缓冲效果进一步降低，使整机的使用情况恶化，并且有很大的安全隐患。

当在传动上采用皮带代替部分钢丝绳后，虽然缓冲和噪音得到改善，但皮带的造价高、寿命短，更换、维护困难，对风沙等恶劣环境更为敏感，使用上受到很大的限制。

对于采用变频换向电机的抽油机，理论上，变频换向电机可以实现最佳的换向缓冲动作，但是这种方式的问题更加麻烦，采用电气方式进行强行减速、和频繁启动，电气控制系统复杂，难以适应恶劣环境、维护修理技术要求高，缓冲能量是通过电气元件的发热进行消耗，散热困难，寿命很短，经常导致停机事故，而且大功率变频器的使用，对电网产生很大的高频污染，影响其他设备的运转，这些缺点使这种抽油机的市场占有率逐年下降。变频电机由于短时（约5-10秒）不间断地重复变向，导致电机不断发热，大大减少使用寿命。

除此之外，在立式抽油机中，在上、下止点的换向操作时，需要抽油杆、配重完全向相反的方向运动，由于抽油杆、配重的重量大，惯性很大，换向的停止和启动都要消耗大量能量，会导致对传动机构造成很大的冲击，使各种零件寿命减少，电动机一直在不断重复发电、启动状态，使电网不断的受到冲击，设备的效率低下、磨损严重、耗能大。

发明内容

本发明通过提供一种机械换向减速器来解决上述问题。

本发明采用的方案是：

一种机械换向减速器包括动力分配齿轮组、两组并行的行星轮系齿轮组、动力合并齿轮组和末端行星减速器四部分，其中动力的输入端与动力分配齿轮组相连，动力分配齿轮组将动力分成两路分别送入两组并行的行星轮系齿轮组，两组行星轮系齿轮组的输出动力通过动力合并齿轮组进行合并，合并后的动力输出至末端行星减速器，转换后输出，所述两组并行的行星轮系齿轮组交替工作输出动力，所述动力合并齿轮组的动力输出的方向对应于两组行星轮系齿轮组各自的输出相反。

本发明的机械换向减速器的动力输出换向通过动力合并齿轮组来完成，所述动力合并齿轮组包括依次啮合的四个齿轮，两端的两个齿轮分别连接两组行星轮系齿轮组的输出端，中间的两个齿轮中一个为过渡齿轮，另一个齿轮与末端行星减速器输入端相连。所述过渡齿轮用于实现输出动力的换向，从而实现抽油机天轮的正反转。

在本发明的机械换向减速器的动力合并齿轮组中，中间的两个齿轮的齿数组合可调整，以改变其中一条传动路线的转动速度。根据油井的情况设置，可以使抽油机的抽油行程和回程的速度不相同，例如在高压稀油的情况下，提高回程速度，实现上慢下快组合，提高产量，在稠油井情况下，降低下落速度，改善油泵的充盈状态，实现上快下慢，提高泵效、产能。

本发明的机械换向减速器中所用的两组并行的行星轮系齿轮组的结构和参数完全相同，并且每个行星轮系齿轮组的轮系采用的是NGW型行星轮系，每个轮系包括一个太阳轮、四个行星轮、一个齿圈、一个行星架和一个制动器，制动器对齿圈实施制动，因此根据其工作状态，可以使轮系处于两种状态，即制动器工作时将齿圈锁死，轮系进入传力状态，制动器不工作时，轮系的齿轮处于自由状态，不输出动力。这两种状态的切换是对应于减速器输出方向的变换，即所述两组行星轮系齿轮组的制动器对应于机械换向减速器的输出方向变化而交替工作。在一种实施方案中，本发明的机械换向减速器包括一个电气控制电路控制制动器，即当减速器动力输出方向要求变化时，电气控制电路使原来工作的制动器停止工作，同时启动另一个制动器，因而行星轮系的工作状态发生转变。在用于立式抽油机的情况下，当抽油机换向时，通过控制电路即可控制制动器实现行星轮系工作状态的交换，从而产生抽油机天轮的正反转运动。这样的两组并行的行星轮系齿轮组不仅可以实现动力输出方向的转换，而且可以实现设计状态下的减速和增矩。

两组行星轮系齿轮组的输入受动力分配齿轮组控制，所述动力分配齿轮组包括主动齿轮和两个从动齿轮，电机驱动主动齿轮转动，两个从动齿轮分别位于主动齿轮两侧并与主动齿轮啮合，将动力分成两路分别送入两组并行的行星轮系齿轮组。

在本发明的机械换向减速器的输出端具有末端行星减速器，其也采用NGW型行星轮系，具有一个太阳轮、四个行星轮、一个齿圈和一个行星架，并且其齿圈被固定不动，因此其只有一个传力工作状态。

本发明的机械换向减速器由于采用上述结构，可以被封装起来，从而实现密封，进行油浸式润滑，因而获得更好的润滑、冷却效果，不受外界环境干扰。因此，本发明的机械换向减速器还具有外壳作为箱体，将动力分配齿轮组、两组并行的行星轮系齿轮组、动力合并齿轮组和末端行星减速器四部分包括在内，仅露出输入端和输出端。本发明的传动线路上主要采用圆柱齿轮传动，机械效率高。

本发明的另一标的是采用了上述机械换向减速器的立式抽油机，它包括机架、抽油杆、天轮和电机，机械换向减速器位于天轮和电机之间，所述机械换向减速器的输出端与天轮相连，输入端与电机的输出端相连。在所述机械换向减速器与天轮之间采用蛇形弹簧联轴器连接，以起到一定的缓冲降噪作用。

有益效果：

同主流的链条、变频立式抽油机的换向缓冲机构进行比较，本机构有如下优点：

1. 全部传动零件采用封闭式油浸润滑，润滑效果有保障，并且稀油润滑可以降低摩擦副的温度，使零件寿命长，故障率低。

2. 相对于链条机，本发明的传动系统不受风沙、高寒等恶劣环境的影响。

3. 利用行星轮系运动状态转换实现换向，机构简单、成熟、可靠、耐用，，电动机一直在一个方向运行，换向平稳，调整方便优于现在所有抽油机的换向方式。

4. 减速器采用两级的行星齿轮轮系，利用了行星轮系齿轮传动的优点，相对于同样功率的其他抽油机传动系统，减速器的结构紧凑、重量轻、体积小、传动比较大、运动平稳、抗冲击、振动小、传动效率高。

5. 在合并传动级，中间的两个有不同的齿数组合，可以根据油田的不同井深、油况等具体工况，实现抽油机峰值上慢下快或上快下慢的速度匹配，使油井采油到达最佳经济效益。

附图说明

图1是现有技术链条式立式抽油机的换向机构的示意图。

图2是本发明的换向机构的示意图。

图3是本发明的换向机构中所用的行星轮系的示意图。

在图中：1-1上链轮；1-2链条；1-3平衡箱；1-4往返架；1-5滑车架；1-6曲拐；1-7下链轮；2-1主动齿轮；2-2从动齿轮一；2-3从动齿轮二；2-4行星轮系一；2-5行星轮系二；2-6制动器一；2-7制动器二；2-8合并齿轮一；2-9合并齿轮二；2-10过渡齿轮；2-11合并齿轮三；2-12末端行星轮系；2-13联轴器；2-14输入端；2-15天轮；3-1太阳轮；3-2行星轮；3-3行星架；3-4齿圈。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明。

应了解，附图仅仅描绘了本发明的一个优选的实施方案，因而附图不应理解为对本发明的范围构成限制，本发明的保护范围仅仅根据权利要求书来限定。

参见图2，是本发明的机械换向减速器的一个实施方案的示意图。输入端2-14连接在动力分配齿轮组的主动齿轮2-1上，从动齿轮一2-2和从动齿轮二 2-3在两侧与主动齿轮2-1啮合，动力分别通过从动齿轮一2-2和从动齿轮二2-3传导至行星轮系一2-4和行星轮系二2-5。行星轮系一2-4和行星轮系二2-5的齿圈外围分别设置制动器一2-6和制动器二2-7，这两个制动器交替工作，控制行星轮系一2-4和行星轮系二2-5的交替工作。行星轮系一2-4和行星轮系二2-5的动力分别输出至动力合并齿轮组的合并齿轮一2-8和合并齿轮二2-9，在传输至合并齿轮三2-11。在合并齿轮二2-9和合并齿轮三2-11之间具有一个过渡齿轮2-10，利用它的存在来实现两组行星轮系齿轮组分别输出动力时本发明的机械换向减速器输出的换向。合并齿轮三2-11将动力输出至末端行星轮系2-12，再进行变矩减速后输出至天轮2-15。在合并齿轮三2-11与天轮2-15之间采用蛇形弹簧联轴器2-13连接，以起到一定的缓冲降噪作用。

如图3所示：本发明中行星轮系采用NGW型行星轮系，其每个轮系包括一个太阳轮3-1、四个行星轮3-2、一个齿圈3-4、一个行星架3-3和一个制动器2-6。

如图2所示：本发明涉及的立式抽油机，采用了上述机械换向减速器，所述立式抽油机还包括机架、抽油杆、天轮2-15和电机，机械换向减速器位于天轮2-15和电机之间，所述机械换向减速器的输出端与天轮相连，输入端2-14与电机的输出端相连。在所述机械换向减速器与天轮2-15之间采用蛇形弹簧联轴器2-13。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种机械换向减速器，其特征在于：包括动力分配齿轮组、两组并行的行星轮系齿轮组、动力合并齿轮组和末端行星减速器四部分，其中动力的输入端与动力分配齿轮组相连，动力分配齿轮组将动力分成两路分别送入两组并行的行星轮系齿轮组，两组行星轮系齿轮组的输出动力通过动力合并齿轮组进行合并，合并后的动力输出至末端行星减速器转换后输出，所述两组并行的行星轮系齿轮组交替工作输出动力，所述动力合并齿轮组的动力输出的方向对应于两组行星轮系齿轮组各自的输出相反；其中：所述动力合并齿轮组包括依次啮合的四个齿轮，两端的两个齿轮分别连接两组行星轮系齿轮组的输出端，中间的两个齿轮中一个为用于两路齿轮的旋转方向变换的过渡齿轮，另一个齿轮与末端行星减速器输入端相连；所述两组并行的行星轮系齿轮组的结构和参数完全相同，并且每个行星轮系齿轮组的轮系采用的是 NGW 型行星轮系，每个轮系包括一个太阳轮、四个行星轮、一个齿圈、一个行星架和一个制动器，制动器对齿圈实施制动，当其工作时将齿圈锁死，轮系进入传力状态，当其不工作时，轮系的齿轮处于自由状态，不输出动力；所述动力分配齿轮组包括主动齿轮和两个从动齿轮，电机驱动主动齿轮转动，两个从动齿轮分别位于主动齿轮两侧并与主动齿轮啮合，将动力分成两路分别送入两组并行的行星轮系齿轮组；所述末端行星减速器采用NGW 型行星轮系，一个太阳轮、四个行星轮、一个齿圈和一个行星架，并且其齿圈被固定不动。

2.如权利要求1 所述的机械换向减速器，其特征在于：中间的两个齿轮的齿数组合可调整，以改变其中一条传动路线的转动速度。

3. 如权利要求 1 所述的机械换向减速器，其特征在于：其中还包括一个电气控制系统控制制动器的交替工作，使所述两组行星轮系齿轮组的制动器对应于机械换向减速器的输出方向变化交替工作。

4. 如前述权利要求中任一项所述的机械换向减速器，其特征在于：其中所述机械换向减速器还具有外壳作为箱体，将动力分配齿轮组、两组并行的行星轮系齿轮组、动力合并齿轮组和末端行星减速器四部分包括在内，仅露出输入端和输出端。

5. 一种立式抽油机，其特征在于：包括机架、天轮和电机，其中在天轮和电机之间还包括上述权利要求中任一项所述的机械换向减速器，所述机械换向减速器的输出端与天轮相连，输入端与电机的输出端相连。

6. 如权利要求 5 所述的立式抽油机，其特征在于：其中所述机械换向减速器与天轮之间采用弹性联轴器连接。

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