CN104278974A - 一种具有t型游梁的钟摆式抽油机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有T型游梁的钟摆式抽油机，该抽油机包括机架、T型游梁、驴头、减速箱、曲柄和电机，所述T型游梁通过主轴安装在所述机架上；摆杆的中心线垂直于主梁以构成刚性连接的T型游梁，二者在运动过程中的传动角始终等于90°；所述减速箱的输出轴位于所述主轴的下方；所述曲柄安装在减速箱的输出轴上，所述曲柄设有拨动装置，所述拨动装置与所述摆杆配合将所述曲柄的旋转运动变为所述摆杆的弧形运动，以带动所述主梁的上下摆动。本发明配重平衡力矩稳定，可明显降低抽油机峰值扭矩，消除负扭矩，增强稳定性，提高节能效果。

Description

一种具有T型游梁的钟摆式抽油机

技术领域

本发明涉及采油机械领域，特别是涉及一种游梁抽油机。

背景技术

游梁式抽油机作为井下抽油泵的地面动力设备，是一种主要机械采油设备。常见的抽油机结构一般为机架位于游梁的中间，抽油机工作时游梁两端所受的载荷比较平衡，使机架运行平稳；曲柄采用常规条形曲柄，连接有平衡块，曲柄连杆机构和驴头分别位于机架的两侧，曲柄与游梁之间通过刚性连接或软连接来传递动力和扭矩。

如图1所示，曲柄与游梁之间可以通过钢丝绳的软连接来传递动力。比如中国发明专利CN202707004中公开的一种双驴头节能抽油机，包括机座1′、机架2′、游梁3′、后驴头4′、前驴头5′、曲柄6′、平衡块7′、减速箱8′、钢丝绳9′和电机10′，游梁的两端分别连接前驴头和后驴头，后驴头通过钢丝绳9′连接曲柄6′，曲柄连接配重的平衡块7′和减速箱8′，前驴头连接悬绳器11′。

如图2所示，目前常规的游梁抽油机包括电机1″、刹车装置2″、减速箱3″、曲柄4″、平衡块5″、连杆6″、游梁轴7″、平衡块8″、机架轴9″、游梁10′、驴头11″、悬绳器12″和机架13″，连杆6″采用刚性连接，曲柄4″上设有平衡块8″，其通过四连杆结构传递动力。其中，曲柄轴中心基本位于游梁的尾轴承正下方，这样，当驴头处于上死点(驴头抬至最高点)、下死点(驴头降至最低点)位置时，连接杆中心线间的夹角基本为零，这个角被称为抽油机的极位夹角；平衡块重心与曲柄轴中心线重合，即两线之间构成的夹角为零，这个角被称为抽油机的平衡相位角。

上述抽油机存在的不足是：由于平衡块安装在曲柄上，旋转时平衡块会产生一定的离心力，由于极位夹角近似为零，使得抽油机工作时上下冲程曲柄转过的角度基本相等，在整个工作循环中，抽油机峰值扭矩较高，还存在负扭矩问题。

发明内容

为了降低抽油机峰值扭矩，并消除负扭矩，提高节能效果，本发明提供了一种新型的游梁抽油机。

本发明的技术方案如下：

一种具有T型游梁的钟摆式抽油机，该抽油机包括机架、T型游梁、驴头、减速箱、曲柄和电机，所述T型游梁通过主轴安装在所述机架上；摆杆的中心线垂直于主梁以构成刚性连接的所述T型游梁，二者在运动过程中的传动角始终等于90°；所述主梁两端连接所述驴头，所述减速箱的输出轴位于所述主轴的下方；所述曲柄安装在减速箱的输出轴上，所述曲柄设有拨动装置，所述拨动装置与所述摆杆配合将所述曲柄的旋转运动变为所述摆杆的弧形运动，以带动所述主梁的上下摆动。

进一步地，所述拨动装置在所述摆杆的纵向导轨槽内做预定行程内的往复运动，所述摆杆在摆动时传递给所述游梁的传动力矩为可变的。

进一步地，所述导轨槽为双面轨道，以提供所述拨动装置在不同旋转角度下的移动轨道和载荷支撑。

进一步地，所述摆杆的中心线居于游梁的中心位置，所述驴头对称设置于所述主梁的两端；所述曲柄与减速箱的输出轴的连接处基本位于所述主轴的正下方。

进一步地，所述主梁与摆臂固定连接，所述摆杆固定于所述摆臂上。

进一步地，所述摆臂呈V型或梯型。

进一步地，所述驴头升至最高点或降至最低点时与所述主梁水平位置的水平线形成夹角α，所述摆杆摆动至最大幅度时与所述主梁水平位置的垂直线形成夹角β，所述α＝β。

进一步地，所述夹角α或β小于或等于22.5°。

进一步地，该抽油机去掉了现有技术中所述曲柄上的平衡块，所述曲柄的旋转在上冲程和下冲程转过的角度不相等；其中，所述曲柄在上冲程转过的角度γ1＞180°，在下冲程转过的角度γ2＜180°。

进一步地，所述抽油机还包括电气控制系统，所述减速器的输入轴上设有电磁自动制动器，所述电气控制系统包括用于所述电磁自动制动器在失载情况下实现制动的控制电路。

本发明具有如下优点：

1、该抽油机的T型游梁采用对称双驴头天平平衡结构，平衡扭矩与载荷扭矩的变化规律完全吻合，使抽油机的净扭矩曲线较理想，其平衡效果好，可明显降低抽油机峰值扭矩、消除负扭矩、增强稳定性、提高节能效果。

2、该动力传递机构是曲柄带动拨动装置拨动摆杆，从工作过程看，由于曲柄的旋转，使拨动装置在摆杆的导轨槽中往复运动，而使摆杆形成往复摆动，并将动力传递到主梁，使主梁上的驴头进行上下的往复运动，而实际做功时摆杆长度是变化的，形成了一个可变参数的四导杆机构，达到省力并降低功耗的效果。

3、由于摆杆与主梁在运动过程中的传动角始终等于90°，其传力性能是四杆机构中性能最优。其工作原理是传力性能的参数是压力角或传动角，压力角越小(即传动角越大)，机构的传力效率越高；反之，压力角越大(即传动角越小)，机构的传力损耗越大，传动效率越低。

4、抽油机工作时上下冲程曲柄转过的角度不是相等的；上冲程转过的角度大于＞180°，下冲程转过的角度＜180°，使悬点上冲程的加速度和动载荷减小，是减速器的峰值扭矩降低，扭矩变化更均匀。上下冲程时间可以根据油井工况需要实时调整，明显提高节能效果。

5、去掉了现有技术中曲柄上的平衡块，可以消除旋转平衡块的离心力，使抽油机整机的稳定性更好。

6、由于两端平衡使主要载荷仅作用于游梁的主轴上，因而摩擦功率损耗较低，整机的机械效率较高。

7、由于在减速器的输入轴端装有电磁自动制动器，除具有常规制动功能外，还具备抽油机运行过程中，意外断、脱(即失载)时，自动制动的安全控制功能。

附图说明

图1、2为现有技术的抽油机结构；

图3-5为本发明实施例的结构示意图，图中分别示出了主梁位于水平位置的状态、主梁的驴头位于上悬点(上止点)状态和下悬点(下止点)状态。

图6为本发明的抽油机运行时的变化状态示意图；

图7为本发明的抽油机与现有技术抽油机的速度比较曲线图；

图8为本发明的抽油机与现有技术抽油机的加速度比较曲线图；

图9为本发明的抽油机与现有技术抽油机的扭矩变化比较示意图；

图10为本发明抽油机与现有技术抽油机的功率变化比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图3-5所示，本发明提供一种游梁式抽油机，包括机架1、曲柄2、摆臂4、摆杆5、主梁7、驴头和驱动装置组成。其中，摆臂4、摆杆5和主梁7构成T型游梁，其中，从位置关系看，摆杆5的中心线与主梁7垂直，呈T型结构设置，在实施例中，具体连接结构为：摆杆5固定于摆臂4，而摆臂又固定于主梁7，均为刚性连接，比如螺栓连接、焊接等连接方式。作为一种变形，摆杆还可以与主梁直接固定连接，连接处再予以必要的加固支撑。

主梁7采用对称双驴头天平平衡结构，包括前驴头6和配重驴头11，配重驴头11上连接有配重8。优选地，该配重8采用钢丝绳悬挂方式易于调节，使主梁两端驴头载荷以一个铅坠的合力作用在机架1上，因此机架1承受的水平分力比常规游梁抽油机要小得多，使机架1的晃动量相应要小些。

主梁7的两端所受的载荷对称平衡，主梁中心上设有主轴，该主轴优选为轴承12，轴承12设置在机架1的顶端，主梁7以该轴承12为枢轴摆动。优选地，机架1与主梁7之间还设有一个锁定装置10，可以使主梁7固定于水平位置。本领域技术人员可以理解的是，当主梁7上下摆动时，与其通过刚性连接的摆臂4、摆杆5而形成的T型游梁，其整体随之以该轴承12摆动。当然，作为一种选择，主轴的位置也可以不居于主梁7的中心点；还可以作为一种选择，主梁7的两端的载荷也可以不对称设置。

在本实施例中，摆杆5通过摆臂4在主梁7下方刚性连接形成T型结构，摆臂4为V型，当然也可以选择其它适宜形状和结构的摆臂，比如梯形。上述V型摆臂4的有两个，分别刚性固定于主梁7的两侧，摆杆5设置安装于两个摆臂4上，并保证摆杆5与主梁7的传动角在运动过程中始终保持为90°。本实施例中，摆杆5以多点刚性地固定于摆臂4上，从而进一步保证摆臂4的牢固性和稳定性。

驱动装置包括电机9和减速箱3，减速箱3大致位于轴承12的下方，电机9与减速箱3之间由皮带传动。

减速箱3的输出轴上设有一个曲柄2，曲柄2的另一端通过拨动装置13将动力传递给摆杆5，优选地，该拨动装置13可以是滚轮或滑块；摆杆5为钟摆式往复运动，摆杆5上设有与拨动装置13的结构相配合的纵向的导轨槽14，随着曲柄2的转动，使拨动装置13在导轨槽14内做上下往复运动。作为优选方案，摆杆5的导轨槽14内设置有双面轨道(双侧轨道)，使拨动装置13与导轨槽14的两侧相接触以适应拨动装置13在不同旋转角度时，选择导轨槽的其中一面(一侧)导轨作为施力点，从而更为有效地传递动力。

与现有技术相比，该抽油机直接去掉了与曲柄2配合的平衡块，以更好地提高稳定性。

进一步，为了达到消除负扭矩的技术效果，优选地，曲柄2与减速箱3的输出轴的连接处基本位于主梁7的轴承12的正下方。曲柄2上的拨动装置13在摆杆5的导轨槽14内以预定行程内做上下移动，使得摆杆5在摆动时传递给主梁7的传动力矩为可变的。特别优选地，如图6所示，曲柄2在上冲程和下冲程转过的角度不相等，其中，曲柄2的旋转在上冲程转过的角度γ1＞180°，在下冲程转过的角度γ2＜180°。当驴头升至最高点或降至最低点时，其与主梁水平位置的水平线形成夹角α，轨道摆动至最大幅度时与主梁水平位置的垂直线形成夹角β，优选地，夹角α＝β。为了达到好的节能效果，夹角α或β最好小于或等于22.5°，比如22°。

上述的抽油机由一个电气控制系统来控制设备运行，包括必备的电源控制、伺服驱动器等，控制该电气控制系统可以采用现有技术中的任何一种控制系统，以保证抽油机的工作。作为一种选择，减速箱3的输入轴上安装有电磁自动制动器(图中未示)，该电磁制动器能够实现基本的制动功能以外，还可以在抽油机运行过程中，抽油杆意外断、脱(即失载)时，自动制动的安全控制功能；相应地，上述电气控制系统中包括了用于控制该电磁自动制动器的控制电路。在此本发明不限定电磁自动制动器的结构，也不限定电气控制系统的具体实现方式。作为一种可实施的方案，在此，全文引入中国发明专利CN202326846U中所记载的电磁自动制动器和其中所涉及电气控制系统的技术方案。

使用时，电机9通过皮带带动减速箱3工作，传递至曲柄2，曲柄前端的拨动装置13在导轨槽14内往复运动，使摆杆5形成左右的弧形摆动，随之T型游梁带动驴头6、配重驴头11也相应形成上下的往复摆动。通过驴头6和毛辫子15形成悬点的垂直往复运动，带动有杆抽油泵工作。

本发明的抽油机与常规抽油机在部分性能做了检测和比较，以进一步说明本发明提供的抽油机的优越性能。以下涉及的常规游梁抽油机，大体结构和工作原理如图2，其曲柄和减速箱的轴连接处基本位于游梁的尾轴承正下方，连杆为刚性连接。

1、速度比较

如图7所示，横轴为角度变化次数，角度坐标依次为1、3、5......37止，纵轴为速度，C1是本发明的抽油机的速度曲线，C2是常规抽油机的速度曲线。

由图中的速度的变化曲线可见，上冲程速度比常规抽油机的低，使摩擦阻力减小，有利于降低上冲程悬点载荷。

2、悬点加速度比较

如图8所示，横轴为角度变化次数，角度坐标依次为1、3、5......37止，纵轴为加速度，C1是本发明的抽油机的加速度曲线，C2是现有抽油机的加速度曲线。

由图中的加速度的变化曲线可见，本发明抽油机上冲程前半段加速度比常规抽油机的低，上冲程后半段加速度比常规抽油机的高，有利于减小动载荷，降低上冲程悬点载荷的波动。

3、曲柄扭矩比较

如图9所示，横轴为角度变化次数，角度坐标依次为1、3、5......37止，纵轴为曲柄扭矩，C1是本发明的抽油机的曲柄扭矩曲线，C2是现有抽油机的曲柄扭矩曲线。

由图中的扭矩的变化曲线可见，本发明的峰值扭矩比常规抽油机的低得多，整个工作循环中无负扭矩，且上、下冲程峰值扭矩接近，上、下冲程扭矩波动均比常规抽油机均匀，电动机负载变化较均匀，运转比常规抽油机的平稳。

4、电机功率比较

如图10所示，横轴为角度变化次数，角度坐标依次为1、3、5......37止，纵轴为电机功率，C1是本发明的抽油机的曲柄扭矩曲线，C2是常规抽油机的曲柄扭矩曲线。

曲柄匀速转动时，电机功率变化规律与曲柄扭矩相同，本发明的钟摆式抽油机的电机功率峰值比常规抽油机的小得多，因此可以选用较小功率的电机，减小电动机自身损耗和电路损耗，提高功率因数，改善电网的供电质量。

5、同为10型抽油机的主要参数对比：

	本发明抽油机	常规游梁抽油机
			最大悬点载荷kN	61	64.84
最小悬点载荷kN	30.49	55.62
			上冲程最大速度m/s	0.68	1.01
上冲程最大加速度m/s2	0.64	0.91
			上冲程最小加速度m/s2	-0.25	-0.55
上冲程最大扭矩kN.m	14.72	33.31
			上冲程最小扭矩kN.m	0	-10.89
电动机最大功率kW	9.24	20.92
			电动机最小功率kW	0	-6.84

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的结构进行等效的改进。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含在本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种具有T型游梁的钟摆式抽油机，其特征在于，该抽油机包括机架、T型游梁、驴头、减速箱、曲柄和电机，

所述T型游梁通过主轴安装在所述机架上；

摆杆的中心线垂直于主梁以构成刚性连接的所述T型游梁，二者在运动过程中的传动角始终等于90°；所述主梁两端连接所述驴头，所述减速箱的输出轴位于所述主轴的下方；

所述曲柄安装在减速箱的输出轴上，所述曲柄设有拨动装置，所述拨动装置与所述摆杆配合将所述曲柄的旋转运动变为所述摆杆的弧形运动，以带动所述主梁的上下摆动。

2.如权利要求1所述的抽油机，其特征在于，所述拨动装置在所述摆杆的纵向导轨槽内做预定行程内的往复运动，所述摆杆在摆动时传递给所述游梁的传动力矩为可变的。

3.如权利要求2所述的抽油机，其特征在于，所述导轨槽为双面轨道，以提供所述拨动装置在不同旋转角度下的移动轨道和载荷支撑。

4.如权利要求3所述的抽油机，其特征在于，所述摆杆的中心线居于游梁的中心位置，所述驴头对称设置于所述主梁的两端；所述曲柄与减速箱的输出轴的连接处基本位于所述主轴的正下方。

5.如权利要求4所述的抽油机，其特征在于，所述主梁与摆臂固定连接，所述摆杆固定于所述摆臂上。

6.如权利要求5所述的抽油机，其特征在于，所述摆臂呈V型或梯型。

7.如权利要求6所述的抽油机，其特征在于，所述驴头升至最高点或降至最低点时与所述主梁水平位置的水平线形成夹角α，所述摆杆摆动至最大幅度时与所述主梁水平位置的垂直线形成夹角β，所述α＝β。

8.如权利要求7所述的抽油机，其特征在于，所述夹角α或β小于或等于22.5°。

9.如权利要求1-8中任一所述的抽油机，其特征在于，去掉了现有技术中所述曲柄上的平衡块，所述曲柄的旋转在上冲程和下冲程转过的角度不相等；其中，所述曲柄在上冲程转过的角度γ1＞180°，在下冲程转过的角度γ2＜180°。

10.如权利要求9所述的抽油机，其特征在于，所述抽油机还包括电气控制系统，所述减速器的输入轴上设有电磁自动制动器，所述电气控制系统包括用于所述电磁自动制动器在失载情况下实现制动的控制电路。