CN106968642A - 无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，属机电一体化应用新领域。该机包括置于塔筒式或塔架式机架顶平台上的动力机、与动力机减速传动的驱动轮、动力机支座下部设置的卸载挂抽辅助装置和机架底座上设置的作业让位装置以及机架下部控制柜内设置外接传感器的智能控制器，其中驱动轮绳槽内设置一端通过前动滑轮悬挂抽油杆载荷，另一端通过后动滑轮悬挂上部设置失载保护装置的平衡重；机架本体设置攀爬式护栏和顶平台护栏，机架内侧设置平衡重扶正滑轨。该机具有多级减速增距、短链传动、节能降耗的优势，较好地解决了立式抽油机作业让位、卸载挂抽、失载保护的难题，是理想的创新换代机型。
Description
技术领域
本发明为一种无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，属机电一体化应用新领域。
背景技术
在油田开发中，传统四连杆游梁式抽油机是最主要的开采手段。据不完全统计，全世界目前有机械采油井600多万口，四连杆游梁式抽油机约占90％左右，成为机械采油的主导机型。
四连杆游梁式抽油机疲实耐用，百年来经久不衰。但随着科技进步和绿色能源的要求，沿用近2个世纪的传统传动方式技术已经落后，下列技术瓶颈制约着该种机型的发展，亟待进行技术创新。
一是传动链长，系统效率低
四连杆游梁式抽油机从电机输出动力到完成抽油循环，经过电动机→小皮带轮→皮带→大皮带轮→减速箱一轴→减速箱二轴→减速箱三轴→2条曲柄→→2根连杆→横椽→尾轴承→游梁→中轴承→驴头→毛辫子等超长传动链的近30个传动部件，系统效率≤40％。
二是大马拉小车高耗能现象突出，不符合国家产业政策
四连杆游梁式抽油机采用四连杆换向，曲柄旋转平衡。由于该种运动方式理论上无法实现理想的平衡效应，其悬点载荷、平衡效果和扭矩曲线随曲柄旋转角度呈正弦运动规律，一个抽油循环电动机扭矩出现两次0值，一次高峰正值，一次波谷负值，扭矩工况恶劣，动力配置设计上要按3-5倍的额定工况配置电动机，大马拉小车现象严重。目前，根据国家节能环保的产业政策，高耗能设备已列入淘汰行列。
三是危险点源多，调参麻烦，维护工作量繁重
四连杆游梁式抽油机的曲柄旋转机构设计上存在先天危险点源，伤亡事故时有发生。冲程参数调整必须借助于吊车，靠熟练技术工人在危险环境中费时费力高劳动强度才能完成，不符合健康、安全、环保的要求。
针对上述技术制约瓶颈，本申请人40年前提出了无任何中间传动环节，仅靠单台电机驱动，实现理想的天平平衡效应和0电流换向的立式抽油机设计方案，陆续申报并取得国家专利(00246414.4、02257259.7、200510123422.9)，并用实物样机验证了理论和现场应用的可行性。
上述发明创新的公布和实施立即引起抽油机领域的多米诺效应，国内纷纷出现了多种模仿抄袭机型。各类模仿机型虽然其结构和原理没有突出的实质性特点和显著的进步，但从优化改进的角度，也具有一定的参考价值。
与传统四连杆游梁式抽油机相比，上述电机直驱天平平衡立式抽油机节能省材30-60％，不停机智能调参提高工效大于1000倍，维护工作量减少60％以上，适于长冲程、低冲次的工作制度，这些明显的技术优势决定了电机直驱天平平衡立式抽油机大有取代传统四连杆游梁式抽油机的发展趋势。但总结近40年抽油机的发展历程，技术优势如此明显的电机直驱天平平衡立式抽油机仍旧处于小规模试用阶段，始终未能将传统四连杆游梁式抽油机取而代之，其症结在于：
一是抽油机是一种低速大扭矩的重型野外矿场机械，单台电机直驱所需的低速大扭矩，势必要增大电机体积和功率，制造成本居高不下，使制造厂和油田现场都不习惯承受。
二是作业让位、卸载挂抽、失载保护是立式抽油机的结构缺陷，需要进行突破性创新。
三是增加通用减速机实现减速增矩，又回到长链传动的老路，加大了装配难度和成本，降低了效率，增加了维护工作量。
上述三项技术瓶颈，制约了电机直驱天平平衡立式抽油机的发展，亟待持续创新，使之更适于现场实际应用，形成取代性技术优势。
仅靠单台电机实现低速大扭矩驱动，除了设法降低电机驱动载荷减小所需扭矩，另外就是要尽可能提高输出到载荷驱动轴上的扭矩。这就要构建如下高效精短的结构力学模型并进行理论力学验证。
一.塔筒天平平衡效应是降低驱动扭矩的关键
在管式泵抽油机采油中，其上行程最大载荷等于液柱载荷Wf、杆柱载荷Wr、动载荷Wrα、摩擦力Ff之和减去浮力Fb，即：
最大载荷＝Wf+Wr(1+α)+Ff-Fb
下行程最小载荷为杆柱载荷Wr减动载荷Wrα和浮力Fb及摩擦力Ff之和，即：
最小载荷＝Wr(1-α)-(Fb+Ff)
由于上下行程的悬点载荷之差，如果没有适当的平衡，则电动机必须在上行程完成全部有效功，而在下行程，由于重力作用，最小载荷拖动电动机滑行，这就必须使用大功率的电动机及减速装置，同时其效率也很差。为了解决上下行程载荷严重不平衡造成的高能耗、高物耗和低效率问题，必须辅之以适当的平衡。上下行程的平均载荷即“理想的平衡效应”为：
(CI)＝1/2(最大载荷+最小载荷)
＝1/2[Wf+Wr(1+g)+Wr(1-g)-2Fb]
＝Wf/2+Wr-Fb
于是在上冲程，在举升有浮力的抽油杆和液体的综合重量时，电动机会得到这种平衡力的帮助，结果只需要驱动一个相当于液重之半Wf/2的不平衡力。下冲程时，有浮力的抽油杆下行，会受到平衡力的阻抗，结果还剩下一个相当于液重之半Wf/2的不平衡力由电动机完成。经理论计算和矿场验证，Wf/2只相当于最大载荷的20％左右，这就大大减少了电动机的提升负荷，从而降低电动机的输出扭矩并进而减少电动机的配用功率。
二.电机“0”电流换向推翻了大马拉小车的设计理念，实现了车马优化匹配
电机启动电流一般为额定电流的3-5倍，而塔架式天平平衡立式抽油机恰恰需要电机频繁启动实现换向，这就势必造成电机的短寿和高耗能，使用大马拉小车的功率配置实现做功要求。但立式抽油机有杆泵采油游动凡尔的开关机理却巧妙地避免了换向瞬间电机大启动电流的弊端，实现了0电流换向。
当抽油杆上行至上死点电机停机换向的瞬间，井口侧抽油杆和液体的综合重量远大于平衡侧重量，结果井口侧抽油杆和液体的综合重量会拖动电机旋转并带动平衡重上行，但换向动作完成瞬间，井下游动凡尔打开，井口侧液体重量立即卸载，井口侧重量不再大于平衡侧重量，需要电机帮助驱动才能使平衡重继续上行，于是电机巧借已被井口侧抽油杆和液体的综合重量0电流拖动的惯性顺势导通电源正常做功。当抽油杆下行至下死点电机停机换向瞬间，平衡侧重量远大于井口侧重量，平衡重直接拖动电机0电流换向，换向瞬间游动凡尔关闭，抽油杆挂载，平衡侧重量不再大于井口侧重量，于是电机巧借已被平衡重拖动的惯性顺势导通，完成电机频繁启动的0电流换向，从根本上推翻了大马拉小车的设计理念，实现了车马优化匹配。
三.无通用减速机实现多级减速增矩的技术途径
对于抽油机而言，即使按最大的工作参数设计，如冲程8米，冲次4次，电机的额定转速1000转/分，转换到载荷输出轮上，只需要40转/分。这通常需要设置大减速比的减速机减速传动。
无通用减速机并非无法实现多级减速传动。可以优化更为高效的多级减速短链传动模式。
首先，根据机械力学工程计算公式，功率等于扭矩与转速的乘积除9550，即：P＝T×n/9550。
显然，电机功率一定的工况下，要实现大扭矩，大幅度降低转速n，便可以大幅度提高扭矩T。这相当于实现了电机自身大幅度减速的一级减速增矩。
二是将载荷驱动轴和电机输出轴设置大小轮传动，可实现二级减速增矩。
三是动滑轮省力一半可使载荷驱动轴的扭矩减少一半。但由于省力不省功原理，动滑轮挂载运动速度降低一半，这相当于实现了三级减速。
采用上述塔筒天平平衡大幅度减载降矩，动力机、大小轮传动两级减速增矩，动滑轮减载降矩组合传动，为无通用减速机多级减速短链传动立式机搭建了理想的理论平台。
发明内容
针对上述制约立式抽油机发展的三项技术瓶颈，本发明的目的是在低速大扭矩超短链传动、作业让位、卸载挂抽、失载保护等方面攻克上述难题，创新一种无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，实现立式抽油机创新换代。
本发明的技术解决方案是：
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机包括置于塔筒式或塔架式机架(2)顶平台上的动力机、与动力机减速传动的驱动轮(7)、动力机支座下部设置的卸载挂抽辅助装置(12)和机架底座上设置的作业让位装置以及机架下部控制柜内设置外接传感器的智能控制器(17)，其中驱动轮(7)绳槽内设置一端通过前动滑轮(3)悬挂抽油杆载荷，另一端通过后动滑轮(6)悬挂上部设置失载保护装置的平衡重；机架(2)本体设置攀爬式护栏(16)和顶平台护栏，机架(2)内侧设置平衡重扶正滑轨。
所述的动力机结构为以下四种类型之一：
第一种为图1所示的常规机座通用电动机(8)，开关磁阻电机为首选，其与驱动轮(7)的传动方式为双排链条(11)、大双排链轮(10)、小双排链轮(9)驱动轴中部对称减速传动，或者为V形联组带、大、小皮带轮驱动轴端部减速传动，通过小轮驱动大轮实现减速增矩；
第二种为图5和图10所示的凹式双轮轴异型内转子电机(21)，该种电机由驱动轴两端设置定子绕组(21-1)的大直径异型外定子、驱动轴两端内置转子冲片(21-2)的异型内转子和驱动轴中部设置的小直径双驱动轮(21-3)及驱动轴轴端设置的角位移传感器(21-4)组成，通过直径不同的双轮轴驱动实现减载增矩；
第三种为图6和图11所示的凸式双轮轴异型外转子电机(22)，该种电机由驱动轴两端设置的小直径驱动轮、两小直径驱动轮中部对称内置轴向转子冲片(22-1)和大直径径向转子冲片(22-3)的外转子、驱动轴中部内置轴向定子绕组(22-2)或永磁体、径向定子绕组(22-4)的异型内定子组成，通过直径不同的双轮轴驱动实现减载增矩；
第四种为图7和图12所示的定转子嵌套筒式异型外转子电机(23)，该种电机由设置在驱动轴上的嵌套式异型外转子(23-1)、嵌套式异型内定子(23-2)、嵌套式绕组(23-4)和速度传感器(23-5)组成，其嵌套式异型内定子(23-2)通过空心驱动轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式异型外转子(23-1)空腔内，其中嵌套式异型内定子(23-2)镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式异型内定子(23-2)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内，并用压环紧固；嵌套式异型外转子(23-1)内圆面圆周上均布与嵌套式异型内定子(23-2)对应的轴向内键槽，条型嵌套式异型外转子(23-1)铁心凸极嵌套入三组嵌套式异型内定子(23-2)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；嵌套式异型内定子(23-2)铁心凹槽内放置集中环式嵌套式绕组(23-4)；空心轴轴头和密封端盖上设置速度传感器(23-5)，该机通过闭合磁路三维四向驱动实现超大转矩。
所述的驱动轮(7)绳槽内镶嵌耐磨、可更换、适于摩擦传动、减振降噪的填料块，与其配合的前动滑轮(3)和后动滑轮(6)为无油自润滑的MC尼龙轮，二者与传动绳(4)的传动方式为以下八种类型之一：
第一种为图1所示的驱动轮(7)置于塔筒式机架(2)顶部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经悬挂内涨式失载保护平衡重(5)的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、内涨式失载保护平衡重(5)组合为摩擦传动二级减载装置；
第二种为图2所示的驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)绕过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)绕过悬挂外挂式失载保护平衡重(19)的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、外挂式失载保护平衡重(19)组合为摩擦传动二级减载装置；
第三种为图3所示的驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)绕过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)绕过悬挂另一口井抽油杆载荷的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、双井自平衡组合为摩擦传动二级减载装置；
第四种为图4所示的驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)直接悬挂抽油杆载荷，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)直接悬挂外挂式失载保护平衡重(19)，与外挂式失载保护平衡重(19)构成摩擦传动一级减载装置；
第五种为在上述第一至第四种传动方式的基础上，传动绳(4)等分为二，其各一端互逆固定在驱动轮(7)绳槽内，各另一端通过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)和悬挂平衡重的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的前、后连接器联接，与动滑轮、平衡重组合为随机传动二级减载装置；或者各另一端直接悬挂抽油杆载荷和悬挂平衡重，与平衡重构成随机传动一级减载装置；
第六种为在上述第一至第五种传动方式的基础上，驱动轮(7)绳槽改为宽圆面槽，传动绳(4)改为强力纤维带，利用宽圆面槽和强力纤维带上述多种传动方式，与动滑轮、平衡重组合为上述第一至第三种的强力纤维带摩擦传动二级减载装置，与平衡重构成上述第四种的强力纤维带摩擦传动一级减载装置，或者与动滑轮、平衡重组合为上述第五种的强力纤维带随机传动二级减载装置，与平衡重构成上述第五种的强力纤维带随机传动一级减载装置；
第七种为在上述第一至第六种传动方式的基础上，动力机改为凹式双轮轴异型内转子电机(21)或凸式双轮轴异型外转子电机(22)，利用二者的双驱动轮(21-3)和小直径驱动轮与传动绳(4)或强力纤维带的多种传动方式，与动滑轮、双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动三级减载装置，与双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动二级减载装置，或者与动滑轮、双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带随机传动三级减载装置，与双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带随机传动二级减载装置；
第八种为在上述第一至第六种传动方式的基础上，动力机改为定转子嵌套筒式异型外转子电机(23)，利用嵌套式异型外转子(23-1)驱动轮与传动绳(4)或强力纤维带的多种连接方式，与动滑轮、平衡重组合为上述第一至第三种传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动二级减载装置，与平衡重构成上述第五种的传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动一级减载装置，或者与动滑轮、平衡重组合为上述第五种的传动绳(4)或强力纤维带随机传动二级减载装置，与平衡重构成上述第五种的传动绳(4)或强力纤维带随机传动一级减载装置。
所述的卸载挂抽辅助装置(12)如图1所示包括置于机架(2)顶平台上的动力机支架和悬挂于该支架下与动力机同线速度转动绕有悬吊绳的卷筒或微型电动提升装置。
所述的作业让位装置如图1所示包括置于机架(2)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的移机滚轮(1)、微型电动减速机或电动减速拉杆，其移机方式为以下二种类型之一：
第一种为微型电动减速机置于机架(2)下部控制柜内，利用万向轴连接主动移机滚轮(1)，通过微型电动减速机正反向旋转实现整机位移作业让位和复位；
第二种为机架(2)后部混凝土基础预埋与机架底座牵引支座互通的构件，通过电动减速拉杆正反向推拉实现整机位移作业让位和复位。
所述的失载保护装置与智能控制器为机电联动保护装置，其结构形式为以下三种类型之一：
第一种为悬挂于机架(2)顶平台动力机支架下部与动力机同线速度转动的卷筒，该卷筒缠绕同步转速正常运行，异常加速紧急制动的与平衡重连接的悬吊绳；
第二种为如图8所示内涨式失载保护平衡重(5)，该内涨式失载保护平衡重(5)包括置于平衡筒(5-6)之上的带长销孔(5-2)和活动制动蹄片(5-1)的对称制动臂(5-3)，该对称制动臂(5-3)与平衡筒(5-6)吊耳和悬挂装置(5-4)用销轴铰联，悬挂装置(5-4)与平衡筒(5-6)内置的预紧弹簧(5-5)、对称制动臂(5-3)三点汇于一线与传动绳(4)悬挂，依靠意外失载后预紧弹簧(5-5)同步涨开使对称制动臂(5-3)两端的活动制动蹄片(5-1)涨紧于塔筒式机架(2)内壁上实施紧急制动；
第三种为如图9所示外挂式失载保护平衡重(19)，该外挂式失载保护平衡重(19)包括置于平衡筒(5-6)之上带上下挡块(19-2)的由柱销固定的对称挂臂(19-3)，该对称挂臂(19-3)与平衡筒挂载环(19-1)用销轴铰联，对称挂臂(19-3)与挂载环(19-1)铰联之下部位与平衡筒(5-6)设置弹簧(19-4)，平衡筒(5-6)外壁上设置上下扶正轮(19-5)，依靠意外失载后弹簧(19-4)同步拉紧对称挂臂(19-3)使其平稳挂在框架式机架(2)的扶正防坠落导轨(20)预设孔内实施紧急制动。
所述的智能控制器(17)为集数据采集、参数显示、操作控制、远传遥控、电机优化运行、立式抽油机采油动态优化于一体的数字智能控制器，内置以单板机为核心的数据分析、决策指令、优化控制模块，示功图模拟、油水计量分析模块，数据和图像采集远传单元，功率变换器和保证抽油机安全优化运行的中位传感器(14)及上限位保护开关(13)、下限位保护开关(15)，其显示屏动态显示电压、电流、频率、电量、冲程、冲次、示功图、产液量，其操作控制界面设置启动、停机、冲程调节、冲次调节按钮，并设置过压、过流、缺相、断电、失载保护装置。
采用以上技术方案，本发明既发挥了短链传动的优势，又实现了多级减速增距，不但比传统四连杆游梁机具有节能增效、安全环保、智能调参的明显技术优势，而且较好地解决了立式抽油机作业让位、卸载挂抽、失载保护的难题，尤其是示功图模拟和远传遥控功能，为采油参数动态优化、油水计量、智能间抽提供了强大的软硬件支持，为物联网数字化油田创新了更简捷高效的创新换代机型。
附图说明
图1为无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机结构示意图；
图2为驱动系统下置框架式动滑轮挂载双天轮导向立式机结构示意图；
图3为驱动系统下置框架式动滑轮挂载一机双抽立式机结构示意图；
图4为驱动系统下置框架式驱动绳挂载双天轮导向立式机结构示意图；
图5为凹式双轮轴异型内转子电机驱动立式抽油机结构示意图；
图6为凸式双轮轴异型外转子电机驱动立式抽油机结构示意图；
图7为定转子嵌套筒式异型外转子电机驱动立式抽油机结构示意图；
图8为图1的内涨式失载保护平衡重结构示意图；
图9为图2的外挂式失载保护平衡重结构示意图；
图10为图5的凹式双轮轴异型内转子电机结构示意图；
图11为图6的凸式双轮轴异型外转子电机结构示意图；
图12为图7的定转子嵌套筒式异型外转子电机结构示意图。
图中：1.移机滚轮；2.机架；3.前动滑轮；4.传动绳；5.内涨式失载保护平衡重；6.后动滑轮；7.驱动轮；8.通用电动机；9.小双排链轮；10.大双排链轮；11.双排链条；12.卸载挂抽辅助装置；13.上限位保护开关；14.中位传感器；15.下限位保护开关；16.爬梯护栏；17.智能控制器；18.导向天轮；19.外挂式失载保护平衡重；20.扶正防坠落导轨；21.凹式双轮轴异型内转子电机；22.凸式双轮轴异型外转子电机；23.定转子嵌套筒式异型外转子电机。其中：
内涨式失载保护平衡重5：
5-1.活动制动蹄片；5-2.长销孔；5-3.对称制动臂；5-4.悬挂装置；5-5.预紧弹簧；5-6.平衡筒。
外挂式失载保护平衡重19：
19-1.挂载环；19-2.挡块；19-3.对称挂臂；19-4.弹簧；19-5.扶正轮。
凹式双轮轴异型内转子电机21：
21-1.定子绕组；21-2.转子冲片；21-3.双驱动轮；21-4.角位移传感器。
凸式双轮轴异型外转子电机22：
22-1.轴向转子冲片；22-2.轴向定子绕组；22-3.径向转子冲片；22-4.径向定子绕组。
定转子嵌套筒式异型外转子电机23：
23-1.嵌套式异型外转子；23-2.嵌套式异型内定子；23-3.闭合磁路；23-4.嵌套式绕组；23-5.速度传感器。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示：本发明所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机包括置于塔筒式或塔架式机架(2)顶平台上的动力机、与动力机减速传动的驱动轮(7)、动力机支座下部设置的卸载挂抽辅助装置(12)和机架底座上设置的作业让位装置以及机架下部控制柜内设置外接传感器的智能控制器(17)，其中驱动轮(7)绳槽内设置一端通过前动滑轮(3)悬挂抽油杆载荷，另一端通过后动滑轮(6)悬挂上部设置失载保护装置的平衡重；机架(2)本体设置攀爬式护栏(16)和顶平台护栏，机架(2)内侧设置平衡重扶正滑轨。
所述的动力机结构为图1所示的常规机座通用电动机(8)，开关磁阻电机为首选，其与驱动轮(7)的传动方式为双排链条(11)、大双排链轮((10)、小双排链轮(9)驱动轴中部对称减速传动，或者为V形联组带、大、小皮带轮驱动轴端部减速传动，通过小轮驱动大轮实现减速增矩。
所述的驱动轮(7)绳槽内镶嵌耐磨、可更换、适于摩擦传动、减振降噪的填料块，与其配合的前动滑轮(3)和后动滑轮(6)为无油自润滑的MC尼龙轮，二者与传动绳(4)的传动方式为图1所示的驱动轮(7)置于塔筒式机架(2)顶部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经悬挂内涨式失载保护平衡重(5)的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、内涨式失载保护平衡重(5)组合为摩擦传动二级减载装置。
所述的卸载挂抽辅助装置(12)如图1所示包括置于机架(2)顶平台上的动力机支架和悬挂于该支架下与动力机同线速度转动绕有悬吊绳的卷筒或微型电动提升装置。
所述的作业让位装置如图1所示包括置于机架(2)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的移机滚轮(1)、微型电动减速机或电动减速拉杆，其移机方式为机架(2)后部混凝土基础预埋与机架底座牵引支座互通的构件，通过电动减速拉杆正反向推拉实现整机位移作业让位和复位。
所述的失载保护装置与智能控制器为机电联动保护装置，其结构形式为如图8所示内涨式失载保护平衡重(5)，该内涨式失载保护平衡重(5)包括置于平衡筒(5-6)之上的带长销孔(5-2)和活动制动蹄片(5-1)的对称制动臂(5-3)，该对称制动臂(5-3)与平衡筒(5-6)吊耳和悬挂装置(5-4)用销轴铰联，悬挂装置(5-4)与平衡筒(5-6)内置的预紧弹簧(5-5)、对称制动臂(5-3)三点汇于一线与传动绳(4)悬挂，依靠意外失载后预紧弹簧(5-5)同步涨开使对称制动臂(5-3)两端的活动制动蹄片(5-1)涨紧于塔筒式机架(2)内壁上实施紧急制动。
所述的智能控制器(17)为集数据采集、参数显示、操作控制、远传遥控、电机优化运行、立式抽油机采油动态优化于一体的数字智能控制器，内置以单板机为核心的数据分析、决策指令、优化控制模块，示功图模拟、油水计量分析模块，数据和图像采集远传单元，功率变换器和保证抽油机安全优化运行的中位传感器(14)及上限位保护开关(13)、下限位保护开关(15)，其显示屏动态显示电压、电流、频率、电量、冲程、冲次、示功图、产液量，其操作控制界面设置启动、停机、冲程调节、冲次调节按钮，并设置过压、过流、缺相、断电、失载保护装置。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：220kn； 电动机功率：90kw；
冲程：1-8m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：25000kg； 外型尺寸：2.5×1.8×12(m)。
实施例2：
如图2所示：本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的主体结构同实施例1，只对下述动力机的机架(2)结构、动力机设置位置、平衡方式及整机设计参数进行了改进：
所述的驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)绕过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)绕过悬挂外挂式失载保护平衡重(19)的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、外挂式失载保护平衡重(19)组合为摩擦传动二级减载装置。
所述的失载保护装置为如图9所示外挂式失载保护平衡重(19)，该外挂式失载保护平衡重(19)包括置于平衡筒(5-6)之上带上下挡块(19-2)的由柱销固定的对称挂臂(19-3)，该对称挂臂(19-3)与平衡筒挂载环(19-1)用销轴铰联，对称挂臂(19-3)与挂载环(19-1)铰联之下部位与平衡筒(5-6)设置弹簧(19-4)，平衡筒(5-6)外壁上设置上下扶正轮(19-5)，依靠意外失载后弹簧(19-4)同步拉紧对称挂臂(19-3)使其平稳挂在框架式机架(2)的扶正防坠落导轨(20)预设孔内实施紧急制动。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：200kn； 电动机功率：75kw；
冲程：1-8m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：22000kg； 外型尺寸：2.5×1.8×12(m)。
实施例3：
如图3所示：本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的主体结构同实施例1，只对下述机架结构、动力机的设置位置、平衡方式及整机设计参数进行了改进：
所述的驱动轮(7)为图3所示的置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)绕过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)绕过悬挂另一口井抽油杆载荷的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、双井自平衡组合为摩擦传动二级减载装置。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：180kn； 电动机功率：55kw；
冲程：1-8m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：20000kg； 外型尺寸：2.5×1.8×12(m)。
实施例4：
如图4所示：本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的主体结构同实施例1，只对下述机架结构、动力机设置位置、传动绳(4)传动方式、失载保护装置及整机设计参数进行了改进：
所述的驱动轮(7)为图4所示的置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)直接悬挂抽油杆载荷，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)直接悬挂外挂式失载保护平衡重(19)，与外挂式失载保护平衡重(19)构成摩擦传动一级减载装置。
所述的失载保护装置为图9所示外挂式失载保护平衡重(19)，该外挂式失载保护平衡重(19)包括置于平衡筒(5-6)之上带上下挡块(19-2)的由柱销固定的对称挂臂(19-3)，该对称挂臂(19-3)与平衡筒挂载环(19-1)用销轴铰联，对称挂臂(19-3)与挂载环(19-1)铰联之下部位与平衡筒(5-6)设置弹簧(19-4)，平衡筒(5-6)外壁上设置上下扶正轮(19-5)，依靠意外失载后弹簧(19-4)同步拉紧对称挂臂(19-3)使其平稳挂在框架式机架(2)的扶正防坠落导轨(20)预设孔内实施紧急制动。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：160kn； 电动机功率：45kw；
冲程：1-8m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：18000kg； 外型尺寸：2.5×1.8×12(m)。
实施例5：
如图5和图10所示：本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的主体结构同实施例1，只对下述动力机结构、传动绳(4)的传动方式及整机设计参数进行了改进：
所述的动力机结构为凹式双轮轴异型内转子电机(21)，该种电机由驱动轴两端设置定子绕组(21-1)的大直径异型外定子、驱动轴两端内置转子冲片(21-2)的异型内转子和驱动轴中部设置的小直径双驱动轮(21-3)及驱动轴轴端设置的角位移传感器(21-4)组成，通过直径不同的双轮轴驱动实现减载增矩。
所述的传动绳(4)等分为二，其各一端互逆固定在双驱动轮(21-3)绳槽内，各另一端通过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)和悬挂平衡重的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的前、后连接器联接，与动滑轮、双轮轴、平衡重组合为随机传动三级减载装置。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：140kn； 电动机功率：37kw；
冲程：1-6m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：15000kg； 外型尺寸：2.0×1.4×10(m)。
实施例6：
如图6和图11所示：本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的主体结构同实施例1，只对下述动力机结构、驱动轮(7)绳槽结构和传动绳(4)的类型及整机设计参数进行了改进：
所述的动力机结构为凸式双轮轴异型外转子电机(22)，该种电机由驱动轴两端设置的小直径驱动轮、两小直径驱动轮中部对称内置轴向转子冲片(22-1)和大直径径向转子冲片(22-3)的外转子、驱动轴中部内置轴向定子绕组(22-2)或永磁体、径向定子绕组(22-4)的异型内定子组成，通过直径不同的双轮轴驱动实现减载增矩。
所述的小直径驱动轮绳槽改为宽圆面槽，传动绳(4)改为强力纤维带，利用宽圆面槽和强力纤维带摩擦传动，与动滑轮、双轮轴、平衡重组合为强力纤维带摩擦传动三级减载装置。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：120kn； 电动机功率：22kw；
冲程：1-6m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：13000kg； 外型尺寸：2.0×1.4×10(m)。
实施例7：
如图7和图12所示：本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的主体结构同实施例1，只对下述动力机的结构、驱动轮(7)绳槽结构和强力纤维带的传动方式及整机设计参数进行了改进：
所述的动力机为定转子嵌套筒式异型外转子电机(23)，该种电机由设置在驱动轴上的嵌套式异型外转子(23-1)、嵌套式异型内定子(23-2)、嵌套式绕组(23-4)和速度传感器(23-5)组成。其嵌套式异型内定子(23-2)通过空心驱动轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式异型外转子(23-1)空腔内，其中嵌套式异型内定子(23-2)镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式异型内定子(23-2)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内，并用压环紧固；嵌套式异型外转子(23-1)内圆面圆周上均布与嵌套式异型内定子(23-2)对应的轴向内键槽，条型嵌套式异型外转子(23-1)铁心凸极嵌套入三组嵌套式异型内定子(23-2)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；嵌套式异型内定子(23-2)铁心凹槽内放置集中环式嵌套式绕组(23-4)；空心轴轴头和密封端盖上设置速度传感器(23-5)。该机通过闭合磁路三维四向驱动实现超大转矩。
所述的驱动轮(7)绳槽改为宽圆面槽，传动绳(4)改为强力纤维带，强力纤维带等分为二，其各一端互逆固定在驱动轮宽圆面槽内，各另一端通过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)和悬挂平衡重的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的前、后连接器联接，与动滑轮、平衡重组合为随机传动二级减载装置。
所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：100kn； 电动机功率：18kw；
冲程：1-6m无级调节； 冲次：1-4r/min无级调节；
整机重量：12000kg； 外型尺寸：2.0×1.4×10(m)。
上述7例实施方案为本发明无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机以驱动载荷220、200、180、160、140、120、100kn为设计模板的标准化设计，并非对本发明涉及技术方案的限制，据此可容易地实现无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机的技术系列，所属技术领域的技术人员在本发明涉及的技术范围内提出的各种雷同或相似变化方案，仍属于本发明的权利保护范围。
Claims (7)
1.一种无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：该机包括置于塔筒式或塔架式机架(2)顶平台上的动力机、与动力机减速传动的驱动轮(7)、动力机支座下部设置的卸载挂抽辅助装置(12)和机架底座上设置的作业让位装置以及机架下部控制柜内设置外接传感器的智能控制器(17)，其中驱动轮(7)绳槽内设置一端通过前动滑轮(3)悬挂抽油杆载荷，另一端通过后动滑轮(6)悬挂上部设置失载保护装置的平衡重；机架(2)本体设置攀爬式护栏(16)和顶平台护栏，机架(2)内侧设置平衡重扶正滑轨。
2.根据权利要求1所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：所述的动力机结构为以下四种类型之一：
第一种为常规机座通用电动机(8)，开关磁阻电机为首选，其与驱动轮(7)的传动方式为双排链条(11)、大双排链轮(10)、小双排链轮(9)驱动轴中部对称减速传动，或者为V形联组带、大、小皮带轮驱动轴端部减速传动，通过小轮驱动大轮实现减速增矩；
第二种为凹式双轮轴异型内转子电机(21)，该种电机由驱动轴两端设置定子绕组(21-1)的大直径异型外定子、驱动轴两端内置转子冲片(21-2)的异型内转子和驱动轴中部设置的小直径双驱动轮(21-3)及驱动轴轴端设置的角位移传感器(21-4)组成，通过直径不同的双轮轴驱动实现减载增矩；
第三种为凸式双轮轴异型外转子电机(22)，该种电机由驱动轴两端设置的小直径驱动轮、两小直径驱动轮中部对称内置轴向转子冲片(22-1)和大直径径向转子冲片(22-3)的外转子、驱动轴中部内置轴向定子绕组(22-2)或永磁体、径向定子绕组(22-4)的异型内定子组成，通过直径不同的双轮轴驱动实现减载增矩；
第四种为定转子嵌套筒式异型外转子电机(23)，该种电机由设置在驱动轴上的嵌套式异型外转子(23-1)、嵌套式异型内定子(23-2)、嵌套式绕组(23-4)和速度传感器(23-5)组成，其嵌套式异型内定子(23-2)通过空心驱动轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式异型外转子(23-1)空腔内，其中嵌套式异型内定子(23-2)镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式异型内定子(23-2)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内，并用压环紧固；嵌套式异型外转子(23-1)内圆面圆周上均布与嵌套式异型内定子(23-2)对应的轴向内键槽，条型嵌套式异型外转子(23-1)铁心凸极嵌套入三组嵌套式异型内定子(23-2)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；嵌套式异型内定子(23-2)铁心凹槽内放置集中环式嵌套式绕组(23-4)；空心轴轴头和密封端盖上设置速度传感器(23-5)，该机通过闭合磁路三维四向驱动实现超大转矩。
3.根据权利要求1所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：所述的驱动轮(7)绳槽内镶嵌耐磨、可更换、适于摩擦传动、减振降噪的填料块，与其配合的前动滑轮(3)和后动滑轮(6)为无油自润滑的MC尼龙轮，二者与传动绳(4)的传动方式为以下八种类型之一：
第一种为驱动轮(7)置于塔筒式机架(2)顶部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经悬挂内涨式失载保护平衡重(5)的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、内涨式失载保护平衡重(5)组合为摩擦传动二级减载装置；
第二种为驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)绕过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)绕过悬挂外挂式失载保护平衡重(19)的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、外挂式失载保护平衡重(19)组合为摩擦传动二级减载装置；
第三种为驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)绕过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)与机架(2)顶部的前连接器联接，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)绕过悬挂另一口井抽油杆载荷的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的后连接器联接，与动滑轮、双井自平衡组合为摩擦传动二级减载装置；
第四种为驱动轮(7)置于框架式机架(2)底部，披敷在驱动轮(7)绳槽内的传动绳(4)一端经导向天轮(18)直接悬挂抽油杆载荷，传动绳(4)另一端经另一组导向天轮(18)直接悬挂外挂式失载保护平衡重(19)，与外挂式失载保护平衡重(19)构成摩擦传动一级减载装置；
第五种为在上述第一至第四种传动方式的基础上，传动绳(4)等分为二，其各一端互逆固定在驱动轮(7)绳槽内，各另一端通过悬挂抽油杆载荷的前动滑轮(3)和悬挂平衡重的后动滑轮(6)与机架(2)顶部的前、后连接器联接，与动滑轮、平衡重组合为随机传动二级减载装置；或者各另一端直接悬挂抽油杆载荷和悬挂平衡重，与平衡重构成随机传动一级减载装置；
第六种为在上述第一至第五种传动方式的基础上，驱动轮(7)绳槽改为宽圆面槽，传动绳(4)改为强力纤维带，利用宽圆面槽和强力纤维带上述多种传动方式，与动滑轮、平衡重组合为上述第一至第三种的强力纤维带摩擦传动二级减载装置，与平衡重构成上述第四种的强力纤维带摩擦传动一级减载装置，或者与动滑轮、平衡重组合为上述第五种的强力纤维带随机传动二级减载装置，与平衡重构成上述第五种的强力纤维带随机传动一级减载装置；
第七种为在上述第一至第六种传动方式的基础上，动力机改为凹式双轮轴异型内转子电机(21)或凸式双轮轴异型外转子电机(22)，利用二者的双驱动轮(21-3)和小直径驱动轮与传动绳(4)或强力纤维带的多种传动方式，与动滑轮、双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动三级减载装置，与双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动二级减载装置，或者与动滑轮、双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带随机传动三级减载装置，与双轮轴、平衡重组合为传动绳(4)或强力纤维带随机传动二级减载装置；
第八种为在上述第一至第六种传动方式的基础上，动力机改为定转子嵌套筒式异型外转子电机(23)，利用嵌套式异型外转子(23-1)驱动轮与传动绳(4)或强力纤维带的多种连接方式，与动滑轮、平衡重组合为上述第一至第三种传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动二级减载装置，与平衡重构成上述第五种的传动绳(4)或强力纤维带摩擦传动一级减载装置，或者与动滑轮、平衡重组合为上述第五种的传动绳(4)或强力纤维带随机传动二级减载装置，与平衡重构成上述第五种的传动绳(4)或强力纤维带随机传动一级减载装置。
4.根据权利要求1所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：所述的卸载挂抽辅助装置(12)包括置于机架(2)顶平台上的动力机支架和悬挂于该支架下与动力机同线速度转动绕有悬吊绳的卷筒或微型电动提升装置。
5.根据权利要求1所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：所述的作业让位装置包括置于机架(2)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的移机滚轮(1)、微型电动减速机或电动减速拉杆，其移机方式为以下二种类型之一：
第一种为微型电动减速机置于机架(2)下部控制柜内，利用万向轴连接主动移机滚轮(1)，通过微型电动减速机正反向旋转实现整机位移作业让位和复位；
第二种为机架(2)后部混凝土基础预埋与机架底座牵引支座互通的构件，通过电动减速拉杆正反向推拉实现整机位移作业让位和复位。
6.根据权利要求1所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：所述的失载保护装置与智能控制器为机电联动保护装置，其结构形式为以下三种类型之一：
第一种为悬挂于机架(2)顶平台动力机支架下部与动力机同线速度转动的卷筒，该卷筒缠绕同步转速正常运行，异常加速紧急制动的与平衡重连接的悬吊绳；
第二种为内涨式失载保护平衡重(5)，该内涨式失载保护平衡重(5)包括置于平衡筒(5-6)之上的带长销孔(5-2)和活动制动蹄片(5-1)的对称制动臂(5-3)，该对称制动臂(5-3)与平衡筒(5-6)吊耳和悬挂装置(5-4)用销轴铰联，悬挂装置(5-4)与平衡筒(5-6)内置的预紧弹簧(5-5)、对称制动臂(5-3)三点汇于一线与传动绳(4)悬挂，依靠意外失载后预紧弹簧(5-5)同步涨开使对称制动臂(5-3)两端的活动制动蹄片(5-1)涨紧于塔筒式机架(2)内壁上实施紧急制动；
第三种为外挂式失载保护平衡重(19)，该外挂式失载保护平衡重(19)包括置于平衡筒(5-6)之上带上下挡块(19-2)的由柱销固定的对称挂臂(19-3)，该对称挂臂(19-3)与平衡筒挂载环(19-1)用销轴铰联，对称挂臂(19-3)与挂载环(19-1)铰联之下部位与平衡筒(5-6)设置弹簧(19-4)，平衡筒(5-6)外壁上设置上下扶正轮(19-5)，依靠意外失载后弹簧(19-4)同步拉紧对称挂臂(19-3)使其平稳挂在框架式机架(2)的扶正防坠落导轨(20)预设孔内实施紧急制动。
7.根据权利要求1所述的无通用减速机的多级减速短链传动立式抽油机，其特征在于：所述的智能控制器(17)为集数据采集、参数显示、操作控制、远传遥控、电机优化运行、立式抽油机采油动态优化于一体的数字智能控制器，内置以单板机为核心的数据分析、决策指令、优化控制模块，示功图模拟、油水计量分析模块，数据和图像采集远传单元，功率变换器和保证抽油机安全优化运行的中位传感器(14)及上限位保护开关(13)、下限位保护开关(15)，其显示屏动态显示电压、电流、频率、电量、冲程、冲次、示功图、产液量，其操作控制界面设置启动、停机、冲程调节、冲次调节按钮，并设置过压、过流、缺相、断电、失载保护装置。
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