CN110145464A - 双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，包括底座、锥齿轮减速器、防反转制动部件和电动机；锥齿轮减速器包括主壳体和齿轮传动机构，齿轮传动机构输出端与输出轴连接；电动机包括第一电动机和第二电动机，分别通过皮带与齿轮传动机构连接，第一电动机和第二电动机的输出转速相同；防反转制动部件设置在锥齿轮减速器的主壳体的上方，防反转制动部件包括制动壳体、中心支架、制动蹄和单向超越离合器，中心支架与制动蹄之间设有用于使中心支架转动时将制动蹄与制动壳体内表面接触的连接装置；中心支架与输出轴之间设置有单向超越离合器。具有输出转矩大、防反转制动过程缓和、抽油杆的转矩势能得到安全释放的特点。

Description

双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置

技术领域

本发明涉及石油天然气开发中的采油机械技术领域，具体涉及一种双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置。

背景技术

螺杆泵是一种主要的采油装置，自从20世纪80年代开始迅速发展，国内的螺杆泵地面驱动装置多采用锥齿轮传动形式，螺杆泵井在生产过程中，杆柱承受扭矩，使抽油杆产生弹性变形，储存一定的弹性势能，当出现电力系统断电或者井下螺杆泵卡泵时，抽油杆中储存在扭转弹性势能会瞬间释放出来，带动锥齿轮传动系统和电动机高速反转，螺杆泵系统杆柱翻转不加以控制，容易引起地面装置的损坏、抽油杆因高速反转而出现脱扣问题，威胁操作人员和油井设备的安全，为此，通常采用棘轮棘爪式防反转装置和液压制动防反转进行制动防反转。

棘轮棘爪防反转机构的工作原理：当出现电力系统断电或者井下螺杆泵卡泵时，棘轮棘爪会迅速将锥齿轮传动机构锁住，防止抽油杆的高度反转发生，然后需要操作人员调节棘爪，使得转矩释放出来，这一过程中，由于没有制动部件的制动作用，锥齿轮传动器系统和电动机都存在高速反转，转动惯量大，由于需要操作工人靠近地面驱动装置，存在安全隐患。

液压制动防反转机构的工作原理：通过锥齿轮传动机构反转时带动液压泵输出液压油，带动液压缸对安装在输出轴的刹车盘进行制动，但是这种系统的锥齿轮传动系统和电动机存在高速反转，同时，液压系统在长时间闲置后容易出现动作不灵活等问题。

同时，现有的螺杆泵地面驱动装置以单电动机为动力，存在输入动力不足，输出的转矩较小，无法驱动深井螺杆泵的驱动工作，使得现有的螺杆泵的井身多为2000米以内，不适合现在油田的深井抽油作业。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种结构合理，能保证输入动力及防反转，安全性高的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置。

其技术方案是：双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，包括底座、锥齿轮减速器、防反转制动部件和电动机；

所述锥齿轮减速器安装在底座上，所述锥齿轮减速器包括主壳体和设置在主壳体内部的齿轮传动机构，所述齿轮传动机构输出端与输出轴连接，所述输出轴上端伸出所述主壳体顶部；

所述电动机包括第一电动机和第二电动机，所述第一电动机和第二电动机分别设置在主壳体的两侧，且分别通过皮带传动机构与齿轮传动机构连接，所述第一电动机和第二电动机的皮带传动机构相同，所述第一电动机和第二电动机的输出转速相同；

所述防反转制动部件设置在锥齿轮减速器的主壳体的上方，所述防反转制动部件包括制动壳体、设置在制动壳体内的中心支架、制动蹄和单向超越离合器，所述制动壳体固定在主壳体的上方，所述中心支架套设在输出轴上并与输出轴同轴设置，所述中心支架与制动蹄之间设有用于使中心支架转动时将制动蹄与制动壳体内表面接触的连接装置；所述中心支架与输出轴之间设置有用于传递反向转矩的单向超越离合器。

优选的，所述齿轮传动机构包括安装在主壳体内的第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮和输出锥齿轮，所述主壳体的两侧分别对称设有第一输入端和第二输入端，所述第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮分别位于第一输入端和第二输入端处，所述第一输入锥齿轮与第二输入锥齿轮的齿数相同，且所述第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮分别与输出锥齿轮啮合，所述输出锥齿轮固定安装在输出轴上。

优选的，所述皮带传动机构包括安装在第一电动机输出轴上的第一主动皮带轮和安装在第二电动机输出轴上的第二主动皮带轮；所述第一输入锥齿轮的齿轮轴上安装有第一从动皮带轮，所述第一主动皮带轮与第一从动皮带轮通过皮带连接；所述第二输入锥齿轮的齿轮轴上安装有第二从动皮带轮，所述第二主动皮带轮与第二从动皮带轮通过皮带连接；所述第一主动皮带轮和第二主动皮带轮的结构尺寸相同，所述第一从动皮带轮与第二从动皮带轮的结构尺寸相同。

优选的，所述中心支架为套设在输出轴外侧并与输出轴同轴设置的套筒；所述连接装置包括至少两个对称的连接支架和弹簧，所述连接支架设置在套筒外壁并向制动壳体方向延伸；所述制动蹄包括至少两个弧形制动块，每个弧形制动块的外表面与制动壳体的内表面形成制动间隙，每个弧形制动块的一端分别与每个连接支架的自由端铰接，另一端通过弹簧与套筒外壁连接。

优选的，所述第一电动机与第二电动机分别连接有反转制动电路。

优选的，所述输出轴上位于制动壳体上方设置有用于起到反转制动作用的棘轮棘爪机构，所述棘轮安装在输出轴上，可调节棘爪安装在制动壳体上。

优选的，所述第一电动机与第二电动机为三相交流异步电动机，第一电动机与第二电动机的极数相同。

优选的，所述第一电动机与第二电动机为功率相同的永磁电机。

优选的，所述制动器壳体与主壳体之间设置有隔热片，所述制动器壳体外圆周均布有散热翅。

优选的，所述第一电动机和第二电动机同步启停或独立控制启停。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

1.通过两个电动机同时驱动，传动部件的输出轴的转矩较单电动机驱动的输出转矩增大1倍，适合于驱动大排量、深井的井下螺杆泵，提高螺杆泵举升能力和产业能力。采用两个对称布置的输入锥齿轮同时与输出锥齿轮啮合的传动方式，使得输出锥齿轮的齿轮齿受力均匀，防止因为转矩过大而造成齿轮齿损坏的问题发生，经过皮带减速和锥齿轮两级减速，与一级皮带减速传动方式相比，本发明的输出轴转速可达到100-150转/分钟，更适合于低转速的井下螺杆泵的工作要求。

2. 在制动部件的中心支架与输出轴之间设置了单向超越离合器，仅能实现输出轴反向转动时带动中心支架转动，从而使得制动蹄的制动片与制动壳体的制动壳体接触，产生制动效应，而输出轴在蜗轮蜗杆机构驱动下正向转动时，单向超越离合器不会带动中心支架转动，制动部件不会产生制动作用，而不会影响螺杆泵地面驱动装置的正产工作。

3. 在制动壳体和主壳体之间设置了隔热片，防止制动部件制动过程中产生的热量传递到主壳体内而出现烧毁传动部件的问题发生，并在制动壳体的外圆周设置散热翅，起到快速散热的效果。

4. 减速传动器布置在底座的中心位置，两个驱动电动机和皮带轮对称布置在在减速传动器的外侧，使得整套装置的重心分布在底座的中心位置，便于现场安装和井架底座受力平衡。

附图说明

图1是本发明提供的螺杆泵地面驱动装置的实施例一的主视图。

图2是本发明提供的螺杆泵地面驱动装置的实施例一的俯视图。

图3是锥齿轮减速箱和制动部件的纵向剖视图。

图4是图1的A-A处的剖视图。

图5是图1的C-C剖视图。

图6是处于反转状态的制动部件的剖视图。

图7是本发明提供的螺杆泵地面驱动装置的实施例二的主视图。

图8是本发明提供的螺杆泵地面驱动装置的实施例二的俯视图。

图9是本发明提供的螺杆泵地面驱动装置的实施例三的主视图。

图中，1—底座，2—锥齿轮减速器，21—主壳体，211—第一输入端，211—第二输入端，22—第一输入锥齿轮，23—第二输入锥齿轮，24—输出锥齿轮，25—输出轴，26—棘轮，27—可调棘爪，31—第一电动机，32—第二电动机，41—第一主动皮带轮，42—第一从动皮带轮，43—第一传动皮带，44—第二主动皮带轮，45—第二从动皮带轮，46—第二传动皮带，47—第一皮带护罩，48—第二皮带护罩，5—防反转制动部件，51—制动壳体，52—中心支架，53—制动蹄，54—弹簧，55—单向超越离合器，56—制动间隙，61—井口阀座，62—支架，63—盘根盒，7—光杆，81—第一反向制动电路，82—第二反向制动电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参照图1-图4，双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，由底座1、锥齿轮减速器2、防反转制动部件5、两个同等规格的电动机等部分构成。底座1的下方设置有井口阀座61，井口阀座61通过支架62与底座1底部连接在一起，井口阀座61上设置有盘根盒63。锥齿轮减速器2的主壳体21为圆筒状，主壳体21的中心轴线呈竖直方向固定在底座1的中间位置，主壳体21上端的两侧呈对称设置有由主壳体21沿着水平方向向外延伸的第一输入端211和第二输入端212；主壳体21设置有与中心轴线重合的输出轴25，输出轴25的上端延伸至主壳体21外，输出轴25的中间部分固定安装有输出锥齿轮24；第一输入端211通过轴承安装有与输出锥齿轮24啮合的第一输入锥齿轮22，第二输入端212通过轴承安装有与输出锥齿轮24啮合的第二输入锥齿轮23，第一输入锥齿轮22的齿数与第二输入锥齿轮23相同；底座1位于主壳体21的左侧安装有第一电动机31，第一输入锥齿轮22的齿轮轴安装有第一从动皮带轮42，第一电动机31的电动机轴安装有第一主动皮带轮41，第一主动皮带轮41和第一从动皮带轮42通过第一传动皮带43连接。

底座1位于主壳体21的右侧安装有第二电动机32，第二输入锥齿轮23的齿轮轴安装有第二从动皮带轮45，第二电动机32的电动机轴安装有第二主动皮带轮44，第二主动皮带轮44与第二从动皮带轮45通过第二传动皮带46连接在一起；第一传动皮带43和第二传动皮带46分别通过第一皮带护罩47、第二皮带护罩48保护；另外，第一从动皮带轮42和第二从动皮带轮45的结构尺寸相同，第一主动皮带轮41和第二主动皮带轮44的结构尺寸相同，第一电动机31和第二电动机32的输出转速相同，这样能保证输出轴的转矩较单电动机驱动的输出转矩增大1倍，适合于驱动大排量、深井的井下螺杆泵，提高螺杆泵举升能力和产业能力。采用两个对称布置的输入锥齿轮同时与输出锥齿轮啮合的传动方式，使得输出锥齿轮的齿轮齿受力均匀，防止因为转矩过大而造成齿轮齿损坏的问题发生，经过皮带减速和锥齿轮两级减速，与一级皮带减速传动方式相比，本发明的输出轴转速可达到100-150转/分钟，更适合于低转速的井下螺杆泵的工作要求。

如图5和图6所示，防反转制动部件5设置在锥齿轮减速器2的主壳体21的上方，包括制动壳体51、设置在制动壳体51内的中心支架52、制动蹄53和单向超越离合器55。

制动壳体51固定在主壳体21的上方，中心支架52通过内孔套设在输出轴25外侧，中心支架52为套筒，且主壳体21、制动壳体52和套筒的横向截面均为圆形且同轴设置，套筒的两侧为两个对称的连接支架，连接支架设置在套筒外壁并向制动壳体51方向延伸；制动蹄53包括两个弧形制动块，每个弧形制动块的外表面与制动壳体51的内表面形成制动间隙56，每个弧形制动块的一端分别与每个连接支架的自由端铰接，另一端通过弹簧54与套筒外壁连接。中心支架52与输出轴25之间设置有用于传递反向转矩的单向超越离合器55。这样当输出轴25反向转动通过单向超越离合器55带动中心支架52转动时，使得制动蹄53的制动片与制动壳体51的内壁接触，产生制动效应，而输出轴25在蜗轮蜗杆机构驱动下正向转动时，单向超越离合器不会带动中心支架转动，制动部件不会产生制动作用，而不会影响螺杆泵地面驱动装置的正产工作。当然连接支架、弹簧以及弧形制动块的个数可以根据需要设置。

制动器壳体51与主壳体21之间设置有隔热片（图中未示出），制动器壳体51外圆周均布有散热翅（图中未示出）。

实施例一的防反转制动的工作过程：

当第一电动机31和第二电动机32通电时，两个电动机分别通过第一输入锥齿轮22和第二输入锥齿轮23驱动输出锥齿轮24转动，带动与输出轴25连接在一起的抽油杆和螺杆泵转子正向转动，进行采油作业，这一过程中，单向超越离合器55处于脱离状态，防反转制动部件5的中心支架52不随着输出轴25转动，因此防反转制动部件5不工作，因此不会对输出轴25产生阻力矩。

当停电时，井下抽油杆带动螺杆泵驱动装置的输出轴25反转，转速较高，制动蹄53产生的离心力较大，克服弹簧54的弹力，制动蹄53张开，与制动壳体51内壁接触，产生制动作用。输出轴25转速降低后，制动蹄53产生的离心力变小，制动蹄53在弹簧54作用下收缩，制动力减小。如此循环，直到井下旋转力得到完全释放，驱动装置停止工作。

实施例二

如图7和图8所示，在第一种实施方式的基础上，添加了起到防反转制动的棘轮棘爪防反转制动机构：棘轮棘爪防反转制动机构设置在制动壳体51的上方，棘轮棘爪防反转制动机构包括棘轮26和棘爪27。棘轮26安装在输出轴25上，可调节棘爪27安装在壳体上。

实施例二的防反转制动的工作过程：

当第一电动机31和第二电动机32通电时，两个电动机分别通过第一输入锥齿轮22和第二输入锥齿轮23驱动输出锥齿轮24转动，带动与输出轴25连接在一起的抽油杆和螺杆泵转子正向转动，进行采油作业，这一过程中，单向超越离合器55处于脱离状态，防反转制动部件5的中心支架52不随着输出轴25转动，因此防反转制动部件5不工作，因此不会对输出轴25产生阻力矩。

同时，输出轴25带动棘轮26正向转动，棘爪27从棘轮26的齿槽表面滑过，棘爪27不会对棘轮26产生制动作用。

当出现电动机的电源断开或者井下卡泵而引起的停机状况出现时，储存在抽油杆中的扭矩势能会释放出来，带动光杆7反转，从而带动锥齿轮减速器2的输出轴25反转。

此时，棘轮棘爪防反转制动起到作用，可调节棘爪27 卡紧在棘轮26的齿槽内，从而使得输出静止。

当操作工人检查到螺杆泵地面驱动装置停止工作时，根据现场的状况，例如周围是否存在需要疏散的状况，等待确定周围的安全后，适时的调节棘爪27，从而使得棘轮棘爪机构脱离，输出轴25会产生反转，释放抽油杆储存的扭矩。

在井下抽油杆带动螺杆泵驱动装置的输出轴25反转，转速较高，制动蹄53产生的离心力较大，克服弹簧力，制动蹄53张开，与制动壳体51接触，产生制动作用。转速降低后，制动蹄53产生的离心力变小，制动蹄53在弹簧54作用下收缩，制动力减小。如此循环，直到井下旋转力得到完全释放，驱动装置停止工作。

实施例三

如图9所示，在第一种实施方式的基础上，添加电动机的反转制动电路，在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。电动机的反接制动防反转电路为电气控制的基本技术，此处不再对反接制动防反转电路进行详细描述。

第一电动机31与第二电动机32为三相交流异步电动机，第一电动机31与第二电动机32的极数相同，第一电动机31与第二电动机32连接有第一反转制动电路81和第二反向制动电路82，电源电路断电时，反转制动电路反接相序，当输出轴25的反向转速较高时，带动第一电动机31和第二电动机32产生较高的反向转速，第一电动机31和第二电动机32产生阻滞作用的反转矩。

实施例三的防反转制动的工作过程：

井下抽油杆带动螺杆泵驱动装置的输出轴25反转，转速较高，制动蹄53产生的离心力较大，克服弹簧54力，制动蹄53张开，与制动壳体51接触，产生制动作用。同时，输出轴25的高速反向转动通过皮带传动机构传递给两个电动机，带动两个电动机同时高速反向转动，电动机的反接制动防反转电路工作，对电动机转子施加制动力，间接的对输出轴25起到制动效果。

当输出轴的反转速度过高时，在锥齿轮减速器2上方的防反转制动部件5和电动机反接制动的双重作用下，输出轴25受到的制动作用力更加明显。

本发明并不限于上述的实施方式，在本领域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，变化后的内容仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于，包括底座、锥齿轮减速器、防反转制动部件和电动机；

所述锥齿轮减速器安装在底座上，所述锥齿轮减速器包括主壳体和设置在主壳体内部的齿轮传动机构，所述齿轮传动机构输出端与输出轴连接，所述输出轴上端伸出所述主壳体顶部；

所述电动机包括第一电动机和第二电动机，所述第一电动机和第二电动机分别设置在主壳体的两侧，且分别通过皮带传动机构与齿轮传动机构连接，所述第一电动机和第二电动机的皮带传动机构相同，所述第一电动机和第二电动机的输出转速相同；

所述防反转制动部件设置在锥齿轮减速器的主壳体的上方，所述防反转制动部件包括制动壳体、设置在制动壳体内的中心支架、制动蹄和单向超越离合器，所述制动壳体固定在主壳体的上方，所述中心支架套设在输出轴上并与输出轴同轴设置，所述中心支架与制动蹄之间设有用于使中心支架转动时将制动蹄与制动壳体内表面接触的连接装置；所述中心支架与输出轴之间设置有用于传递反向转矩的单向超越离合器。

2.根据权利要求1所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述齿轮传动机构包括安装在主壳体内的第一输入锥齿轮、第二输入锥齿轮和输出锥齿轮，所述主壳体的两侧分别对称设有第一输入端和第二输入端，所述第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮分别位于第一输入端和第二输入端处，所述第一输入锥齿轮与第二输入锥齿轮的齿数相同，且所述第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮分别与输出锥齿轮啮合，所述输出锥齿轮固定安装在输出轴上。

3.根据权利要求1或2所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述皮带传动机构包括安装在第一电动机输出轴上的第一主动皮带轮和安装在第二电动机输出轴上的第二主动皮带轮；所述第一输入锥齿轮的齿轮轴上安装有第一从动皮带轮，所述第一主动皮带轮与第一从动皮带轮通过皮带连接；所述第二输入锥齿轮的齿轮轴上安装有第二从动皮带轮，所述第二主动皮带轮与第二从动皮带轮通过皮带连接；所述第一主动皮带轮和第二主动皮带轮的结构尺寸相同，所述第一从动皮带轮与第二从动皮带轮的结构尺寸相同。

4.根据权利要求3所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述中心支架为套设在输出轴外侧并与输出轴同轴设置的套筒；所述连接装置包括至少两个对称的连接支架和弹簧，所述连接支架设置在套筒外壁并向制动壳体方向延伸；所述制动蹄包括至少两个弧形制动块，每个弧形制动块的外表面与制动壳体的内表面形成制动间隙，每个弧形制动块的一端分别与每个连接支架的自由端铰接，另一端通过弹簧与套筒外壁连接。

5.根据权利要求4所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述第一电动机与第二电动机分别连接有反转制动电路。

6.根据权利要求4所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述输出轴上位于制动壳体上方设置有用于起到反转制动作用的棘轮棘爪机构，所述棘轮安装在输出轴上，可调节棘爪安装在制动壳体上。

7.根据权利要求3所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述第一电动机与第二电动机为三相交流异步电动机，第一电动机与第二电动机的极数相同。

8.根据权利要求3所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述第一电动机与第二电动机为功率相同的永磁电机。

9.根据权利要求3所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述制动器壳体与主壳体之间设置有隔热片，所述制动器壳体外圆周均布有散热翅。

10.根据权利要求6所述的双电动机同步输入转矩的螺杆泵地面驱动装置，其特征在于：所述第一电动机和第二电动机同步启停或独立控制启停。