CN110485973B - 异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置，包括平衡锤和平衡块，平衡锤安装在抽油机游梁的尾部，平衡块安装在抽油机曲柄上，抽油机游梁的尾部固定设置有平衡锤驱动器，所述平衡锤安装在平衡锤驱动器的输出轴上，平衡锤驱动器的动力由抽油机电机提供，平衡锤在平衡锤驱动器的作用下在竖直平面内往复摆动，且往复摆动的周期与抽油机曲柄的旋转周期相同。现有技术中的复合平衡抽油机相比，本发明中的平衡锤可与抽油机曲柄上的平衡块步调一致地发挥平衡作用，最大程度地发挥了平衡锤的调平衡效果。

Description

异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置

技术领域

本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置。

背景技术

游梁式抽油机是一种常用的石油开采设备，其结构包括电机、减速器、曲柄、连杆、游梁、驴头和支架，游梁的中部铰接在支架的上端，驴头固定连接在游梁的一端，抽油机运转时，电机的动力传导至减速器，减速器将动力输出并驱动曲柄旋转，旋转的曲柄通过所述连杆牵引游梁上下往复摆动，完成抽油动作。

这种抽油机的工作特点是承受交变负荷，上冲程，抽油机驴头承受作用在活塞截面上的液拄重量和抽油杆拄在液体中的重量以及摩擦、惯性、振动等负荷。下冲程时，抽油机驴头只承受抽油杆拄在液体的重量。上下冲程的负荷差别很大，抽油机无法正常工作，电机也容易烧坏。在抽油机正常工作时改变抽油参数或泵挂深度以及井中含水的变化都可能使抽油机不平衡。而抽油机不平衡不但会大幅增加抽油机的能耗，而且会使抽油机产生剧烈震动，进而导致螺丝松动、焊缝开裂等机械故障，影响抽油机的寿命，因此必须对抽油机平衡进行调节。

目前，复合平衡是一种常见的抽油机调平衡方式，复合平衡是在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡。小范围调整时，可调整游梁尾部平衡锤的重量，大范围调整时，则调整抽油机曲柄上的平衡块，因此具有调整方便的特点。但现有技术中，平衡锤均是固定连接在抽油机游梁上的，采用这种安装结构的平衡锤虽然在一定程度上降低了抽油机净扭矩曲线的峰值，起到了一定的节能效果，但无论怎样调整，抽油机的平衡率通常仅能控制在85％左右的水平，其调平衡效果有待提高。

发明内容

本发明提供一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

本发明包括包括平衡锤和平衡块，平衡锤安装在抽油机游梁的尾部，平衡块安装在抽油机曲柄上，抽油机游梁的尾部固定设置有平衡锤驱动器，所述平衡锤安装在平衡锤驱动器的输出轴上，平衡锤驱动器的动力由抽油机电机提供，平衡锤在平衡锤驱动器的作用下在竖直平面内往复摆动，且往复摆动的周期与抽油机曲柄的旋转周期相同；

抽油机支架上固定安装有齿轮转向箱A和齿轮转向箱B，齿轮转向箱A通过皮带和皮带轮与抽油机电机实现动力连接，齿轮转向箱A和齿轮转向箱B之间通过动力传递轴实现动力连接，齿轮转向箱B通过皮带和皮带轮与所述平衡锤驱动器实现动力连接，齿轮转向箱B上的皮带轮旋转轴的轴线与抽油机游梁和抽油机支架之间的铰接轴的轴线重合。

所述平衡锤驱动器的结构包括外壳和安装在外壳内的齿轮机构，外壳的结构包括主壳体和用于封堵主壳体两端的端盖，端盖通过螺栓连接在主壳体上，所述齿轮机构包括一个正向行星轮系和一个反向行星轮系；

正向行星轮系的结构包括太阳轮A、行星轮A和用于安装行星轮A的安装架A，太阳轮A通过轴承安装在所述平衡锤驱动器的输入轴上，行星轮A通过短轴安装在安装架A上，行星轮A的内侧与太阳轮A啮合，行星轮A的外侧与加工在所述主壳体内侧的内齿圈啮合，所述安装架A的外侧加工有输出轴A，输出轴A穿过所述端盖后与所述平衡锤连接，所述的输出轴A为空心轴，所述平衡锤驱动器的输入轴从输出轴A的中央穿过，输出轴A的内外两侧分别通过轴承与平衡锤驱动器的输入轴和端盖连接；

反向行星轮系的结构包括太阳轮B、中间齿轮、行星轮B和用于安装中间齿轮和行星轮B的安装架B，太阳轮B通过轴承安装在所述平衡锤驱动器的输入轴上，中间齿轮和行星轮B均通过短轴安装在安装架B上，中间齿轮同时与太阳轮B和行星轮B啮合，行星轮B的外侧与加工在所述主壳体内侧的内齿圈啮合，所述安装架B的外侧加工有输出轴B，输出轴B穿过另一个端盖后与所述平衡锤连接；所述的输出轴B为空心轴，所述平衡锤驱动器的输入轴从输出轴B的中央穿过，输出轴B的内外两侧分别通过轴承与平衡锤驱动器的输入轴和端盖连接；

所述平衡锤驱动器的输入轴上还设置有同步环，同步环通过花键配合安装在平衡锤驱动器的输入轴上，并可在花键的作用下自如滑动，同步环的一个端面上与太阳轮A的端面上设置有一对相互啮合的同步齿盘，该对同步齿盘啮合后，太阳轮A与同步环同步旋转，同步环的另一个端面上与太阳轮B的端面上也设置有一对相互啮合的同步齿盘，该对同步齿盘啮合后，太阳轮B与同步环同步旋转；同步环的外侧加工有环形槽，所述主壳体的侧面设有开窗，开窗内安装有驱动杆，驱动杆的下端为球头结构，球头结构插在同步环外侧的环形槽内，驱动杆的上端通过电磁推杆驱动，通过对电磁推杆进行通电断电操作，可使同步环在与太阳轮A啮合和与太阳轮B啮合两种动作之间进行切换；

所述平衡锤驱动器的输入轴与输出轴A之间的传动比等于平衡锤驱动器的输入轴与输出轴B之间的传动比。

作为替换方案，将所述的齿轮转向箱A替换成涡轮蜗杆减速机。

所述的电磁推杆共有两个，抽油机支架的两侧各设置有一个限位开关，两个限位开关分别与抽油机游梁的两个极限位置对应，当抽油机游梁到达一个极限位置时，一个限位开关触发，与之对应的一个电磁推杆通电，同步环在与太阳轮A啮合，动力由输出轴A输出，当抽油机游梁到达另一个极限位置时，另一个限位开关触发，与之对应的另一个电磁推杆通电，同步环在与太阳轮B啮合，动力由输出轴B输出。

本发明的有益效果为：

1、本发明将平衡锤活动连接在抽油机游梁上，并设置了独特的平衡锤驱动机构使平衡锤可在竖直平面内往复摆动，当抽油机曲柄上的平衡块向上摆动积蓄重力势能时，平衡锤也向上摆动，当抽油机曲柄的重力势能最大时，平衡锤处于水平位置(处于此位置时，平衡锤可提供最大的平衡力矩)，以便在抽油机驴头上行时提供最大的平衡力。与现有技术中的复合平衡抽油机相比，本发明中的平衡锤可与抽油机曲柄上的平衡块步调一致地发挥平衡作用，最大程度地发挥了平衡锤的调平衡效果。

2、本发明通过改善平衡锤的调平衡效果，变相缩小了抽油机曲柄上平衡块的重量，降低了平衡块旋转时的离心力，从而降低了发生机械事故的概率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是平衡锤驱动器的结构示意图；

图3为电磁推杆的控制电路。

图中：1-抽油机电机，2-减速器，3-抽油机曲柄，4-平衡块，5-平衡锤，6-平衡锤驱动器，7-抽油机游梁，8-抽油机驴头，9-齿轮转向箱B，10-限位开关，11-抽油机支架，12-齿轮转向箱A，13-皮带，14-输出轴A，15-输入轴，16-安装架A，17-端盖，18-行星轮A，19-太阳轮A，20-环形槽，21-同步环,22-行星轮B，23-安装架B，24-中间齿轮，25-太阳轮B，26-主壳体，27-驱动杆，28-电磁推杆，29-输出轴B，30-动力传递轴，31-

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

本发明包括平衡锤5和平衡块4，平衡锤5安装在抽油机游梁7的尾部，平衡块4安装在抽油机曲柄3上。以上为现有的复合平衡式游梁抽油机的基础结构，在此不再赘述。

本发明的创新点在于平衡锤5在抽油机游梁7上的安装方式，具体而言：

本发明中抽油机游梁7的尾部固定设置有平衡锤驱动器6，所述平衡锤5安装在平衡锤驱动器6的输出轴上，平衡锤驱动器6的动力由抽油机电机1提供，平衡锤5在平衡锤驱动器6的作用下在竖直平面内往复摆动，且往复摆动的周期与抽油机曲柄3的旋转周期相同。此处，抽油机电机1可采用双轴电机，即抽油机电机1的两端各伸出一个机械输出端口，一个端口用于与减速器2连接，另一个端口为平衡锤驱动器提供动力，这样做不但可以减少电机数量，而且可使抽油机曲柄3的旋转与平衡锤5的往复摆动周期保持绝对一致，从而使抽油机曲柄3上的平衡块4与平衡锤5的平衡作用在各自的峰值处恰好叠加，保证最优的平衡效果。

抽油机支架11上固定安装有齿轮转向箱A12和齿轮转向箱B9，齿轮转向箱A12通过皮带13和皮带轮与抽油机电机1实现动力连接，齿轮转向箱A12和齿轮转向箱B9之间通过动力传递轴30实现动力连接，齿轮转向箱B9通过皮带13和皮带轮与所述平衡锤驱动器6实现动力连接。抽油机电机1启动后，抽油机电机1的动力通过皮带传动机构传递至齿轮转向箱A12，齿轮转向箱A12输出的动力通过动力传递轴30传递至齿轮转向箱B9，齿轮转向箱B9的动力通过皮带传动机构传递至平衡锤驱动器6，继而驱动平衡锤旋转。

需要特别注意的是，齿轮转向箱B9上的皮带轮旋转轴的轴线与抽油机游梁7和抽油机支架11之间的铰接轴的轴线必须重合，这是抽油机电机1的动力得以传递给平衡锤驱动器6的必要条件，这样可在抽油机游梁7转动过程中使齿轮转向箱B9和平衡锤驱动器6之间中心距保持不变，从而保证二者之间的带传动机构正常工作。

本发明将平衡锤5活动连接在抽油机游梁7上，并设置了独特的平衡锤5驱动机构使平衡锤5可在竖直平面内往复摆动，当抽油机曲柄3上的平衡块4向上摆动积蓄重力势能时，平衡锤5也向上摆动，当抽油机曲柄3的重力势能最大时，平衡锤5处于水平位置(处于此位置时，平衡锤5可提供最大的平衡力矩)，以便在抽油机驴头8上行时提供最大的平衡力。与现有技术中的复合平衡抽油机相比，本发明中的平衡锤5可与抽油机曲柄3上的平衡块4步调一致地发挥平衡作用，最大程度地发挥了平衡锤5的调平衡效果。

所述平衡锤驱动器6的结构包括外壳和安装在外壳内的齿轮机构，外壳的结构包括主壳体26和用于封堵主壳体26两端的端盖17，端盖17通过螺栓连接在主壳体26上，所述齿轮机构包括一个正向行星轮系和一个反向行星轮系，正向行星轮系和反向行星轮系分别在平衡锤5顺时针摆动和逆时针摆动时投入运转，从而使平衡锤5实现往复摆动。

正向行星轮系的结构包括太阳轮A19、行星轮A18和用于安装行星轮A18的安装架A16，太阳轮A19通过轴承安装在所述平衡锤驱动器6的输入轴15上，行星轮A18通过短轴安装在安装架A16上，行星轮A18的内侧与太阳轮A19啮合，行星轮A18的外侧与加工在所述主壳体26内侧的内齿圈啮合，所述安装架A16的外侧加工有输出轴A14，输出轴A14穿过所述端盖17后与所述平衡锤5连接，所述的输出轴A14为空心轴，所述平衡锤驱动器6的输入轴15从输出轴A14的中央穿过，输出轴A14的内外两侧分别通过轴承与平衡锤驱动器6的输入轴15和端盖17连接。

反向行星轮系的结构包括太阳轮B25、中间齿轮24、行星轮B22和用于安装中间齿轮24和行星轮B22的安装架B23，太阳轮B25通过轴承安装在所述平衡锤驱动器6的输入轴15上，中间齿轮24和行星轮B22均通过短轴安装在安装架B23上，中间齿轮24同时与太阳轮B25和行星轮B22啮合，行星轮B22的外侧与加工在所述主壳体26内侧的内齿圈啮合，所述安装架B23的外侧加工有输出轴B29，输出轴B29穿过另一个端盖17后与所述平衡锤5连接；所述的输出轴B29为空心轴，所述平衡锤驱动器6的输入轴15从输出轴B29的中央穿过，输出轴B29的内外两侧分别通过轴承与平衡锤驱动器6的输入轴15和端盖17连接。

在正向行星轮系和反向行星轮系中，输出轴A14和输出轴B29均为空心轴，同时，所述平衡锤驱动器6的输入轴15从输出轴A14和输出轴B29的中央穿过，平衡锤驱动器6的这种独特的同轴式输入输出结构，使平衡锤驱动器6的整体结构得到了极大简化。

与正向行星轮系相比，反向行星轮系中增设了中间齿轮24，中间齿轮24的作用是变换传动方向，使输出轴B29和输出轴A14的输出方向相反。

所述平衡锤驱动器6的输入轴15上还设置有同步环21，同步环21通过花键配合安装在平衡锤驱动器6的输入轴15上，并可在花键的作用下自如滑动，同步环21的一个端面上与太阳轮A19的端面上设置有一对相互啮合的同步齿盘，该对同步齿盘啮合后，太阳轮A19与同步环21同步旋转，同步环21的另一个端面上与太阳轮B25的端面上也设置有一对相互啮合的同步齿盘，该对同步齿盘啮合后，太阳轮B25与同步环21同步旋转；同步环21的外侧加工有环形槽20，所述主壳体26的侧面设有开窗，开窗内安装有驱动杆27，驱动杆27的下端为球头结构，球头结构插在同步环21外侧的环形槽20内，驱动杆27的上端通过电磁推杆28驱动(电磁推杆28与游梁固定连接)，通过对电磁推杆28进行通电断电操作，可使同步环21沿输入轴15左右滑动，从而使同步环21在与太阳轮A19啮合和与太阳轮B25啮合两个动作之间进行切换。同步环21与太阳轮A19啮合时，正向行星轮系投入工作，平衡锤5正转，同步环21与太阳轮B25啮合时，反向行星轮系投入工作，平衡锤5反转。

上述结构中，电磁推杆28是一种现有的电动执行机构，其利用与电磁阀相同的原理，通过电磁力驱动贴心往复运动，从而执行其驱动动作，例如河北秦能科技有限公司生产的电磁推杆28便可满足本实施例中的使用要求，实施时，根据行程和所需推力匹配相应的型号即可。

所述平衡锤驱动器6的输入轴15与输出轴A14之间的传动比等于平衡锤驱动器6的输入轴15与输出轴B29之间的传动比，目的是为了保证平衡锤5正转和反转时的速度一致。

所述的电磁推杆28共有两个，抽油机支架11的两侧各设置有一个限位开关10，两个限位开关10分别与抽油机游梁7的两个极限位置对应，当抽油机游梁7到达一个极限位置时，一个限位开关10触发，与之对应的一个电磁推杆28通电，同步环21在与太阳轮A19啮合，动力由输出轴A14输出，当抽油机游梁7到达另一个极限位置时，另一个限位开关10触发，与之对应的电磁推杆28通电，另一个电磁推杆28断电，同步环21在与太阳轮B25啮合，动力由输出轴B29输出。与自动控制方式相比，通过两个限位开关10来控制平衡锤5摆动方向的转换时机，其好处在于，抽油机游梁7每次触发限位开关10后，平衡锤5驱动机构在半个摆动周期中累计的误差均被清零，从而使平衡锤5无论经过多少次摆动，其与抽油机游梁7之间的位置关系的重复性依然很高，不会对平衡锤5的调平衡效果造成不利影响。

上述结构中，同步环21是汽车变速箱中常见的结构，所述同步齿盘的具体结构可参考现有的常见结构，在此不再赘述。

在上述结构中，两个电磁推杆28可采用开关的组合来控制，也可采用常规的基础自动控制手段进行控制。采用开关的组合控制时，可参考如图3所示的电路，图中，K1和K4组成一个限位开关10，K2和K3组成一个限位开关10，抽油机游梁7触碰限位开关10时，对应的两个开关均被触发。四个开关中，K1和K3为断路器开关(与家用配电箱中的断路器原理相同，被短路后自动跳闸)，这种开关可在与其并联的开关接通后自动切断，从而保证两个电磁推杆中只能有一个处于通电状态，K2和K4为按压力撤除后可自动复位的按动开关。

作为替换方案，可将所述的齿轮转向箱A12替换成涡轮蜗杆减速机，这样做的好处在于：涡轮蜗杆减速机具有自锁功能，可在抽油机停机后使平衡锤5停留在任意一个位置，并可通过旋转涡轮蜗杆减速机的输入轴的方式对平衡锤5的位置进行省力地调整，便于对平衡锤5的重量进行调整。

Claims (4)

1.一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置，包括平衡锤（5）和平衡块（4），平衡锤（5）安装在抽油机游梁（7）的尾部，平衡块（4）安装在抽油机曲柄（3）上，其特征在于：抽油机游梁（7）的尾部固定设置有平衡锤驱动器（6），所述平衡锤（5）安装在平衡锤驱动器（6）的输出轴上，平衡锤驱动器（6）的动力由抽油机电机（1）提供，平衡锤（5）在平衡锤驱动器（6）的作用下在竖直平面内往复摆动，且往复摆动的周期与抽油机曲柄（3）的旋转周期相同；

抽油机支架（11）上固定安装有齿轮转向箱A（12）和齿轮转向箱B（9），齿轮转向箱A（12）通过皮带（13）和皮带轮与抽油机电机（1）实现动力连接，齿轮转向箱A（12）和齿轮转向箱B（9）之间通过动力传递轴（30）实现动力连接，齿轮转向箱B（9）通过皮带（13）和皮带轮与所述平衡锤驱动器（6）实现动力连接，齿轮转向箱B（9）上的皮带轮旋转轴的轴线与抽油机游梁（7）和抽油机支架（11）之间的铰接轴的轴线重合；

所述平衡锤驱动器（6）的结构包括外壳和安装在外壳内的齿轮机构，外壳的结构包括主壳体（26）和用于封堵主壳体（26）两端的端盖（17），端盖（17）通过螺栓连接在主壳体（26）上，所述齿轮机构包括一个正向行星轮系和一个反向行星轮系；

正向行星轮系的结构包括太阳轮A（19）、行星轮A（18）和用于安装行星轮A（18）的安装架A（16），太阳轮A（19）通过轴承安装在所述平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）上，行星轮A（18）通过短轴安装在安装架A（16）上，行星轮A（18）的内侧与太阳轮A（19）啮合，行星轮A（18）的外侧与加工在所述主壳体（26）内侧的内齿圈啮合，所述安装架A（16）的外侧加工有输出轴A（14），输出轴A（14）穿过所述端盖（17）后与所述平衡锤（5）连接，所述的输出轴A（14）为空心轴，所述平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）从输出轴A（14）的中央穿过，输出轴A（14）的内外两侧分别通过轴承与平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）和端盖（17）连接；

反向行星轮系的结构包括太阳轮B（25）、中间齿轮（24）、行星轮B（22）和用于安装中间齿轮（24）和行星轮B（22）的安装架B（23），太阳轮B（25）通过轴承安装在所述平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）上，中间齿轮（24）和行星轮B（22）均通过短轴安装在安装架B（23）上，中间齿轮（24）同时与太阳轮B（25）和行星轮B（22）啮合，行星轮B（22）的外侧与加工在所述主壳体（26）内侧的内齿圈啮合，所述安装架B（23）的外侧加工有输出轴B（29），输出轴B（29）穿过另一个端盖（17）后与所述平衡锤（5）连接；所述的输出轴B（29）为空心轴，所述平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）从输出轴B（29）的中央穿过，输出轴B（29）的内外两侧分别通过轴承与平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）和端盖（17）连接；

所述平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）上还设置有同步环（21），同步环（21）通过花键配合安装在平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）上，并可在花键的作用下自如滑动，同步环（21）的一个端面上与太阳轮A（19）的端面上设置有一对相互啮合的同步齿盘，该对同步齿盘啮合后，太阳轮A（19）与同步环（21）同步旋转，同步环（21）的另一个端面上与太阳轮B（25）的端面上也设置有一对相互啮合的同步齿盘，该对同步齿盘啮合后，太阳轮B（25）与同步环（21）同步旋转；同步环（21）的外侧加工有环形槽（20），所述主壳体（26）的侧面设有开窗，开窗内安装有驱动杆（27），驱动杆（27）的下端为球头结构，球头结构插在同步环（21）外侧的环形槽（20）内，驱动杆（27）的上端通过电磁推杆（28）驱动，通过对电磁推杆（28）进行通电断电操作，可使同步环（21）在与太阳轮A（19）啮合和与太阳轮B（25）啮合两种动作之间进行切换；

所述平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）与输出轴A（14）之间的传动比等于平衡锤驱动器（6）的输入轴（15）与输出轴B（29）之间的传动比。

2.根据权利要求 1 所述的一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置，其特征在于：作为替换方案，将所述的齿轮转向箱A（12）替换成涡轮蜗杆减速机。

3.根据权利要求1所述的一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置，其特征在于：所述的电磁推杆（28）共有两个，抽油机支架（11）的两侧各设置有一个限位开关（10），两个限位开关（10）分别与抽油机游梁（7）的两个极限位置对应，当抽油机游梁（7）到达一个极限位置时，一个限位开关（10）触发，与之对应的一个电磁推杆（28）通电，同步环（21）在与太阳轮A（19）啮合，动力由输出轴A（14）输出，当抽油机游梁（7）到达另一个极限位置时，另一个限位开关（10）触发，与之对应的另一个电磁推杆（28）通电，同步环（ 21） 在与太阳轮B（25）啮合，动力由输出轴B输出。

4.根据权利要求1所述的一种异步电动机游梁式抽油机运行中自动调整平衡装置，其特征在于：所述的皮带均为同步带。

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