CN110529080A - 抽油机半直驱驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种抽油机半直驱驱动装置，包括支架、游梁和驱动机构，游梁的中部铰接在支架的顶端，驱动机构连接在支架与游梁之间，驱动机构，包括筒体A、螺旋轴组件和电机，螺旋轴组件的一端插装在筒体A内，筒体A的上端铰接在游梁上，螺旋轴组件的下端铰接在支架上；所述游梁的尾部设置有配重机构。所述驱动机构上连接有蓄能装置。本发明采用前所未有的螺旋传动机构来驱动游梁摆动，与传统抽油机相比，本发明放弃了皮带传动机构，因此更容易维护，与现有的电机直驱游梁式抽油机相比，本发明对电机的功率、扭矩、启动性能等参数的要求很低，电机运转的可靠性也得以提高。
Description
技术领域
本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种抽油机半直驱驱动装置。
背景技术
游梁式抽油机是一种常用的石油开采设备，这种抽油机通过电机提供动力，使游梁往复摆动，完成抽油工作。在传统的游梁式抽油机中，电机输出的动力需要经过带传动机构、驱动齿轮减速器和连杆机构后才能传递至游梁，这种动力传递方式存在两个问题：一是传动效率低，导致抽油机能耗居高不下；二是皮带传动机构中的皮带属于易损件，需要经常停机更换，维护工作量很大，维护成本很高。
为了解决上述问题，技术人员以提高传动效率、取缔皮带传动机构为初衷，研发出了电机直驱游梁式抽油机，这种驱动机构虽然解决了上述问题，但对电机的输出扭矩和启动性能提出了较高要求，由此导致电机的成本大幅升高，电机的故障率也大幅升高。
因此，有必要发明一种新型的游梁式抽油机来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种抽油机半直驱驱动装置，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：
本发明包括支架、游梁和驱动机构，游梁的中部铰接在支架的顶端，驱动机构连接在支架与游梁之间，驱动机构，包括筒体A、螺旋轴组件和电机，螺旋轴组件的一端插装在筒体A内，筒体A的上端铰接在游梁上，螺旋轴组件的下端铰接在支架上；
螺旋轴组件，包括芯轴和转筒，芯轴的上端固定有活塞A，芯轴的下端通过螺纹连接有下接头，所述转筒套在芯轴上，转筒的上端与所述活塞A之间、转筒的下端与所述下接头之间均通过推力轴承支撑，从而使得转筒可绕芯轴顺畅旋转，所述芯轴的外侧设置有螺旋槽，螺旋槽的下侧壁上沿螺旋线设置有齿牙，所述电机固定安装在筒体A的侧面，电机的输出轴穿过筒体A的侧壁后伸入所述螺旋槽内，电机的输出轴的末端加工有驱动齿轮，该驱动齿轮与所述齿牙啮合，电机启动后，驱动齿轮在螺旋槽内沿螺旋线运动并使转筒旋转，转筒的旋转运动通过螺旋槽转化为转筒的轴向移动，从而实现螺旋轴组件在筒体A内的伸缩滑动；
所述游梁的尾部设置有配重机构。
作为进一步的技术方案，所述筒体A的侧壁上插装有导向销，导向销的末端伸入所述的螺旋槽内。
作为进一步的技术方案，所述的导向销不止一个。
作为进一步的技术方案，所述驱动机构上连接有蓄能装置，蓄能装置的结构包括筒体B、活塞B、上弹簧和下弹簧，活塞B滑动安装在筒体B内，活塞B的下侧固定连接有连杆，连杆的下端固定连接有挡板，所述筒体B的内壁上固定连接有限位环，所述的上弹簧的上端通过限位环限位，上弹簧的下端通过所述的挡板限位，所述的下弹簧位于挡板与筒体B的底部之间；
所述筒体A和筒体B之间之间连接有钢管，钢管将筒体A内活塞A上侧的空间与筒体B内活塞B上侧的空间连通，被连通的两个空间以及钢管内填充有液压油。
作为进一步的技术方案，所述钢管上串联有截止阀。
作为进一步的技术方案，所述截止阀为电控阀。
作为进一步的技术方案，所述配重机构包括弧形导轨、随动齿轮、轮盘和配重块，弧形导轨固定连接在游梁的尾部，弧形导轨所在圆的圆心位于游梁的旋转中心轴上，弧形导轨内侧加工有弧形齿条，所述随动齿轮通过齿轮轴安装在支架上，随动齿轮与所述弧形齿条啮合，所述轮盘与随动齿轮安装在同一根轴上，从而与随动齿轮同步旋转，轮盘的外边缘设置有绳槽，绳槽内缠绕有软绳，软绳从轮盘的边缘沿切线方向垂下，所述配重块连接在软绳的下端。
作为进一步的技术方案，所述配重机构包括弧形导轨、随动齿轮、轮盘和配重块，弧形导轨固定连接在支架上，弧形导轨所在圆的圆心位于游梁的旋转中心轴上，弧形导轨内侧加工有弧形齿条，所述随动齿轮通过齿轮轴安装在游梁的尾部，随动齿轮与所述弧形齿条啮合，所述轮盘与随动齿轮安装在同一根轴上，从而与随动齿轮同步旋转，轮盘的外边缘设置有绳槽，绳槽内缠绕有软绳，软绳从轮盘的边缘沿切线方向垂下，所述配重块连接在软绳的下端。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用前所未有的螺旋传动机构来驱动游梁摆动，与传统抽油机相比，本发明放弃了皮带传动机构，因此更容易维护，与现有的电机直驱游梁式抽油机相比，本发明对电机的功率、扭矩、启动性能等参数的要求很低，电机运转的可靠性也得以提高。
2、本发明采用全新的配重机构，该配重机构可将配重块的重力全部转化为游梁旋转过程中的切向力，这样，根据杠杆原理，游梁旋转过程中，游梁后半段受到的配重力的作用线与游梁的旋转轴(即杠杆的支点)之间的距离始终保持最大，从而使配重更加有效，相同工况下配重块的体积也会更小。
3、现有技术中，当电机因自身损坏或电网原因突然断电时，游梁端部的驴头连同连接在驴头上的抽油管杆或抽油泵柱塞会急速下落，造成抽油机及相关配套设备损坏，而在本发明中，由于采用了螺旋驱动机构，因电机断电造成驱动力消失时，抽油机或者沿螺旋槽缓慢释放剩余机械能，或者螺旋传动机构自动锁死，因此不会出现急速下落的情况，从而避免了电机故障造成的抽油机损坏。
4、本发明设置了蓄能装置，该装置具有两个功能：一是蓄能作用，二是缓冲作用。
蓄能过程如下：
一方面，下冲程时，驴头下行，驱动机构的长度增加，即活塞A在筒体A内向下移动，使活塞A上侧的空间内产生负压，该负压通过液压油传导至活塞B并推动活塞B上行，上行的活塞B将上弹簧压缩，从而实现弹性势能的积蓄；另一方面，上冲程时，驴头上行，驱动机构的长度减少，即活塞A在筒体A内向上移动，使活塞A上侧的空间内产生正压，该正压通过液压油传导至活塞B并推动活塞B下行，与此同时，被压缩的上弹簧积蓄的弹性势能释放。通过上述手段可将下冲程中的能量收集起来并将这些能量作用于下冲程中，从而降低了能耗并调整了抽油机的平衡。
缓冲过程如下：
上冲程即将结束时(即将到达上死点时)，由于惯性作用，抽油机中大部分部件不可避免地承受较大的惯性冲击，造成抽油机故障率升高等问题。而在本发明中，下弹簧在上冲程后期不断被压缩，形成缓冲力，大幅减小了惯性冲击，降低了抽油机的故障率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是驱动机构的结构示意图；
图3是图2中A处的局部放大图；
图4是所述驱动齿轮与螺旋槽的配合结构示意图；
图5是图4中的驱动齿轮与螺旋槽脱离后的对应结构图；
图6是螺旋轴组件的剖视结构示意图；
图7是驱动机构与蓄能装置连接后的组合结构示意图；
图8是本发明另一种实施例的结构示意图。
图中：1-支架，2-游梁，3-驱动机构，4-弧形导轨，5-随动齿轮，6-轮盘，7-软绳，8-配重块，9-下接头，10-转筒，11-螺旋槽，12-活塞A，13-筒体A，14-导向销，15-电机，16-电机的输出轴，17-驱动齿轮，18-芯轴，19-推力轴承，20-齿牙，21-液压油,22-截止阀，23-钢管，24-筒体B，25-活塞B，26-连杆，27-限位环，28-上弹簧，29-挡板，30-下弹簧，31-驴头，32-弧形齿条，33-缓冲区段。
具体实施方式
实施例一：
以下结合附图对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明包括支架1、游梁2和驱动机构3，游梁2的中部铰接在支架1的顶端，驱动机构3连接在支架1与游梁2之间，以上为游梁式抽油机的基础结构，在此不再赘述。
如图2所示，驱动机构3，包括筒体A13、螺旋轴组件和电机15，螺旋轴组件的一端插装在筒体A13内，筒体A13的上端铰接在游梁2上，螺旋轴组件的下端铰接在支架1上。抽油时，驱动机构3在电机15的驱动下伸缩，使游梁2摆动，实现抽油动作。
如图6所示，螺旋轴组件，包括芯轴18和转筒10，芯轴18的上端固定有活塞A12，活塞A12在筒体A13内起扶正作用，目的是使螺旋轴组件和筒体A13的同轴度和轴线平行度更好，从而使螺旋轴组件在筒体A13内滑动更稳定。芯轴18的下端通过螺纹连接有下接头9，所述转筒10套在芯轴18上。转筒10的上端与所述活塞A12之间、转筒10的下端与所述下接头9之间均通过推力轴承19支撑，从而使得转筒10可绕芯轴18顺畅旋转。所述芯轴18的外侧设置有螺旋槽11，螺旋槽11的下侧壁上沿螺旋线设置有齿牙20，所述电机15固定安装在筒体A13的侧面，电机15的输出轴16穿过筒体A13的侧壁后伸入所述螺旋槽11内，电机15的输出轴16的末端加工有驱动齿轮17，该驱动齿轮17与所述齿牙20啮合，电机15启动后，驱动齿轮17在螺旋槽11内沿螺旋线运动并使转筒10旋转，转筒10的旋转运动通过螺旋槽11转化为转筒10的轴向移动，从而实现螺旋轴组件在筒体A13内的伸缩滑动。
上述的驱动机构3的优点还在于：现有技术中，当电机15因自身损坏或电网原因突然断电时，游梁2端部的驴头31连同连接在驴头31上的抽油管杆或抽油泵柱塞会急速下落，造成抽油机及相关配套设备损坏，而在本发明中，由于采用了螺旋驱动机构，因电机15断电造成驱动力消失时，抽油机或者沿螺旋槽11缓慢释放剩余机械能，或者螺旋传动机构自动锁死，因此不会出现急速下落的情况，从而避免了电机15故障造成的抽油机损坏。
所述螺旋槽11两端(即转筒10的两端)各设置有一个缓冲区段33，在缓冲区段33内，螺旋槽11的螺旋升角小于非缓冲区段内螺旋槽11的螺旋升角。当驱动齿轮17运转至螺旋槽11的端部时，由于螺旋升角变小，游梁2接近上死点或下死点时的摆动速度会减小，从而对游梁的惯性冲击起到缓解作用。
为了保证缓冲区段的缓冲作用，每个缓冲区段处螺旋槽11的圈数必须足够，圈数与抽油机载荷、游梁重量、转筒10直径、螺旋槽11的螺旋升角等因素有关，当上述参数确定好后，可通过有限次的试验确定圈数，圈数越多，缓冲效果越好。
另外，为了进一步优化缓冲效果，可使缓冲区段的螺旋升角按照如下的公式变化：y＝x-n，
其中，y是螺旋槽11上某一点的轴向位置，x是螺旋槽上与y对应的点处的螺旋升角，n是一个常数。
根据上述公式，缓冲区段内，螺旋槽11的螺旋升角随着螺旋槽的轴向位置变化而逐渐减小，即随着螺旋槽11向转筒10两端延伸，螺旋槽11的越来越平缓，且变化过程是线性的，这样的设计使得缓冲过程更加平顺，缓冲效果更加优异，有利于进一步消除抽油机运转过程中的惯性冲击。
所述游梁2的尾部设置有配重机构，通过配重机构可使游梁2的两端保持一定程度的平衡，从而大幅地节能增效。
如图1所示，所述配重机构包括弧形导轨4、随动齿轮5、轮盘6和配重块8，弧形导轨4固定连接在游梁2的尾部，弧形导轨4所在圆的圆心位于游梁2的旋转中心轴上，弧形导轨4内侧加工有弧形齿条32，所述随动齿轮5通过齿轮轴安装在支架1上，随动齿轮5与所述弧形齿条32啮合，所述轮盘6与随动齿轮5安装在同一根轴上，从而与随动齿轮5同步旋转，轮盘6的外边缘设置有绳槽，绳槽内缠绕有软绳7，软绳7从轮盘6的边缘沿切线方向垂下，所述配重块8连接在软绳7的下端。
上冲程时，即驴头向上运动时，弧形导轨4向下运动，随动齿轮5在弧形导轨4的驱动下旋转，轮盘6与弧形导轨4一同旋转后将软绳7卷起，从而将配重块8提升，提升后的配重块8积蓄的能量在下冲程时释放出来，从而实现对抽油机平衡的调整。
另外，上述的配重机构与现有技术中的区别在于：
现有的配重机构中，作用于游梁2尾端的配重力的作用方向均是竖直向下的，随着游梁2角度的变化，用于游梁2平衡的有效分力(即游梁2旋转的切向分力)逐渐变小，配重效果也会逐渐变差，而本发明采用全新的配重机构，该配重机构通过弧形轨道4来驱动配重块8的提升，由于弧形导轨4所在圆的圆心位于游梁2的旋转中心轴上，所以配重块8的重力可全部转化为游梁2旋转过程中的切向力，这样，根据杠杆原理，游梁2旋转过程中，游梁2后半段受到的配重力的作用线与游梁2的旋转轴(即杠杆的支点)之间的距离始终保持最大，从而使配重持续有效，相同工况下配重块8的体积也会更小。
为了增加筒体A13和转筒10之间的伸缩运动的稳定性，所述筒体A13的侧壁上插装有导向销14，导向销14的末端伸入所述的螺旋槽11内。导向销14的作用是用于在伸缩过程中从轴向支撑转筒10，防止电机15的输出轴16被剪断。作为进一步的技术方案，所述的导向销14可以设置多个，以提高伸缩过程中的抗拉伸和抗压缩载荷的能力，以适应大吨位的抽油机。
众所周知，在游梁2尾部设置配重的调平衡方式只适合小吨位的抽油机，因此，为了使适应大吨位的抽油机，本发明特在所述驱动机构3上连接有蓄能装置。
如图7所示，蓄能装置的结构包括筒体B24、活塞B25、上弹簧28和下弹簧30，活塞B25滑动安装在筒体B24内，活塞B25的下侧固定连接有连杆26，连杆26的下端固定连接有挡板29，所述筒体B24的内壁上固定连接有限位环27，所述的上弹簧28的上端通过限位环27限位，上弹簧28的下端通过所述的挡板29限位，所述的下弹簧30位于挡板29与筒体B24的底部之间。所述筒体A13和筒体B24之间之间连接有钢管23，钢管23将筒体A13内活塞A12上侧的空间与筒体B24内活塞B25上侧的空间连通，被连通的两个空间以及钢管23内填充有液压油21。由于采用钢管23连接，实施时，蓄能装置可灵活设置于抽油机的任意位置。
具体实施时，需要注意两个弹簧被压缩的时机：两个弹簧不能同时与挡板29接触，即两个弹簧之间留有一个可供挡板29滑动但滑动过程中不压缩任何一个弹簧的空间，这样的设计可保证上弹簧28的蓄能过程足够长，也使下弹簧30的缓冲作用只能产生于上冲程的后期，避免下弹簧30在上冲程过程中产生阻力。
蓄能过程如下：
一方面，下冲程时，驴头31下行，驱动机构3的长度增加，即活塞A12在筒体A13内向下移动，使活塞A12上侧的空间内产生负压，该负压通过液压油21传导至活塞B25并推动活塞B25上行，上行的活塞B25将上弹簧28压缩，从而实现弹性势能的积蓄；另一方面，上冲程时，驴头31上行，驱动机构3的长度减少，即活塞A12在筒体A13内向上移动，使活塞A12上侧的空间内产生正压，该正压通过液压油21传导至活塞B25并推动活塞B25下行，与此同时，被压缩的上弹簧28积蓄的弹性势能释放。通过上述手段可将下冲程中的能量收集起来并将这些能量作用于下冲程中，从而降低了能耗并调整了抽油机的平衡。
缓冲过程如下：
上冲程即将结束时(即将到达上死点时)，由于惯性作用，抽油机中大部分部件不可避免地承受较大的惯性冲击，造成抽油机故障率升高等问题。而在本发明中，下弹簧30在上冲程后期不断被压缩，形成缓冲力，大幅减小了惯性冲击，降低了抽油机的故障率。
作为进一步的技术方案，所述钢管23上串联有截止阀22，抽油机停机时，关闭截止阀22可通过液压作用将游梁2锁定，便于检修。可将截止阀22为电控阀，以实现游梁2的电动锁定。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于配重机构的结构。
本实施例中，配重机构包括弧形导轨4、随动齿轮5、轮盘6和配重块8，弧形导轨4固定连接在支架1上，弧形导轨4所在圆的圆心位于游梁2的旋转中心轴上，弧形导轨4内侧加工有弧形齿条32，所述随动齿轮5通过齿轮轴安装在游梁2的尾部，随动齿轮5与所述弧形齿条32啮合，所述轮盘6与随动齿轮5安装在同一根轴上，从而与随动齿轮5同步旋转，轮盘6的外边缘设置有绳槽，绳槽内缠绕有软绳7，软绳7从轮盘6的边缘沿切线方向垂下，所述配重块8连接在软绳7的下端。
本实施例将随动齿轮5和轮盘6的位置与弧形导轨的位置进行了互换，使随动齿轮5和轮盘6随游梁2的摆动而升降，游梁2摆动过程中，齿轮5和轮盘6的自重作为配重的一部分发挥作用，从而减小了配重块8的重量。
Claims (8)
1.一种抽油机半直驱驱动装置，包括支架(1)、游梁(2)和驱动机构(3)，游梁(2)的中部铰接在支架(1)的顶端，驱动机构(3)连接在支架(1)与游梁(2)之间，其特征在于：
驱动机构(3)，包括筒体A(13)、螺旋轴组件和电机(15)，螺旋轴组件的一端插装在筒体A(13)内，筒体A(13)的上端铰接在游梁(2)上，螺旋轴组件的下端铰接在支架(1)上；
螺旋轴组件，包括芯轴(18)和转筒(10)，芯轴(18)的上端固定有活塞A(12)，芯轴(18)的下端通过螺纹连接有下接头(9)，所述转筒(10)套在芯轴(18)上，转筒(10)的上端与所述活塞A(12)之间、转筒(10)的下端与所述下接头(9)之间均通过推力轴承(19)支撑，从而使得转筒(10)可绕芯轴(18)顺畅旋转，所述芯轴(18)的外侧设置有螺旋槽(11)，螺旋槽(11)的下侧壁上沿螺旋线设置有齿牙(20)，所述电机(15)固定安装在筒体A(13)的侧面，电机(15)的输出轴(16)穿过筒体A(13)的侧壁后伸入所述螺旋槽(11)内，电机(15)的输出轴(16)的末端加工有驱动齿轮(17)，该驱动齿轮(17)与所述齿牙(20)啮合，电机(15)启动后，驱动齿轮(17)在螺旋槽(11)内沿螺旋线运动并使转筒(10)旋转，转筒(10)的旋转运动通过螺旋槽(11)转化为转筒(10)的轴向移动，从而实现螺旋轴组件在筒体A(13)内的伸缩滑动；
所述游梁(2)的尾部设置有配重机构。
2.根据权利要求1所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述筒体A(13)的侧壁上插装有导向销(14)，导向销(14)的末端伸入所述的螺旋槽(11)内。
3.根据权利要求2所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述的导向销(14)不止一个。
4.根据权利要求1所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述驱动机构(3)上连接有蓄能装置，蓄能装置的结构包括筒体B(24)、活塞B(25)、上弹簧(28)和下弹簧(30)，活塞B(25)滑动安装在筒体B(24)内，活塞B(25)的下侧固定连接有连杆(26)，连杆(26)的下端固定连接有挡板(29)，所述筒体B(24)的内壁上固定连接有限位环(27)，所述的上弹簧(28)的上端通过限位环(27)限位，上弹簧(28)的下端通过所述的挡板(29)限位，所述的下弹簧(30)位于挡板(29)与筒体B(24)的底部之间；
所述筒体A(13)和筒体B(24)之间之间连接有钢管(23)，钢管(23)将筒体A(13)内活塞A(12)上侧的空间与筒体B(24)内活塞B(25)上侧的空间连通，被连通的两个空间以及钢管(23)内填充有液压油(21)。
5.根据权利要求4所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述钢管(23)上串联有截止阀(22)。
6.根据权利要求1所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述截止阀(22)为电控阀。
7.根据权利要求1所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述配重机构包括弧形导轨(4)、随动齿轮(5)、轮盘(6)和配重块(8)，弧形导轨(4)固定连接在游梁(2)的尾部，弧形导轨(4)所在圆的圆心位于游梁(2)的旋转中心轴上，弧形导轨(4)内侧加工有弧形齿条(32)，所述随动齿轮(5)通过齿轮轴安装在支架(1)上，随动齿轮(5)与所述弧形齿条(32)啮合，所述轮盘(6)与随动齿轮(5)安装在同一根轴上，从而与随动齿轮(5)同步旋转，轮盘(6)的外边缘设置有绳槽，绳槽内缠绕有软绳(7)，软绳(7)从轮盘(6)的边缘沿切线方向垂下，所述配重块(8)连接在软绳(7)的下端。
8.根据权利要求1所述的一种抽油机半直驱驱动装置，其特征在于：所述配重机构包括弧形导轨(4)、随动齿轮(5)、轮盘(6)和配重块(8)，弧形导轨(4)固定连接在支架(1)上，弧形导轨(4)所在圆的圆心位于游梁(2)的旋转中心轴上，弧形导轨(4)内侧加工有弧形齿条(32)，所述随动齿轮(5)通过齿轮轴安装在游梁(2)的尾部，随动齿轮(5)与所述弧形齿条(32)啮合，所述轮盘(6)与随动齿轮(5)安装在同一根轴上，从而与随动齿轮(5)同步旋转，轮盘(6)的外边缘设置有绳槽，绳槽内缠绕有软绳(7)，软绳(7)从轮盘(6)的边缘沿切线方向垂下，所述配重块(8)连接在软绳(7)的下端。
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