CN113445969A - 一种利用曲柄的非整周运动实现间抽的抽油机 - Google Patents

Abstract

一种利用曲柄的非整周运动实现间抽的抽油机，涉及油田采油设备技术领域，包括底座、支架、游梁、驴头、连杆、曲柄、减速机和电机，还包括机械式间抽传动机构。本发明设置了机械式间抽传动机构，通过采用机械式间抽传动机构为曲柄提供非整周运动的驱动力，从而将抽油机的冲程调整到小于杆管柱弹性静变形范围之内，消除了抽油机停机带来的安全隐患和冻堵隐患。与现有技术中通过电气方式实现曲柄非整周运动相比，采机械式间抽传动机构可有效消除电机频繁换向造成的电气系统冲击，从而延长了包括电机和变频器在内的电气系统的使用寿命，进而提高了抽油机工作的可靠性。

Description

一种利用曲柄的非整周运动实现间抽的抽油机

技术领域

本发明属于油田采油设备技术领域，尤其涉及一种利用曲柄的非整周运动实现间抽的抽油机。

背景技术

在油田生产中，游梁式抽油机是一种最常见的采油设备。游梁式抽油机的运行方式是通过电机驱动曲柄进行持续性单向旋转运动、进而通过四连杆机构以及驴头的传递、带动光杆完成全行程上下往复直线运动，也就是说，在现有运行方式条件下，只要进入运行状态，游梁式抽油机的光杆就只有全冲程运行一个结果。若要实现抽油机井无抽汲效果，只有通过停机途径或抽油机的实际运行冲程小于杆管柱弹性静变形范围的途径来实现；而在现有运行运行方式条件下，游梁式抽油机井停抽期间不可能将抽油机的冲程调整到小于杆管柱弹性静变形范围之内，因此实现无抽汲效果的唯一途径只能是完全停机。抽油机井完全停机造成一下两方面无法解决的致命问题：第一、在停机状态下重新起机时必须有人值守，否则极易造成人畜的伤亡；第二、由于在停机等待过程中井口处的光杆处于完全静止状态，井口附近油管内液体处于完全静止状态，缺乏流动或搅动，因此很容易造成冬季井口冻堵现象。

为了解决这一问题，专利号为CN201510783876.2和专利号为CN201610574182.2的两个中国发明专利公开了一种基于曲柄非整周运动的游梁式抽油机非抽汲运行方法及对应的电机驱动方法，该方法改变了传统游梁式抽油机“电机驱动曲柄进行持续性单向旋转运动”的运行方式，转而通过控制电机双向运动使曲柄做持续的非整周运动(即摆动)，从而在实现了间抽目的的同时，消除了抽油机停机带来的安全隐患和冻堵隐患。

上述方法的缺陷在于：控制电机进行频繁的双向运动在电气原理上毫无问题，但实际生产中，这种方式给包括变频器和电机在内的电气系统带来了较大的电流电压冲击和机械冲击，从而大幅降低了电气系统的使用寿命。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种利用曲柄的非整周运动实现间抽的抽油机。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种利用曲柄的非整周运动实现间抽的抽油机，包括底座、支架、游梁、驴头、连杆、曲柄、减速机和电机，其中，支架、减速机和电机均固定安装在底座上，游梁的中部铰接在支架的顶部，驴头固定安装在游梁的一端，连杆的上端铰接在游梁的另一端，曲柄安装在减速机输出轴上，同时又与连杆的下端铰接，所述电机通过皮带和带轮与减速机输入轴连接，电机启动后，电机输出的动力经过减速机转化为曲柄的旋转运动，曲柄的旋转运动经过连杆的传递后使游梁摆动，还包括机械式间抽传动机构。

作为优选方案，机械式间抽传动机构，进一步包括短杆和长杆，短杆的一端连接在减速机的输入轴上，另一端与长杆的一端铰接，长杆的另一端加工有内滑道，所述连杆上与所述内滑道对应设置有短销，短销固定安装在连杆上并在所述内滑道内相对滑动；

所述曲柄与减速机输出轴的连接处设置有电磁离合器A；

所述减速机的输入轴与所述短杆的连接处设置有电磁离合器B；

设所述短销与减速机输出轴的中心距为m，所述短杆与长杆之间的铰接轴与电动机输入轴的中心距为n，则m小于n；

当曲柄运转至最低点时，所述减速机输出轴的中心位于所述连杆的中心线上。

作为优选方案，所述减速机为ZSY型三级平行轴减速机。

作为优选方案，所述内滑道内安装有弹簧A，所述短销在该弹簧A的弹力作用下始终保持向短杆所在一侧靠近的运动趋势。

作为优选方案，当曲柄运转至最低点时，所述减速机输出轴的中心位于所述连杆的中心线上

本发明的有益效果为：

1、本发明设置了机械式间抽传动机构，通过采用机械式间抽传动机构为曲柄提供非整周运动的驱动力，从而将抽油机的冲程调整到小于杆管柱弹性静变形范围之内，消除了抽油机停机带来的安全隐患和冻堵隐患。与现有技术中通过电气方式实现曲柄非整周运动相比，采机械式间抽传动机构可有效消除电机频繁换向造成的电气系统冲击，从而延长了包括电机和变频器在内的电气系统的使用寿命，进而提高了抽油机工作的可靠性。

2、在油田生产中，传统抽油机的存量很大，如果能在尽量不改变传统抽油机原有结构的情况下实现抽油机的间抽，那么将会极大地节约设备成本，同时节省设备安装时间和安装成本。而本发明中所述的机械式间抽传动机构可直接增设在传统抽油机中，而无需重新制造新型的抽油机。从而达到了节约设备成本和安装成本的目的。

3、本发明是在传统抽油机的基础上作出的，目的是在保证传统抽油机正常工作的前提下实现曲柄的非整周运动，而传统抽油机上，曲柄始终做单向旋转运动，因此，本发明研发过程中必须解决机械式间抽传动机构与传统抽油机原有结构兼容的问题，同时解决如何在无需人工现场干预的情况下切换曲柄的运转状态的问题。

为了解决这些问题，本发明提供了一种包括长杆和短杆的机械式间抽传动机构。常规工作状态下，安装在曲柄和减速机输出轴之间的电磁离合器A处于结合状态，减速机输出轴的动力得以传递至曲柄，使曲柄沿顺时针方向持续转动，同时，安装在所述短杆和减速机输入轴之间的电磁离合器B处于分离状态，减速机输入轴的动力无法传递至短杆，从而防止机械式间抽传动机构与抽油机原有的曲柄连杆驱动机构发生机械干涉。

从常规工作状态向非整周工作状态切换瞬间，电磁离合器A切换至分离状态，使曲柄失去来自减速机输出轴的驱动力，同时，电磁离合器B切换至结合状态，使减速机输入轴的动力得以传递至短杆，继而使短杆旋转。短杆旋转后，长杆在短杆的驱动下向左侧推动连杆，使曲柄克服自身重力沿顺时针方向摆动，当曲柄摆动至最高点之后，继续转动的短杆无法为连杆提供推动力，这种情况下，曲柄在自身重力作用下反向(逆时针)摆动，直到长杆再次通过所述短销与内滑道的配合推动所述连杆。

另外，本发明在长杆上设置了内滑道，并通过内滑道和短销的配合实现长杆与连杆之间的动力传递。曲柄转动过程中，所述短销始终沿所述内滑道滑动。内滑道的设置使得长杆在曲柄整周运转过程中与固定连接在连杆上的短销始终保持物理连接，同时不会限制曲柄的旋转。这样，在两个电磁离合器状态切换后，曲柄可以顺利地从整周运转状态切换至非整周运转状态(或反向切换)，保证曲柄的两种运转状态可在无需人工现场干预的情况下实现切换。

4、本发明中，短销与减速机输出轴的中心距m小于短杆与长杆之间的铰接轴与电动机输入轴的中心距n，基于这一限定，可保证曲柄整周旋转过程中不会与长杆和短杆组成的双杆结构发生机械干涉。

5、本发明中，当曲柄运转至最低点时，所述减速机输出轴的中心位于所述连杆的中心线上，曲柄非整周运动过程中，减速机输入轴只需输出较小的力矩即可推动曲柄摆动，从而降低机械式间抽传动机构运转过程中的能耗。

6、所述减速机为ZSY型三级平行轴减速机，该标准型号的减速机具有三根相互平行的轴，三根轴上的齿轮依次啮合，采用这种三级减速机后，所述减速机输入轴和减速机输出轴的旋转方向一致(均为顺时针)，从而有利于减少从常规工作状态向非整周工作状态切换瞬间的机械冲击。

7、内滑道内安装的弹簧A有三个作用：

第一，在从常规工作状态向非整周工作状态切换时，弹簧A施加的推力可迫使短销及曲柄更快地到达内滑道内靠近短杆的一端，以便减速机输入轴输出的动力得以尽快通过短杆和长杆传递至短销及短销所在的连杆上，从而缩短曲柄运动状态切换的时间。

第二，弹簧A的设置可有效减少内滑道的内壁与短销之间的无谓摩擦，进而延缓长杆和短销的磨损。

第三，弹簧A的设置可在曲柄整周旋转过程中“牵引”长杆和短杆，使短杆的转角始终处于最利于曲柄运动状态切换的位置，这样，在两个电磁离合器工作状态互换后，获得传动动力的短杆和长杆可以迅速将力传递给短销，而不会经过一段空行程后再向短销施加推力。由此可减小曲柄工作状态切换时的机械冲击和噪音，并防止长杆发生疲劳断裂。

8、本发明中，短销并没有直接设置在曲柄上，而是设置在连杆上，换句话说，长杆并没有直接推动曲柄，而是直接推动连杆，通过推动连杆的下端来间接推动曲柄，与直接推动曲柄相比，该结构有两方面作用：

一方面，本发明中的曲柄和游梁分别连接在减速机和支架上，且连接后均可旋转，因此，当连杆上下两端分别与曲柄和游梁铰接后，即使长杆和短销之间发生机械冲击，长杆和曲柄之间的动力传动也具备较好的柔性，从而起到减缓机械冲击的作用。

另一方面，将短销设置在连杆上可以有效缩短短杆的长度，并防止连杆和长杆之间发生机械干涉。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是减速机的结构示意图；

图4是本发明的第二种实施例的结构示意图；

图5是本发明的第三种实施例的结构示意图；

图6是增设了正反扣伸缩结构后的伸缩组件的结构示意图；

图7是增设了内滑套后的伸缩组件的结构示意图

图8是本发明的第四种实施例的结构示意图。

图中：1、底座，2、曲柄，3、支架，4、驴头，5、游梁，6、连杆，7、减速机，8、长杆，9、带轮,10、短杆，11、皮带，12、电机，13、减速机输入轴，14、减速机输出轴，15、短销，16、内滑道，17、弹簧A，18、内杆，19、外管，20、弹簧B，21、正反扣伸缩结构，22、锁块，23、内滑套，24、环形槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

实施例一：

如图1所示，本实施例包括底座图中：1、支架3、游梁5、驴头4、连杆6、曲柄2、减速机7和电机12，其中，支架3、减速机7和电机12均固定安装在底座图中：1上，游梁5的中部铰接在支架3的顶部，驴头4固定安装在游梁5的一端，连杆6的上端铰接在游梁5的另一端，曲柄2安装在减速机输出轴14上，同时又与连杆6的下端铰接，所述电机12通过皮带11和带轮9与减速机输入轴13连接，电机12启动后，电机12输出的动力经过减速机7转化为曲柄2的旋转运动，曲柄2的旋转运动经过连杆6的传递后使游梁5摆动。以上为现有技术中的常见结构，在此不再赘述

如图1所示，本发明的重大创新在于增设了机械式间抽传动机构。通过采用机械式间抽传动机构为曲柄2提供非整周运动的驱动力，从而将抽油机的冲程调整到小于杆管柱弹性静变形范围之内，消除了抽油机停机带来的安全隐患和冻堵隐患。与现有技术中通过电气方式实现曲柄2非整周运动相比，采机械式间抽传动机构可有效消除电机12频繁换向造成的电气系统冲击，从而延长了包括电机12和变频器在内的电气系统的使用寿命，进而提高了抽油机工作的可靠性。

另外，本发明中所述的机械式间抽传动机构可直接增设在传统抽油机中，而无需重新制造新型的抽油机。从而达到了节约设备成本和安装成本的目的。

如图1和图2所示，本发明所述的机械式间抽传动机构，进一步包括短杆10和长杆8，短杆10的一端连接在减速机7的输入轴上，另一端与长杆8的一端铰接，长杆8的另一端加工有内滑道16，所述连杆6上与所述内滑道16对应设置有短销15，短销15固定安装在连杆6上并在所述内滑道16内相对滑动；所述曲柄2与减速机输出轴14的连接处设置有电磁离合器A；所述减速机7的输入轴与所述短杆10的连接处设置有电磁离合器B。

本发明是在传统抽油机的基础上作出的，目的是在保证传统抽油机正常工作的前提下实现曲柄2的非整周运动，而传统抽油机上，曲柄2始终做单向旋转运动，因此，本发明研发过程中必须解决机械式间抽传动机构与传统抽油机原有结构兼容的问题，同时解决如何在无需人工现场干预的情况下切换曲柄2的运转状态的问题。

为了解决这些问题，本发明提供了一种包括长杆8和短杆10的机械式间抽传动机构。常规工作状态下，安装在曲柄2和减速机输出轴14之间的电磁离合器A处于结合状态，减速机输出轴14的动力得以传递至曲柄2，使曲柄2沿顺时针方向持续转动，同时，安装在所述短杆10和减速机输入轴13之间的电磁离合器B处于分离状态，减速机输入轴13的动力无法传递至短杆10，从而防止机械式间抽传动机构与抽油机原有的曲柄2连杆6驱动机构发生机械干涉。

从常规工作状态向非整周工作状态切换瞬间，电磁离合器A切换至分离状态，使曲柄2失去来自减速机输出轴14的驱动力，同时，电磁离合器B切换至结合状态，使减速机输入轴13的动力得以传递至短杆10，继而使短杆10旋转。短杆10旋转后，长杆8在短杆10的驱动下向左侧推动连杆6，使曲柄2克服自身重力沿顺时针方向摆动，当曲柄2摆动至最高点之后，继续转动的短杆10无法为连杆6提供推动力，这种情况下，曲柄2在自身重力作用下反向(逆时针)摆动，直到长杆8再次通过所述短销15与内滑道16的配合推动所述连杆6。

另外，本发明在长杆8上设置了内滑道16，并通过内滑道16和短销15的配合实现长杆8与连杆6之间的动力传递。曲柄2转动过程中，所述短销15始终沿所述内滑道16滑动。内滑道16的设置使得长杆8在曲柄2整周运转过程中与固定连接在连杆6上的短销15始终保持物理连接，同时不会限制曲柄2的旋转。这样，在两个电磁离合器状态切换后，曲柄2可以顺利地从整周运转状态切换至非整周运转状态(或反向切换)，保证曲柄2的两种运转状态可在无需人工现场干预的情况下实现切换。

本发明中，短销15并没有直接设置在曲柄2上，而是设置在连杆6上，换句话说，长杆8并没有直接推动曲柄2，而是直接推动连杆6，通过推动连杆6的下端来间接推动曲柄2，与直接推动曲柄2相比，该结构有两方面作用：

一方面，本发明中的曲柄2和游梁5分别连接在减速机7和支架3上，且连接后均可旋转，因此，当连杆6上下两端分别与曲柄2和游梁5铰接后，即使长杆8和短销15之间发生机械冲击，长杆8和曲柄2之间的动力传动也具备较好的柔性，从而起到减缓机械冲击的作用。

另一方面，将短销15设置在连杆6上可以有效缩短短杆10的长度，并防止连杆6和长杆8之间发生机械干涉。

如图1所示，设所述短销15与减速机输出轴14的中心距为m，所述短杆10与长杆8之间的铰接轴与电动机输入轴的中心距为n，则m小于n。基于这一限定，可保证曲柄2整周旋转过程中不会与长杆8和短杆10组成的双杆结构发生机械干涉。

当曲柄2运转至最低点时，所述减速机输出轴14的中心位于所述连杆6的中心线上。基于这一限定，曲柄2非整周运动过程中，减速机输入轴13只需输出较小的力矩即可推动曲柄2摆动，从而降低机械式间抽传动机构运转过程中的能耗。

如图3所示，作为优选方案，所述减速机7为ZSY型三级平行轴减速机7，该标准型号的减速机7具有三根相互平行的轴，三根轴上的齿轮依次啮合，采用这种三级减速机7后，所述减速机输入轴13和减速机输出轴14的旋转方向一致(均为顺时针)，从而有利于减少从常规工作状态向非整周工作状态切换瞬间的机械冲击。

具体实施时，还需注意以下两点：

第一，为了防止曲柄2整周旋转时与减速机输入轴13发生机械干涉，应适当缩小曲柄2尺寸或增大减速机输入轴13和减速机输出轴14的间距。

第二，曲柄2进入非整周运动状态后，可通过变频器控制电机12，使电机12的转速下降，从而达到输出更高扭矩和节能的目的。

实施例二：

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于，所述内滑道16内安装有弹簧A17，所述短销15在该弹簧A17的弹力作用下始终保持向短杆10所在一侧靠近的运动趋势。

内滑道16内安装的弹簧A17有三个作用：

第一，弹簧A17的设置可在曲柄2整周旋转过程中“牵引”长杆8和短杆10，使短杆10的转角始终处于最利于曲柄2运动状态切换的位置，这样，在两个电磁离合器工作状态互换后，获得传动动力的短杆10和长杆8可以迅速将力传递给短销15，而不会经过一段空行程后再向短销15施加推力。由此可减小曲柄2工作状态切换时的机械冲击和噪音，并防止长杆8发生疲劳断裂。

第二，弹簧A17的设置可有效减少内滑道16的内壁与短销15之间的无谓摩擦，进而延缓长杆8和短销15的磨损。

第三，在从常规工作状态向非整周工作状态切换时，弹簧A17施加的推力可迫使短销15及曲柄2更快地到达内滑道16内靠近短杆10的一端，以便减速机输入轴13输出的动力得以尽快通过短杆10和长杆8传递至短销15及短销15所在的连杆6上，从而缩短曲柄2运动状态切换的时间。

实施例三：

本实施例与实施例二的区别在于，增设了如图5所示的伸缩组件。

众所周知，曲柄2在抽油机中的主要作用是调节游梁5两端的受力平衡，以产生节能效果。而正常采油状态下，曲柄2单向整周旋转，曲柄2旋转过程中，弹簧A17的设置会在曲柄2从最低点至向上转动的初期阻碍曲柄2的旋转，进而削减曲柄2的配重效果。这种情况下，为了抵消弹簧A17对曲柄2配重的不利影响，可增设如图5所示的伸缩组件，该伸缩组件的两端分别与游梁5和连杆6铰接，伸缩组件进一步包括包括内杆18、外管19和弹簧B20，内杆18插在外管19内并与外管19滑动配合，弹簧B20夹在内杆18和外管19之间，当曲柄2的配重作用被被弹簧A17削减时，内杆18和外管19在弹簧B20的弹力作用下具有使伸缩组件缩短的趋势，从而抵消弹簧A17对曲柄2配重的不利影响。

需要注意的是，当曲柄2在图5所示的位置状态下开始顺时针整周旋转后，旋转初期，由于长杆8和短杆10可以在连杆6的牵引下在一定范围内自由活动，所以弹簧A17在此阶段内不会被进一步压缩；随着曲柄2的旋转，当长杆8和短杆10处于一条直线上时，由长杆8和短杆10组成的双杆机构不会在连杆6的牵引下继续伸展；曲柄2继续旋转后，弹簧A17才会进一步压缩，弹簧A17对曲柄2配重作用的消减效应才会产生。理想情况下，只有弹簧A17和弹簧B20同时介入传动系统，才会最大程度上减少两个弹簧对游梁5两端平衡的不利影响。为此，本发明设计了如图7所示的伸缩组件，该伸缩组件内增设了内滑套23和锁块22，锁套安装在内杆18和外管19之间并与弹簧B20相抵，锁块22安装在内滑套23侧壁上的径向通孔内并可沿径向滑动，内杆18的外侧和外管19的内侧均加工有与锁块22两端对应的环形槽24，两个环形槽24轴向间隔一段距离(通过控制该距离可控制弹簧B20的介入时机，根据弹簧A17的介入时机确定该距离即可)。

曲柄2旋转初期，锁块22插在内杆18外侧的环形槽24内，并将内滑套23锁定在内杆18上，此时内滑套23承受弹簧B20的弹性回复力，从而使伸缩组件被压缩的初期弹簧B20不介入；当外管19内侧的环形槽24与锁块22对正后，内滑套23在弹簧B20的推动下向锁块22施力，锁块22在斜面的导向作用下被迫沿径向滑动并插入外管19内侧的环形槽24，同时将内滑套23释放，使内滑套23和外管19一同运动。因此，通过采用如图7所示的伸缩组件方案，可控制弹簧B20的介入时机，从而使弹簧B20的作用时机与弹簧A17的作用时机相匹配。

另外，如图6所示，还可在所述内杆18上设置正反扣伸缩结构21，使内杆18本身的长度可调，从而对优良两端的平衡状态进行调节，与调节曲柄2上的配重块相比，更加省力。

实施例四：

如图1和图8所示，本实施例与实施例一的区别在于：

第一，曲柄2位于下极限位置时，图1中短杆10向右倾斜，图8中短杆10向左倾斜。

第二，与图1相比，图8中短销15在连杆6的位置上移了。

本实施例的好处在于：

实施例1中，曲柄2的尺寸受减速机输入轴13的限制，即曲柄2的旋转范围只能位于减速机输入轴13的左侧，这限制了曲柄2的配重效果，难以应对悬重较大的油井。而本实施例中，通过改进，可使旋转的曲柄2从短杆10和长杆8之间通过(限制曲柄2旋转范围的变成了长杆8和短杆10之间的铰接轴)，从而拓展了曲柄2的旋转范围，增强了抽油机对不同深度和不同产液量的油井的适应性。

Claims (4)

1.一种利用曲柄(2)的非整周运动实现间抽的抽油机，包括底座(图中：1)、支架(3)、游梁(5)、驴头(4)、连杆(6)、曲柄(2)、减速机(7)和电机(12)，其中，支架(3)、减速机(7)和电机(12)均固定安装在底座(图中：1)上，游梁(5)的中部铰接在支架(3)的顶部，驴头(4)固定安装在游梁(5)的一端，连杆(6)的上端铰接在游梁(5)的另一端，曲柄(2)安装在减速机输出轴(14)上，同时又与连杆(6)的下端铰接，所述电机(12)通过皮带(11)和带轮与减速机输入轴(13)连接，电机(12)启动后，电机(12)输出的动力经过减速机(7)转化为曲柄(2)的旋转运动，曲柄(2)的旋转运动经过连杆(6)的传递后使游梁(5)摆动，其特征在于：还包括机械式间抽传动机构；

机械式间抽传动机构，进一步包括短杆和长杆(8)，短杆的一端连接在减速机(7)的输入轴上，另一端与长杆(8)的一端铰接，长杆(8)的另一端加工有内滑道(16)，所述连杆(6)上与所述内滑道(16)对应设置有短销(15)，短销(15)固定安装在连杆(6)上并在所述内滑道(16)内相对滑动；

所述曲柄(2)与减速机输出轴(14)的连接处设置有电磁离合器A；

所述减速机(7)的输入轴与所述短杆的连接处设置有电磁离合器B；

设所述短销(15)与减速机输出轴(14)的中心距为m，所述短杆与长杆(8)之间的铰接轴与电动机输入轴的中心距为n，则m小于n。

2.根据权利要求1所述的一种利用曲柄(2)的非整周运动实现间抽的抽油机，其特征在于：所述减速机(7)为ZSY型三级平行轴减速机(7)。

3.根据权利要求1所述的一种利用曲柄(2)的非整周运动实现间抽的抽油机，其特征在于：所述内滑道(16)内安装有弹簧A(17)，所述短销(15)在该弹簧A(17)的弹力作用下始终保持向短杆所在一侧靠近的运动趋势。

4.根据权利要求1所述的一种利用曲柄(2)的非整周运动实现间抽的抽油机，其特征在于：当曲柄(2)运转至最低点时，所述减速机输出轴(14)的中心位于所述连杆(6)的中心线上。

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