CN1176301C - 规定质心下置平衡游梁抽油机 - Google Patents

Abstract

规定质心下置平衡游梁抽油机的特点，在于能够同时平衡悬点负荷的重力和惯性力，既可储存位能，又可储存动能，使抽油机的位能和动能都不会在运动中流失，从而大幅度降低曲柄扭矩峰值，消除负功，节能显著并提高综合效益。采取的主要手段是具有“规定质心结构”的下置平衡装置：根据抽油机工况按说明书公式(6)算得的最佳值，用简单、可靠、易行的结构将下置平衡质量的质心规定在游梁后、下方的最佳位置。本机型与海内外游梁抽油机相比，在节能、安装、维护、调参、调平衡方便，节材，降低成本等各个方面均居领先地位。本机型适用于任何工况和井况，悬点最大负荷10-200kN，最大冲程1-6m，冲次3-20min^-1，可构成游梁抽油机的全系列设计。

Description

规定质心下置平衡游梁抽油机

技术领域

本发明涉及用于石油矿场的下置平衡游梁抽油机。

背景技术

已取得国家发明专利的高效节能杆件抽油机(专利号：92115106.3，授权日99.2.10)，以及已取得国家实用新型专利的平衡臂式两级平衡游梁抽油机(专利号：96201421.4，授权公告日：98.8.26)，都属于下置平衡游梁抽油机。它们的缺点是：不能测知平衡质量质心下置距离H的大小，因此不能将H规定为实际需要指定的数值，而不能达到最佳平衡状态。

发明内容

本发明的目的，是提供一种可根据油井井况和抽油机工况的实际需求，在装机时或装机前将质心下置距离H规定为最佳数值的下置平衡游梁抽油机。

此发明目的，由“规定质心下置平衡游梁抽油机”的技术方案来实现。这个技术方案是在高效节能杆件抽油机和平衡臂式两级平衡游梁抽油机专利技术的基础上加以改进而形成的，主要在于：采用了具有规定质心结构的游梁下置平衡箱/块，描述如下：一种规定质心下置平衡游梁抽油机，包括动力机1；带传动装置3；减速机4；曲柄5；连杆6；横梁及横梁轴承座10；整体弯游梁8或由平衡臂8.1与直游梁8.2活动联接构成的组合弯游梁；游梁支承7；片状驴头9或轮状驴头及挂在驴头上的悬绳器11；刹车装置12；支架14；底盘2和安装在底盘上的承冲装置13；以及联接在弯游梁尾端的游梁下置平衡装置，还可有常规平衡装置，其特征在于：所述游梁下置平衡装置是一种铰挂在弯游梁尾端的具有规定质心结构的下置平衡箱/块。

规定质心结构详见各实施例，它包括调变质心结构和测定质心结构，或是一种兼具调变质心功能和测定质心功能的结构，有了这些结构，就可在抽油机安装之时或在安装之前，根据抽油机工况、井况按公式(6)计算所得数据，将游梁下置平衡箱/块的质心规定在最佳位置，亦即将H调变为指定的最佳数值，获得最好的平衡效果。由于规定游梁下置平衡箱/块质心的结构十分简单，与常规游梁抽油机和现有下置平衡游梁抽油机相比，本发明抽油机兼有结构简单、装拆方便、节能效果显著的优点，具体说：结构简单可靠，成本低廉和维修装卸方便等更优于常规游梁抽油机；使用性能更优于现有下置平衡游梁抽油机。

附图说明

本发明提供了众多实施方案，通过下述实施例和附图作详细说明。

图1为实施例一的结构示意图。

图2为实施例二的结构示意图。

图3为实施例三的结构示意图。

图4为实施例四的结构示意图。

图5为作用质心调位块方案之一。

图6为作用质心调位块方案之二。

图7为作用质心调位块方案之三。

图8为作用质心调位块方案之四。

图9为作用质心调位块方案之五。

图10为作用质心调位块方案之六。

图11为作用质心调位块方案之七。

图12为作用质心调位块方案之八。

图13为实施例五的结构示意图。

图14为伸缩轴实施方案之一。

图15为伸缩轴实施方案之二。

图16为实施例六的结构示意图。

图17为角度调节装置示意图。

图18为框架式平衡箱结构方案之一。

图19为框架式平衡箱结构方案之二。

图20为框架式平衡箱结构方案之三。

图21为框架式平衡箱结构方案之四。

图22为三角曲柄示意图。

图23为摆锤平衡示意图。

图24为下置平衡游梁抽油机运动简图。

图25为游梁复合平衡抽油机运动简图。

图26为本机与常规机的型式试验曲柄扭矩比较图。

图27为本机与常规机的抽油作业曲柄扭矩比较图。

图中：1-动力机，2-底盘，3-带传动装置，4-减速机，5-曲柄，6-连杆，7-游梁支承，8-整体弯游梁，8.1-平衡臂，8.2-直游梁，9-片状驴头，10-横梁及横梁轴承座，11-悬绳器，12-刹车，13-承冲装置14-上支架，15-下平衡箱，16-上平衡箱，17-立柱，17.1-横杆，17.2-加强板，18-隔板，19；22-挂轴，20；21-吊耳，23-挂座，23.1-U形挂钩，24；24.1-靠闩，25-楔形槽座，26-直槽座，26.1-螺栓，27-标尺，28-挂/铰轴，29-平衡箱/块，30-调位块，30.1-联接板，30.2-多齿卸荷盖板，31-吊板或吊杆，32-矩形轴承座，或与挂/铰轴联为一体的中部矩形轴段，33-垫块，34-螺栓，35-螺母，36-矩形槽，37-矩形长槽，38-矩形或梯形凸齿，39-矩形或梯形槽，40-伸缩杆，41-伸缩杆，42-螺杆，43-螺母，44-螺杆，45-吊杆，46-心管，47-套管，48-带有右旋螺母的方管或园管，49-带有左旋螺母的方管或园管，50-双头左、右旋螺杆，51-底板，52-钩状U形槽，53-迷宫式U形槽，54-钩状矩形槽，55-下支架，56-平衡箱内支架，57-辅助上、下箱，58-壁架，59-搁板，60-角度调节架，61-角度调节片，62-整体式平衡箱，63-框架立柱，64-框架底板，65-框架顶板，66-框架，67-垫片，68-辅助平衡箱。

O-游梁摆动中心，OO-通过O点与游梁平行的直线，称游梁作用线，G-下置平衡质量之质心或作用质心，L-质心或作用质心G之后置距离，H---质心或作用质心G之下置距离，FF-平衡箱之中线或对称面，与游梁作用线垂直，KK；JJ-分别在点K或J吊起平衡箱时之重垂线，R-曲柄长，S-游梁摆动中心至横梁轴承中心之距离，θ--曲柄转角，自下垂线起算，逆钟向为正，φ--游梁摆角，自指向驴头的水平线起算，逆钟向为正。

具体实施方式

实施例一.参看图1，这是规定质心下置平衡游梁抽油机的基本模式之一。其基本结构与现有下置平衡游梁抽油机相同：由动力机1通过带传动装置3和减速机4减速后，驱动装在减速机输出轴两端的曲柄5旋转，再通过连杆6以及横梁和横梁轴承座10，带动弯游梁8，绕游梁支承的中心O上下摇摆，装在弯游梁前端的驴头同步摇摆，挂在驴头上的悬绳器就和抽油杆一起上下运动，完成抽油工作，本实施例的主要特征在于：具有规定质心结构的游梁下置平衡装置，是一种挂靠在弯游梁尾端的具有规定质心结构的游梁下置平衡箱，规定质心结构包括两个部分：一是调变质心结构，二是测定质心结构。

调变质心结构采用了一种框架结构楼式平衡箱—用三至四根立柱17焊接上、下底板构成一个框架，该框架将上平衡箱16与下平衡箱15联结为具有两个对称面的整体，一个对称面与整机对称面重合，另一个对称面FF与游梁作用线OO垂直；并且上平衡箱16和下平衡箱15的上部均设置有至少一块横向搁板18，并且上平衡箱16与下平衡箱15的侧面或底部均设置结构简单的排重门，例如开一个孔，用插板控制孔的启闭。增减上平衡箱16和下平衡箱15中重物的数量，可使质心G沿FF移动，达到调变质心下置距离H的目的。排重门用来卸去平衡质量。隔板18用来阻止平衡箱中的重物在抽油机运转中滚动。

测定质心结构是楼式平衡箱的挂轴结构和标尺结构以及包容结构—挂轴结构和标尺结构是：楼式平衡箱的前、后侧面上设置有挂轴19、22——前、后侧面各联有一对吊耳20、21，吊耳中穿有挂轴19、22；或在立柱17上开孔直接穿有挂轴19、22；也可将挂轴19、22焊接或用螺栓联接在立柱上，挂轴中央制有容纳起吊钢丝绳的沟槽，前后两侧挂轴在楼式平衡箱的高度方向错开一个距离，楼式平衡箱通过挂轴铰/挂在弯游梁尾端的挂座23或挂钩23.1上。并且，楼式平衡箱的左/右侧面中线FF处，置有自游梁作用线起算的标尺27。所述包容结构是楼式平衡箱前侧两根立柱17在整机对称面垂直方向的间距大于弯游梁尾端的宽度，以便现场测定平衡装置质心时弯游梁尾端可伸进立柱间的空档；同时在立柱17和弯游梁尾端之间设置靠闩24：抽油机工作时楼式平衡箱通过靠闩靠牢在弯游梁尾端，调平衡时取去或退出靠闩，楼式平衡箱处于自由饺挂状态。靠闩有多种安装方式，本实施例采用楔块升降结构：平衡箱内侧固结一对向上开口的直槽座26，直槽中滑配靠闩24，拧转直槽座底部螺栓26.1或在靠闩24与直槽座底面间打入楔片，将靠闩24向上挤入楔形槽座25的楔形槽中，楔形槽座25与弯游梁尾端联为一体并向下开口，靠闩24的截面下半为矩形，上半为楔形。也可采用靠闩联接结构：靠闩24置于直槽座26的槽中，用螺栓与弯游梁尾端牢固联接。还可采用勾头结构，弯游梁尾端有一个向上开口的勾头，勾头中置有一根靠闩24，抽油机工作时楼式平衡箱前侧与靠闩相靠，还可用螺栓将它们连接在一起。

吊起挂轴19或22时，重垂线KK和JJ必经过平衡装置的质心G；楼式平衡箱关于FF对称，G又在FF上，故KK；JJ；FF必汇交于G。有两种测定G的方法：一种是在挂轴19或22的中央吊起楼式平衡箱，通过挂轴中心的重垂线KK或JJ，和FF的交点，就是质心G；另一种是楼式平衡箱通过挂轴19或22铰挂在弯游梁尾端的挂座23或U形挂钩23.1上，抽去或退出靠闩24，弯游梁尾端伸进立柱17间的空档，楼式平衡箱处于自由悬挂状态，相应重垂线与FF的交点就是质心G。在标尺27上可读出楼式平衡箱质心下置距离H，同时利用调变质心位置结构将它调变到符合要求。前一种方法用于装机前的准备工作；后一种方法用于装机时细调或更换冲次、冲程时调节平衡，可不用吊车。

本实施例采用联为一体的弯游梁，也可采用由平衡臂8.1与直游梁8.2联接而成的组合弯游梁。

实施例二。参看图2，本实施例与实施例一比较，主要区别在于所述规定质心结构是一种多挂轴/钩平衡箱。多挂轴平衡箱是：平衡箱15制成独立的整体矩形结构，其前；后两侧错距布置有至少三根挂轴，这些挂轴或通过吊耳20；21与平衡箱前后侧面相联，或直接穿在平衡箱左右侧面的孔中，平衡箱通过这些挂轴之一铰挂在与弯游梁尾端联为一体的挂座23或U形挂钩23.1上。吊起挂轴19或22，相应重垂线KK；JJ与平衡箱对称线FF汇交于G，就可从标尺27上读出G的下置距离H；更换挂轴可调变质心G的下置距离H，H将按挂轴间的错距增大或减小。抽油机工作时，平衡箱前侧面通过靠闩24.1靠牢在弯游梁尾端，靠闩可与弯游梁尾端联为一体，并与平衡箱用螺栓联住，也可采用实施例一所述联接方式。多挂钩平衡箱与多挂轴平衡箱的区别是：挂钩装在平衡箱上，挂轴装在弯游梁尾端。

本实施例的另一个特点是采用了塔式双层支架结构：整个支架由上支架14和下支架55用螺栓联接而成，下支架55可与底盘焊联为一体，也可用螺栓联接；上支架14设计成整体钢结构或与现有结构相仿的装配式三角撑，用螺栓联接在下支架上。这种支架结构的优点，是整机刚性好，并且便于运输。本发明和现在广泛使用的常规游梁抽油机，都可采用这种支架结构。

实施例一也可采用这里所说的多挂轴/挂钩结构和塔式双层支架结构。

实施例三。参看图3，它与实施例二的区别在于：平衡箱15上部用两根立柱17，上焊横杆17.1，旁焊加强板17.2，延伸出一个挂背；也可用四根立柱上加顶板，在平衡箱上部延伸出一个框架结构；构成挂背或框架结构的立柱上设置有至少三根挂轴22，这些挂轴穿在立柱17的孔中，或焊接或用螺栓联接在立柱17上，也可通过吊耳装在立柱的前侧面上。当然也可将挂轴装在弯游梁尾端，构成挂背或框架结构的立柱上则装有挂钩。

实施例四。参看图4，这是规定质心下置平衡游梁抽油机的基本模式之二，它与前述实施例的区别，在于下置平衡箱/块与弯游梁尾端采用了自由铰挂结构，规定质心结构采用了调位块式平衡箱/块铰挂系统—调位块30直接或通过联接板30.1联接在弯游梁8的尾端或与之联为一体，平衡箱/块29向上延伸出两个对称的吊板或吊杆31，图示位置，调位块30与吊板31的对称线相重合，在此对称线FF上，调位块30和吊板31均制有同等数量、同等间距的孔系。挂/铰轴28穿入孔系的某一孔中，平衡箱/块29就在此孔位与调位块30自由铰接，该孔位中心G就是铰接点；因为平衡箱/块的整个重量都要通过铰接点G作用在游梁上，实际质心将不起作用，其平衡效果与平衡箱/块整个重量全部集中在铰接点G相同，所以该铰接点G叫做下置平衡装置的作用质心，L和H分别是G的后置距离和下置距离。挂/铰轴28穿在不同的孔中，同一个平衡箱/块就有不同的H；还可在调位块30上制有多列孔系，同时调变H和L。如果备有二根挂/铰轴28，按规定质心位置穿装好挂/铰轴，再拆下前一根挂/铰轴，调变工作将十分方便。

调位块的实施方案多种多样，图5～图12是部分例子。

图5是一种钩状U形槽铰挂结构：调位块30右侧通过同其联为一体的联接板30.1与弯游梁尾端焊牢或用螺栓固联，左侧制有至少三个钩状U形槽52，平衡箱铰挂在钩状U形槽中：平衡箱29左右两侧向上延伸出吊板31，两块吊板上端制有同心园孔，孔中装有轴承，挂/铰轴28穿在轴承中并作相对轴向固定，其中部轴段置于钩状U形槽中。钩状U形槽底部半园的中心就是平衡质量的作用质心，因为至少有三个钩状U形槽，就至少有三个下置距离H可供选择，以适应抽油机三种冲次的平衡要求。

所说钩状U形槽也可改为与弯游梁尾端或调位板铰接的吊钩，吊钩的内侧可采用U形，也可采用矩形，这时吊钩与调位块或游梁尾端的铰接点为作用质心。这种结构可叫做吊钩式平衡箱/块铰挂系统。

图6是一种迷宫式U形槽铰挂结构：它与图5的区别在于，调位块30上制有多排横向通道，每排通道下垂多个U形槽，称为迷宫式U形槽53，并且每个通道的进口都用多齿卸荷盖板30.2封住，多齿卸荷盖板用螺栓固联在调位块上。调位块采用这一方案，作用质心G的后置距离L和下置距离H均可调变。

图7是一种矩形槽铰挂结构：调位块30上制有至少三个矩形槽36，挂/铰轴28通过吊杆31与调位块30在矩形槽中挂/铰。有两种挂/铰方式—(1)挂/铰轴28中段与外廓为矩形的轴承座32铰接，该矩形外廓轴承座置于调位块的矩形槽中，吊杆31上端活套在挂/铰轴28两端，下端与联接在平衡箱/块29左右侧的轴头活套，并作轴向固定。(2)吊杆31上端与挂/铰轴28两端通过轴承铰接，挂/铰轴28中部为矩形轴段32，该矩形轴段置于调位块30的矩形槽中。调位块30的矩形槽用带齿的卸荷盖板30.2封住。矩形轴承座或与挂/铰轴联为一体的中部矩形轴段32的中心，就是平衡装置的作用质心，它到游梁作用线OO的距离则是其下置距离H。

图8是一种钩状矩形槽铰挂结构，它与图7的区别是：调位块30上的矩形槽改为钩状矩形槽54。调位块采用本方案，装卸操作将与图5一样方便。

图9是一种长槽铰挂结构，它与图7矩形槽铰挂结构的区别在于：(1)调位块上的多个矩形槽改为向上开口或不开口的矩形长槽37，开口长槽的上端用螺栓34螺母35拉住，以增强调位块强度，并对挂/铰轴或矩形外廓轴承座起夹持作用。(2)矩形轴承或与挂/铰轴28联为一体的中部矩形轴段32置于所说长槽中，长槽底部置有厚薄不等的垫块33，用来调变作用质心的位置和下置距离H。垫块33中还可包括一个带U形槽的垫块，用来在矩形槽中置放园形挂/铰轴。中间构件31采用吊板，也可采用吊杆。所说长槽至少是一个也可以是平行的2～3个。

图10是一种由螺杆42和螺母43联接成的简易千斤顶，用它代替图9长槽底部的垫块，可无级调变作用质心的下置距离H。

图11也是一种长槽铰挂结构，只是调位块30上的长槽37封闭或向下开口，调位块顶部设置了螺杆—螺母机构，螺杆44上端带有拧转用方头，下端与矩形轴承座或矩形轴段32沿螺杆轴向相联；平衡箱通过吊杆45铰吊在从矩形轴承座32两侧伸出，或从矩形轴段32向两侧延伸的挂/铰轴28上。这种调位块方案可连续调变作用质心G的下置距离H，但要防止螺杆螺母锈死。

图12是调位块30与弯游梁尾端的一种联接方案：有一个联接板30.1，其上有矩形或梯形凸齿38，调位块30的内侧开有相应的矩形或梯形槽39与之相卡，并且调位块30上部用螺栓34螺母35与联接板30.1固联，联接板则与弯游梁尾端联为一体。采用这种联接方案，也可调变作用质心的下置距离H，而作为调位块的调位方案。

必须指出：调位块30可是块状，也可是板状，条状或中空结构。它可以是与弯游梁尾端联接的一个独立体；也可以与弯游梁尾端联为一体—这时，调位块可视为弯游梁尾端，在调位块上制有孔；槽，就是在弯游梁尾端上制有孔、槽。所说吊杆31可是板状、杆状、条状、也可是义状或两头是义状。

实施例五。参看图13，这是规定质心下置平衡游梁抽油机的基本模式之三，规定质心结构下置平衡装置采用了三角桁架式弯游梁平衡箱/块铰/挂系统—伸缩杆40；41上端分别和直游梁8.2铰接，下端相互铰接，构成一个可调变的三角桁架式的弯游梁，平衡箱/块29直接或通过挂杆/挂钩自由铰/挂在三角桁架下部铰接点G处。G就是下置平衡装置的作用质心。因为40与41均为长度可调变的伸缩杆，可根据实际要求将G调变到设计范围内的任何规定位置。伸缩杆40；41与游梁8的铰接点不一定是在图13所示位置，也可以在其他位置与游梁铰接，还可用螺栓将铰接支座联接在游梁上部、下部或尾端，并带有调位结构。如果平衡块29制成圆形或矩形，还可令其质心与铰接中心重合而铰挂在铰接轴G上，实施例四也可这样。

图14是伸缩杆方案之一：心管46与套管47滑套，套管上制有至少一个园孔，心管上则制有一系列园孔，螺杆34插入套管及心管的不同孔中，即可调变伸缩轴的长度，此长度可从刻在心管上的标尺27读出。

图15是伸缩杆方案之二：带有右旋或左旋螺母的方管或园管48、49，用一种双头左、右旋螺杆50将它们联接起来，可构成另一种伸缩杆，双头左、右旋螺杆50的凹槽中还刻有显示伸缩杆长度的标尺27。

实施例六。参看图16，这是规定质心下置平衡游梁抽油机的基本模式之四，特点是用摆动方式调变平衡装置质心下置距离H：弯游梁采用平衡臂8.1挂靠在直游梁8.2尾部的组合结构，并且在相靠处安装角度调节装置A；同时平衡箱62与平衡臂8.1之尾端也采用挂靠结构，相靠处安装与A相同的角度调节装置B，调变A、B中角度调节片之数量，但保持其总数不变，可使平衡臂8.1与直游梁8.2的夹角α发生变化，平衡箱62与直游梁8.2之夹角β则始终恒定而达到调变H的目的。角度装置A、B放大如图17所示，它由安装架60与角度调节片61组成，安装架的弧面与角度调节片61之外园有相同的直径d，并都以铰挂轴中心O为圆心，角度调节装置A、B中的调节元件也可不用角度调节片，改用调节块、销轴、螺杆千斤顶等。角度调节装置B还可安装在特制的靠闩上，称角度调节靠闩，此时角度调节装置A可单独置入平衡臂8.1与直游梁8.2尾端的相靠处，也可制成角度调节靠闩置入。

本发明平衡箱结构形式多样，有整体分层结构、框架结构、挂背结构与自由铰接结构等等。整体分层结构62(图16)是将平衡箱制成一个整体，内部还可设计平衡箱内支架56或壁架58，安放搁板59，还可在整体平衡箱上、下部座入或联接辅助上、下箱57。框架式的基本结构如图18～21所示，是用三根或四根等长立柱63联接顶板65和底板64构成框架66，框架上部联接上箱16(图19)或联接下箱15(图20)，或同时联接有上箱和下箱(图18)，下箱底部还可再联下箱。所述联接可以是常用的螺栓联接，也可以是联为一体的焊接，框架内部还可采取惯用手段滑配辅助平衡箱68(图21)，并采取惯用的提升或举升装置调节该辅助平衡箱的位置后加以固定。挂背结构(图3)是框架结构的一个变种，在无需设置上箱时采用。自由铰接结构如图4～13所示，制作要求较高，从驴头一端看去，平衡箱/块必须左右对称。不论是何种结构，平衡箱/块的下部还可联接多个辅助下箱/块，并且最下部平衡箱/块的顶面设置有厚度不小于5～10毫米的垫片67，将所述下箱卸在承冲装置上，取去垫片，抽油机可正常运转而不会与卸下的箱顶碰撞，取去的垫片复位又可将辅助下箱重新联接在平衡装置上。这种结构将有利于初装运转时减轻电机负荷并有利于“碰泵”等作业。

本发明抽油机的支架，可采用塔式双层支架结构，也可采用常规结构。本发明抽油机的曲柄，可采用直曲柄，也可采用三角曲柄，图22是三角曲柄的结构示意图，特征在于：联接诸曲柄销孔中心的直线与曲柄主轴孔中心联为一个三角形。

本发明规定质心下置平衡游梁抽油机实施例均是前置式结构，也可采用后置式，只要将连杆6同游梁8的铰接点设置在弯游梁后部，就得到后置式的规定质心下置平衡游梁抽油机了。本发明规定质心下置平衡装置，可单独使用，也可与常规平衡方式混合使用，因此，本发明还可用来对现有常规游梁抽油机进行节能改造，只要是游梁抽油机，都可采用本发明的规定质心下置平衡装置。

6.本发明的优点

本发明抽油机与海内外游梁抽油机相比，在各个方面均属领先地位：1，曲柄峰值扭矩降低幅度达30～60％；节电率幅度达30～50％。2，整机结构简单可靠。3，安装维护和调参方便。4，调平衡方便，平衡率可达98％。5，整机重量轻，降低幅度达30％。6，制造成本降低20％。7，整机受力状况改善，易损件减少，机器寿命延长。

7.本发明的理论基础

下面证明：本发明抽油机的“规定质心下置平衡”是一种最佳平衡方式。

(一)摆锤平衡可直接并完全平衡游梁系统的惯性力矩

设想一种摆锤平衡，如图23之m_C，它置于游梁摆动中心O的下方，并且质心位于过O点所作游梁的下垂线上，如同一个与游梁联为一体的摆锤，摆长为O点至m_C质心的距离H。容易证明：摆锤m_C产生的重力矩M_G可直接并完全平衡游梁系统的惯性力矩Mn。

设曲柄R以角速度ω逆钟向匀速旋转，其角位移θ和游梁(即摇杆S)角位移φ均逆钟向为正。由投影关系：

T＝-R cosθ+P cosδ-S sinφ               (1)

因连杆P之摆角δ很小，cosδ≈1；又φ≤30°时，φ与sinφ之差不超过4.72％，如令T＝P，并略去微量，由式(1)可得：

φ＝sinφ＝-(R/S)cosθ

φ′＝dφ/dθ＝(R/S)sinθ                 (2)

φ″＝d²φ/dθ²＝(R/S)cosθ

抽油机的惯性力矩将由游梁系统的Q、m_C和游梁(平衡)质量m(力臂L)以及游梁转动惯量J产生，它们对游梁摆动中心O之力矩为：

Mn＝(L₁ ²Q+L²m+H²m_C)·(R/S)ω²·cosθ      (3)

摆锤m_C对游梁摆动中心之重力矩为：

M_G＝H m_C g·sinφ＝-H m_C g·(R/S)cosθ    (4)

M_G-θ与Mn-θ是两条反相的余弦曲线，只要幅度相等，即有Mn+M_G＝0，摆锤可在内部直接平衡游梁系统的惯性力矩；此时，H必须符合方程

H²-(g/ω²)·H+(L₁ ²Q/m_C+L²m/m_C+J/m_C)＝0             (5)

解出

H＝0.5{g/ω²-[g²/ω⁴-4(L₁ ²Q/m_C+L²m/m_C+J/m_C)]^0.5}    (6)

H必须是实数，条件是

ω≤[0.25g²/(L₁ ²Q/m_C+L²m/m_C+J/m_C)]^0.25             (7)

由条件(7)限定的抽油机冲次n，从6米长冲程的n≤8冲，到1米短冲程的n≤20冲，足可满足实际需要。

摆锤平衡和任何常规平衡方式结合，都可在游梁内部完全平衡游梁系统的惯性力，获得最佳平衡效果。

(二)游梁下置平衡＝游梁平衡+摆锤平衡

摆锤平衡和游梁平衡结合，可产生一种新的平衡—平衡质量的质心置于游梁后部下方，并且在抽油机运转中，平衡质量的质心或作用质心与游梁无相对运动，如同一个刚体。这种新的平衡称为“规定质心下置平衡”(简称下置平衡)。已有技术中也有将平衡质量置于游梁后下方的平衡方式，但它们的质心/作用质心或随着抽油机的运转对于游梁作有规律的相对运动，或者它们的质心/作用质心位于游梁中心线上而不在游梁下方，因此，这里所说的“下置平衡”与它们有着实质的区别。

这里所说的“下置平衡”是一种奇妙的平衡，奇妙之处在于一个下置质量可当两个质量用：一个在游梁尾端，另一个在游梁的中垂线上，因此，是一种全新的两级平衡。图25是一种游梁复合平衡抽油机简图：置于游梁尾端B处的质量m_B是传统的游梁平衡，置于游梁过摆动中心O的下垂线上C处的质量m_C是如同一个单摆的摆锤平衡，容易证明，只要OBGC是矩形以及m_B＝m_C＝m，置于G处的游梁下置质量m(图24)与游梁复合平衡(图25)动态等价。

图24，游梁8上质心位于G的质量m，在运动中对游梁摆动中心O产生的力矩M_G由两部分构成，一部分是m的重力对O的力矩，等于矢经OG与重力矢量mgi的矢积OG×mgi(i为指向地心的单位矢量)；另一部分是游梁摆动时m的惯性力对O的力矩，等于矢径OG与m的切向惯性力mρετ的矢积OG×mρετ(ε是游梁8的角加速度，τ、τ₁、τ₂分别是垂直于OG、OB、OC的单位切向矢量)，因此：

M_G＝OG×mgi+OG×mρετ

因为OG＝OB+OC，ρτ＝Lτ₁+Hτ₂，代入上式并注意OB×τ₂＝0和OC×τ₁＝0，得

M_G＝(OB×mgi+OB×mLετ₁)+(OC×mgi+OC×mHετ₂)

显然，(OB×mgi+OB×mLετ₁)＝M_B与(OC×mgi+OC×mHετ₂)＝M_C，分别是图25中游梁8上质心位于B，C的质量m_B＝m和m_C＝m的重力和惯性力对游梁摆动中心O的力矩，这就是说，M_G＝M_B+M_C。

结论：“游梁下置平衡”与“游梁平衡和摆锤平衡的复合平衡”，两者动态等价；或者说：“游梁下置平衡可动态等价地分解为游梁分量平衡和摆锤分量平衡”。

(三)下置平衡的实质----储存位能和动能

游梁下置平衡的游梁分量和摆锤分量，分别用来平衡抽油机悬点重力负荷和游梁系统的惯性力。这两种平衡实质上都是抽油机内在机械能的转移和储存：

游梁分量用来储存悬点悬挂质量Q的重力位能：曲柄从上死点(θ≈π)到下死点(θ≈0)，Q之位能丢失达最大值G，游梁分量之位能增加达最大值G₁；曲柄从下死点到上死点，刚好反过来。这样，G→G₁→G→G₁……反复循环，Q之位能得以转移储存，不致丢失，达到节能的目的。位能完全储存的条件是G₁＝G，即：

mL＝QL₁                                                       (8)

摆锤分量用来转移和储存游梁系统之动能：上、下死点(θ≈π、0)时游梁系统动能为0，摆锤分量重力位能达最大值G₂；游梁水平位置(θ＝90°，270°)时，游梁系统动能达最大值E，摆锤分量重力位能为0，由E→G₂→E→G₂……，使游梁系统之动能转移为摆锤之位能而不致流失。理想状态应有E＝G，引入式(2)可推得

H²-(g/ω²)·H+(L²+LL₁+J/m)＝0                                 (9)

式(9)与式(5)是一致的，在式(5)中代入m_C＝m和mL＝QL₁，就可得到式(9)，这再次证明“动能储存理论”之正确。

抽油机悬点负荷主要包括抽油机重量Q₁和所提升油柱重量Q₂，以及Q₁、Q₂的惯性力，其次是种种因素(主要是摩擦力、振动等因素)产生的阻止抽油杆运动的阻力F。阻力作功总是转变为热量而流失，是不可能用机械方法转移、储存的。常规曲柄平衡和游梁平衡，能使Q₁、Q₂之位能转移储存，但不能使它们的动能转移、储存。毫无疑问，能使Q₁、Q₂之位能和动能在上、下冲程均能全部转移、储存而不致流失的平衡将是节能效果达到理想境界的最佳平衡，规定质心下置平衡就是这种最佳平衡。图26、27可资佐证：图26为同等负荷下型式试验时之曲柄扭矩曲线，图27为同等井况同等冲程下抽油作业时在最佳平衡状态下的曲柄扭矩曲线界限，图中，①-规定质心下置平衡，冲次为各设计冲次；②-常规游梁平衡，冲次接近于零；③常规游梁平衡，最高设计冲次；④-与③相应的惯性力矩。①与②相近且与冲次无关说明规定质心下置平衡完全平衡了惯性力矩，③之峰值远大于②并且③≈②+④，说明常规游梁平衡完全没有平衡惯性力矩。与常规或异相曲柄平衡方式比较，可有相仿的结果。

Claims (10)

1.一种规定质心下置平衡游梁抽油机，包括动力机；带传动装置；减速机；曲柄；连杆；横梁及横梁轴承座；整体或组合弯游梁；游梁支承；片状或轮状驴头及挂在驴头上的悬绳器；刹车装置；支架；底盘和承冲装置；也可有常规平衡装置；以及联接在弯游梁尾端的游梁下置平衡装置，其特征在于：所述游梁下置平衡装置是一种铰挂在弯游梁尾端的具有规定质心结构的下置平衡箱/块。

2.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于规定质心结构包括调变质心结构和测定质心结构：调变质心结构是一种框架结构楼式平衡箱—用三至四根等长立柱焊接上、下底板构成一个框架，该框架上/下部单独或同时联接有上/下平衡箱，构成具有两个对称面的独立整体，一个对称面与抽油机对称面重合，另一个对称面与游梁作用线垂直；测定质心结构是楼式平衡箱具有的挂轴/挂钩结构和标尺结构以及包容结构—挂轴/挂钩结构和标尺结构是：楼式平衡箱的前、后侧面上装有至少一个挂轴/挂钩，弯游梁尾端装有挂座/挂钩或挂轴，并且楼式平衡箱的左/右侧面中线处设有自游梁作用线起算的标尺(27)；包容结构是：楼式平衡箱前侧面的两根立柱在整机对称面垂直方向的间距大于弯游梁尾端的宽度，楼式平衡箱通过靠闩(24)与弯游梁尾端相靠。

3.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：规定质心结构是一种多挂轴/挂钩平衡箱：平衡箱制成独立的矩形结构，或矩形平衡箱上部联有两根立柱上加横杆延伸出一个挂背，或用四根立柱上加顶板延伸出一个框架结构，平衡箱或其延伸部分错距装有至少三个挂轴/挂钩；弯游梁尾部则装有挂座、挂钩或挂轴，平衡箱的挂轴/挂钩铰挂在弯游梁尾部的挂座、挂钩/挂轴上，并通过靠闩与弯游梁尾端相靠。

4.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：规定质心结构是一种调位块式平衡箱/块绞挂系统—联接在弯游梁尾端或与弯游梁尾端联为一体的调位块上制有多个圆孔；钩状或迷宫式U形孔、方孔或钩状方孔，或制有至少一个长槽，平衡箱/块通过与之联接的吊板/吊杆或吊钩，自由铰挂在所说孔、槽中，并且，平衡块还可制成圆形，其质心和铰挂中心重合。

5.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：规定质心结构是一种吊钩式平衡箱/块绞挂系统—弯游梁尾端或联接在弯游梁尾端的调位块上，铰接有至少三个吊钩，平衡箱/块通过吊板/吊杆，自由铰挂在所说吊钩上。

6.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：规定质心结构采用了三角桁架式弯游梁平衡箱/块铰挂系统—有两根伸缩杆，它们的上端分别铰接在游梁上，下端则相互铰接，构成一个可调变的三角桁架式弯游梁；平衡箱/块直接或通过吊/挂钩自由铰挂在三角桁架的下部铰接点处，并且，平衡块还可制成圆形，其质心和铰挂中心重合。

7.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：组合弯游梁中平衡臂(8.1)与直游梁(8.2)尾端之联接，以及平衡箱(62)与平衡臂(8.1)尾端之联接，采用相同的挂靠结构：上部铰挂，下部通过一种角度调节装置相靠，角度调节装置由安装架(60)与安放在安装架中的角度调节元件构成，调节元件可采用角度调节片，还可采用角度调节块、销轴以及千斤顶。

8.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：平衡箱/块下部还可用螺栓联接多个平衡箱/块，并且最底部平衡箱/块的顶面上设置有不小于5-10毫米的垫片(67)。

9.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：采用了塔式双层支架结构：下支架(55)与底盘联接为一个整体，上支架(14)设计成整体钢结构或装配式三角撑，用螺栓联接在下支架上。

10.根据权利要求1的规定质心下置平衡游梁抽油机，特征在于：曲柄上诸销孔的中心连线，与曲柄主轴孔之中心构成一个三角形。

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