CN102418501B - 间接驱动曳引式抽油机 - Google Patents

Abstract

一种间接驱动曳引式抽油机，从根本上解决现有曳引式抽油机存在的曳引力有限，应用环境受限制等问题，包括机架、机座、悬挂装置和曳引装置，其技术要点是：在机架和机座上分别设置固定永磁同步电机的上、下电机座；曳引装置的曳引轮与永磁同步电机驱动主轴上的转子组装在一起，永磁同步电机的主轴的端部设置编码器；鼓式闸臂安装在制动轮的两侧，与永磁同步电机上部的电磁抱闸相连接；左、右曳引钢丝绳分别同向绕在同一曳引轮上，钢丝绳一端分别绕过下滑轮组，固定在机座上；另一端分别绕过固定在机架上的导向轮和两个上滑轮组，固定在机架上。其与同类产品相比，设计合理，成本低，具有运行安全可靠，曳引力大，传动效率高，适用范围广的优点。

Description

间接驱动曳引式抽油机

技术领域

本发明涉及一种曳引式抽油机，特别是一种既适用于低洼、经常积水的地段或浅海区域，也适用于风大、需要经常维护地段的间接驱动曳引式抽油机。它可替代20型或以上的大型油梁机，属于油田采油机械技术领域。

背景技术

目前，在我国油田使用的绝大部分抽油机是游梁式抽油机，其结构比较简单，耐用，维修及作业比较方便，但存在传动效率低，耗能多，耗材多，智能化程度低等缺陷。为了克服以上缺点，并响应国家节能减排的号召，人们对曳引式抽油机越来越重视，对重曳引式抽油机是应用比较多的一种。如公告号为CN100504068C的“滑轮式柔性传动抽油机”。其采用柔性材料将抽油杆与平衡箱通过滚筒连接起来，这样抽油杆及液注重量就被平衡箱平衡掉一部分，另外再通过与电机相连接的卷筒及柔性带拉动平衡箱上下移动。这样，相比游梁式抽油机，该曳引式抽油机减少了电机的功率，提升了传动效率，并且减少了材料的使用及占地面积。

针对现有曳引式抽油机存在的缺陷，本申请人所在公司（沈阳蓝光驱动技术有限公司）曾设计出一种公告号为CN101413386A的“电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机”。该机采用了对重曳引方式，通过天轮与动滑轮将抽油机钢丝绳的悬挂功能和曳引功能分离开。这样以来，悬挂钢丝绳只需满足悬挂功能，可以设计得很粗，以增加使用寿命及安全系数，曳引钢丝绳只需满足额外的曳引力，可以设计得很细，以减小曳引轮及滑轮的直径。该设计基本上解决了现有曳引式抽油机的钢丝绳寿命短以及安全性差的问题。然而，其仍然存在着不尽人意之处。

在曳引式抽油机的设计中，如何将电机的曳引力放大以拉动对重及抽油杆是一个难点。上述公告号为CN101413386A的“电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机”采用了通过一级减速器来放大电机提供的曳引力。类似的设计还体现在CN100504068C以及公告号为CN201367885Y的“长冲程曳引抽油机”上。由于减速器传输转矩不变的原理，为了增大输出曳引力，曳引轮的直径必须减小。然而，在曳引钢丝绳（或柔性带）绳径固定的情况下，缩小曳引轮的直径无疑会大大降低钢丝绳（或柔性带）的使用寿命。因此，在其应用上，减速器对电机曳引力的放大倍数有限，并且传动效率不能保证。如果需要继续增加曳引力，则必须提高驱动电机的扭矩。但是，无论是采用开关磁阻电机，还是采用永磁同步无齿轮电机，其扭矩都是与电机成本成正比的。因此，该类型抽油机在保证成本的前提下，只能提供有限的曳引力，无法替代20型或以上的大型油梁机。

在传递电机曳引力到钢丝绳的结构上，以上三种专利都公开了采用皮带轮的设计。这也是现有游梁式抽油机所广为使用的成熟技术。然而，由于曳引式抽油机上下往复运动的原理，连接曳引机与减速器的皮带也会往复运动，因此其寿命会比同方向转动的机构（如油梁机）有大幅度下降。因皮带本身带有弹力，皮带与皮带轮之间的摩擦力无法精确控制，故在电机换向的时候很容易打滑。这不仅加速了皮带的老化，而且此类“丢转”现象对电机行程的精确控制也产生了很大问题。而且，皮带打滑的现象对于抽油机的失载保护及侦测提出了很大难题，以上三种专利都没有很完善的解决失载保护问题。再者，皮带与钢丝绳结合的结构，使该抽油机整体结构复杂，占地面积大，不利于安装和维护。

还有一些抽油机在放大及传递曳引力的结构上采用了滑轮组及钢丝绳。滑轮组的优点是传动效率高，结构简单，使用及维护费用低。如公告号为CN201221340Y的“一种T型双滑轮组抽油机”及公告号为CN201599009U的“滑轮传动抽油机”。这两种方案均采用电机上置的普通曳引式抽油机结构，即依靠一组钢丝绳通过导向轮及两边的滑轮组悬挂对重与抽油杆，该组钢丝绳同时也传递电机的曳引力拉动抽油杆往复运动。对于钢丝绳的悬挂功能而言，钢丝绳越粗其使用寿命越长。然而，对于钢丝绳的曳引功能而言，滑轮直径与钢丝绳直径的比例越大其使用寿命越长。在这种设计理念下，为了保证钢丝绳的使用寿命，滑轮组必须做得很大。这对机器的安装和维护增大了难度，滑轮的成本也有大幅度上升。同时，以上结构的设计还有其他不足，例如：CN201221340Y采用两条钢丝绳一端分别连接对重（负载）及抽油杆，另一端通过滑轮组均固定于滚筒上。由于钢丝绳在滚筒上的接头处弯曲较大，在滚筒转动时钢丝绳磨损很大，其安全性也大幅下降。CN201599009U利用钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力传递曳引力，然而，根据其公开的钢丝绳绕法，其曳引钢丝绳在曳引轮上的包角不足180°，无法提供有效的摩擦力，在传递大曳引力或电机换向的时候容易产生钢丝绳打滑现象，对抽油机的冲程，冲次均有影响。并且，该设计在钢丝绳穿过动滑轮与定滑轮时产生反向弯曲，该种绕法也会降低钢丝绳的寿命，增加了维护和保养的难度。

在现有抽油机的设计中，对油井发生意外的防护结构也是设计难点之一。其原因在于现有曳引式抽油机是以对重和抽油杆的平衡作为基础的。在油井发生意外，如抽油杆断杆时，平衡条件丧失，对重会产生自由落体运动。由于曳引力提供条件有限，单凭电机产生的曳引力几乎无法抵消对重向下的冲力。因此，需要安装额外的刹车装置来提供更大的曳引力。例如CN201221340Y采用了在滚筒上连接碟式机械电控一体柔性刹车装置，CN100504068C在减速器上设置了刹车装置，CN201367885Y在平衡重箱上放置了制动安全钳。然而，以上三种专利的防护结构存在共同的缺陷，即安全防护的可靠性不能保证。因为随着抽油机机型的增大，对重的重量也会增加，一般都有数吨重。无论是安装在对重箱上、滚筒上或是减速器上的刹车，单凭其一个装置无法保证能够阻止大质量对重的自由落体运动。另外，现有的曳引式抽油机对失载时的检测也是一大难题，如CN201367885Y采用离心式限速器来检测对重坠落。当平衡重箱（即对重）运行速度超过限定速度时，离心式限速器动作，带动制动装置。然而，随着对重下落速度的增加，其动能也会增大，制动器则需要更大的能量去阻止其坠落，将导致整体失载保护的安全性降低。

现有的曳引式抽油机在驱动电机位置的设计上往往有很多限制，因为电机的位置需要受限于放大及传递曳引力的结构及钢丝绳（或柔性带）的连接结构，其可以说是整个抽油机最为重要的部分。油田的野外环境意味着抽油机在各种工况环境下都需要有很好的适应能力。然而，由于驱动电机本身对环境的适应能力较差，对电机位置的限制也将意味着曳引式抽油机对其应用环境的限制。例如CN100504068C采用了电机上置的设计，由于整机重心偏上，在风沙大的地区安装有一定危险性，而且增大了维护保养的难度。CN101413386A采用了电机下置的设计，由于电机离地面很近，所以在经常积雨的低洼地段或浅海区域无法安装。

发明内容

本发明的目的是提供一种间接驱动曳引式抽油机，从根本上解决现有曳引式抽油机存在的曳引力有限，皮带寿命短，失载保护不足，应用环境受限制等问题，其与同类产品相比，设计合理，受力分布均衡，结构紧凑，体积小、重量轻，成本低，具有运行安全可靠，曳引力大，传动效率高，整机安装和维护方便，适用范围广的优点。

    本发明所采用的技术方案是：该间接驱动曳引式抽油机包括固定有机架的机座、设置在机架上的悬挂装置的将抽油杆和对重分别悬挂在上悬挂轮两侧的悬挂钢丝绳、曳引装置的固定在电机座上的驱动曳引轮的永磁同步电机、绕过曳引轮的两端通过滑轮组分别与对重连接的曳引钢丝绳，其技术要点是：在所述机架和机座上分别设置固定永磁同步电机的上、下电机座；曳引装置的曳引轮与永磁同步电机驱动主轴上的转子组装在一起，永磁同步电机的主轴的端部设置编码器；鼓式闸臂安装在制动轮的两侧，与永磁同步电机上部的电磁抱闸相连接；左、右曳引钢丝绳分别同向绕在同一曳引轮上，左、右曳引钢丝绳的一端分别绕过由固定在机座上的下定滑轮、固定在对重下部的下动滑轮构成的下滑轮组，利用下绳头组合固定在机座上；左、右曳引钢丝绳的另一端分别绕过固定在机架上的导向轮，由固定在机架上的上左、右定滑轮、固定在对重上部的上左、右动滑轮构成的两个上滑轮组，利用上绳头组合固定在机架上，所述上、下滑轮组中滑轮的槽数与曳引钢丝绳缠绕的圈数相配合。

固定在所述机座上的缓冲器支座设置下缓冲器，对重上部设置上缓冲器。

所述机架上方的导向轮与永磁同步电机上的曳引轮采用同规格的滑轮，其滑轮槽型及槽间距均相同。

本发明具有的优点及积极效果是：本发明采用了技术成熟的公告号为CN101413386A的“电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机”中的的悬挂装置，通过上悬挂轮将抽油机钢丝绳的悬挂功能和曳引功能分离开。这样悬挂钢丝绳只需满足悬挂功能，可以设计得很粗，以增加使用寿命及安全系数，曳引钢丝绳只需满足额外的曳引力，可以设计得很细，以减小曳引轮及滑轮的直径。由于左、右曳引钢丝绳分别同向绕在同一曳引轮上，左、右曳引钢丝绳的一端分别绕过由固定在机座上的下定滑轮、固定在对重下部的下动滑轮构成的下滑轮组，利用下绳头组合固定在机座上，左、右曳引钢丝绳的另一端分别绕过固定在机架上的导向轮，由固定在机架上的上左、右定滑轮、固定在对重上部的上左、右动滑轮构成的两个上滑轮组，利用上绳头组合固定在机架上，所以其与同类产品相比，设计合理，受力分布均衡，也增加了安全性。上、下滑轮组中滑轮的槽数与曳引钢丝绳缠绕的圈数相配合，根据曳引钢丝绳对上、下滑轮组中滑轮缠绕圈数的不同，可以按需要放大曳引钢丝绳对对重的拉力。通过上、下滑轮组对曳引力放大的比例及传输的效率远比减速器高，维护及安装也更方便。由于提供曳引力的永磁同步电机的成本与其输出扭矩成正比，因此使得永磁同步电机的成本大幅度下降，从而大大降低了整体曳引式抽油机的成本。更重要的是，由于采用了对重曳引的原理，曳引钢丝绳只需要拉动对重与油杆的重量差，配合钢丝绳的反复缠绕，每根钢丝绳所需要的载荷被大大降低了。在保证钢丝绳寿命的前提下，钢丝绳与滑轮组的直径都可以减小，即降低了机器的成本，又减少了安装及维护的难度。 

本发明利用同一根曳引钢丝绳同时缠绕上、下滑轮组，通过绳头组合连接到机座及机架上，因此在钢丝绳接头的安全性上有了大幅度提高。同时，本发明在钢丝绳反复缠绕上下滑轮组时始终采用同向绕法，避免了钢丝绳的反向弯曲，对其使用寿命也有很大的提高。

本发明曳引装置的曳引轮与永磁同步电机驱动主轴上的转子组装在一起，曳引钢丝绳在曳引轮及下定滑轮上缠绕数周以增大其与曳引轮的接触面积。连接曳引钢丝绳的上下绳头组合可以为钢丝绳提供足够的预紧力使其紧紧的贴在曳引轮上，因此在电机运行或换向时不会出现皮带轮特有的“打滑”现象，减少了钢丝绳的磨损，同时整个曳引力传动机构也变得简单，为安装和维护提供了方便。

在油井发生意外，如抽油杆断杆时，悬挂平衡状态丧失。对重会产生自由落体现象。由于永磁同步电机安装了编码器，其控制***会在失载的一瞬间精确的侦测到对重的自由落体动作，在对重的相对速度还很低的情况下采取抱闸动作。开启抱闸时，由于安装的鼓式闸臂起到了杠杆的作用，可以对制动轮产生很大的摩擦阻力。由于本发明采用了曳引钢丝绳连接上滑轮组，其拉力可以被滑轮组二次放大，足以减少甚至抵消对重向下的冲力。由于本发明设计了两根曳引钢丝绳同时连接上、下滑轮组，同时缠绕在曳引轮上。假如在失载时其中一根钢丝绳断裂，电机抱闸产生的曳引力会全部作用在另外一根钢丝绳上，其提供的拉力等同于两根钢丝绳，同样可以起到保护作用。本发明在对重上部及机座的下连接处设有聚氨酯缓冲器。若制动装置失灵，对重下坠会先接触下缓冲器，利用聚氨酯的形变吸收对重的动能，避免对抽油机机架结构造成伤害。上、下缓冲器还可以防止对重上下运行过多，即保护抽油机机架结构，也可以保护地下抽油泵防止冲泵损坏。由于聚氨酯有耐寒，耐热，不宜变形，不会生锈等特点，该防撞装置的可靠性也大大增加。以上三重保护机制使得本发明在失载保护结构的安全性及可靠性上有了大大的提高。

本发明在机架和机座上分别设置固定永磁同步电机的上、下电机座，将两部导向轮及曳引轮设计成同一规格的滑轮，其滑轮槽型及槽间距均相同。由于上、下滑轮组为对称结构，并且永磁同步电机可以直接与曳引轮相连，因此只需要改变钢丝绳绕法，曳引轮与导向轮的功能便可以互换位置，电机可以根据需要安装在机架上方（如在低洼，经常积水的地段或浅海）或下方（如风大，需要经常维护的地段）。与现有的抽油机产品相比，本发明增大了该类型抽油机应用环境的范围。

附图说明                                    

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1为本发明的一种电机下置的结构示意图；

图2为图1沿A－A线的剖视图；

图3为图1中曳引轮与下定滑轮的连接结构俯视图；

图4为图1中曳引机构的一种结构示意图；

图5为图4沿B－B线的剖视图；

图6为本发明的一种电机上置的结构示意图。

图中序号说明： 1上悬挂轮、2悬挂钢丝绳、3抽油杆、4机座、5缓冲器支座、6下定滑轮、7下缓冲器、8下动滑轮、9上右动滑轮、10上左动滑轮、11上右定滑轮、12上左定滑轮、13上绳头组合、14悬挂钢丝绳接头、15导向轮、16上缓冲器、17对重导轨、18对重、19机架、20下绳头组合、21右曳引钢丝绳、22左曳引钢丝绳、23曳引轮、24鼓式闸臂、25永磁同步电机、26制动轮、27电磁抱闸、28编码器、29电机主轴、30螺栓、31上电机座、32下电机座。

具体实施方式                                             

根据图1～5详细说明本发明的具体结构。该间接驱动曳引式抽油机包括机架19、机座4、设置在机架19上的悬挂装置、曳引装置等件。其中悬挂装置无曳引动力，且基本上只起平衡承载力作用。它包括设置在机架19顶部的上悬挂轮1，上悬挂轮1通过悬挂钢丝绳2将抽油杆3和对重18分别悬挂在上悬挂轮1两侧，随着抽油杆3上下运动抽油，对重18沿着导轨17在机架19内部上下运动。设置在机架19上部的上悬挂轮1为无动力机构，只起悬挂及导向作用，故其直径可以做的很大。悬挂钢丝绳2的直径取决于悬挂装置的悬挂重量和上悬挂轮1的直径，故可选择单根较粗的钢丝绳作为悬挂钢丝绳2以增加其使用寿命。曳引装置主要包括曳引轮23，固定在机架19上方的导向轮15及固定在机架19，机座4和对重18上的滑轮组。上左定滑轮12，上右定滑轮11固定在机架19的上方，上左动滑轮10，上右动滑轮9固定在对重18的上方，以上两组定滑轮和动滑轮分别组成了两组上滑轮组，定滑轮在上，动滑轮在下，为对重18提供向上的拉力。下动滑轮8固定在对重18的下部，下定滑轮6固定在机座4上，它们组成动滑轮在上，定滑轮在下的下滑轮组，为对重18提供向下的拉力，以上三组滑轮组组成该抽油机的上、下滑轮组。

左、右曳引钢丝绳22、21分别同向绕在同一曳引轮23上。左、右曳引钢丝绳22、21的一端同时绕过由固定在机座4上的下定滑轮6、固定在对重18下部的下动滑轮8构成的下滑轮组，利用下绳头组合20固定在机座4上。左、右曳引钢丝绳22、21的另一端分别绕过固定在机架19上的导向轮15，由固定在机架4上的上左、右定滑轮12、11、固定在对重18上部的上左、右动滑轮10、9构成的两个上滑轮组，利用上绳头组合13固定在机架19上，上述上、下滑轮组中滑轮的槽数与曳引钢丝绳22、21缠绕的圈数相配合。根据缠绕圈数的不同，可以按需要放大曳引钢丝绳22、21对对重18的拉力。曳引钢丝绳22、21绕过上下滑轮组时始终向同一方向弯曲，避免反向弯曲钢丝绳。

曳引装置的曳引轮23与永磁同步电机25的驱动主轴29上的转子组装在一起。为了提供足够的曳引力，左、右曳引钢丝绳22、21在缠绕上下滑轮组之前，先在曳引轮23及下定滑轮6上缠绕数周以增大其与曳引轮23的接触面积。

在永磁同步电机25的主轴29的端部设置了编码器28，在主轴29上安装了制动轮26。制动轮26与曳引轮23在主轴29上的相对位置通过螺栓30固定。鼓式闸臂24安装在制动轮26的两侧，与永磁同步电机25上部的电磁抱闸27相连接。在油井发生意外情况时，如抽油杆3断杆，悬挂平衡条件丧失，对重18会产生自由落体现象。在失载的瞬间，编码器28侦测到对重的自由落体动作，通过电磁抱闸27操作永磁同步电机25上的鼓式闸臂24闭合。该闭合动作通过鼓式闸臂24将制动轮26紧紧的抱住，两者所产生的摩擦力通过曳引轮23传递到左右两根曳引钢丝绳22、21上，再通过上左、右定滑轮12、11，上左、右动滑轮10、9将钢丝绳上的拉力放大，最终作用到对重18上，使其足以减少甚至抵消对重18向下的冲力。

固定在机座4上的缓冲器支座5设置下缓冲器7，对重18上部设置上缓冲器16。其中上下缓冲器16、7为聚氨酯材料制成的圆柱体，有弹性。若制动装置失灵，对重18下坠会先接触下缓冲器7，其聚氨酯材料的形变会吸收对重18下坠时大部分的动能，起到缓冲作用，以减少对重18的冲击对抽油机结构造成伤害。另外，上、下缓冲器16、7在抽油机正常运行时可以对对重18的行程进行限制，防止因控制***失灵而造成的对重18上，下方向运行过多。

将机架19上方的导向轮15与永磁同步电机25上的曳引轮23设计为同规格的滑轮，其滑轮槽型及槽间距均相同，导向轮中间预留上电机座31。若需要电机上置，则将永磁同步电机25与曳引轮23分离，从下电机座32上拆下，安装到上电机座31上，连接导向轮15。此时左右曳引钢丝绳21，22绕法稍有不同，即将导向轮15作为曳引轮23提供曳引力，将曳引轮23作为导向轮15连接下定滑轮6及下动滑轮8。

Claims (1)

1.一种间接驱动曳引式抽油机，包括固定有机架的机座、设置在机架上的悬挂装置的将抽油杆和对重分别悬挂在上悬挂轮两侧的悬挂钢丝绳、曳引装置的固定在电机座上的驱动曳引轮的永磁同步电机、绕过曳引轮的两端通过滑轮组分别与对重连接的曳引钢丝绳，曳引装置的曳引轮与永磁同步电机驱动主轴上的转子组装在一起，永磁同步电机的主轴的端部设置编码器，上、下滑轮组的槽数与曳引钢丝绳缠绕的圈数相配合，其特征在于：在所述机架和机座上分别设置固定永磁同步电机的上、下电机座；鼓式闸臂安装在制动轮的两侧，与永磁同步电机上部的电磁抱闸相连接；左、右曳引钢丝绳分别同向绕在同一曳引轮上，左、右曳引钢丝绳的一端分别绕过由固定在机座上的下定滑轮、固定在对重下部的下动滑轮构成的下滑轮组，利用下绳头组合固定在机座上；左、右曳引钢丝绳的另一端分别绕过固定在机架上的导向轮，由固定在机架上的上左、右定滑轮、固定在对重上部的上左、右动滑轮构成的两个上滑轮组，利用上绳头组合固定在机架上；固定在所述机座上的缓冲器支座设置下缓冲器，对重上部设置上缓冲器；机架上方的导向轮与永磁同步电机上的曳引轮采用同规格的滑轮，其滑轮槽型及槽间距均相同。