專利名稱：抽油機(jī)平衡配重方法和高效節(jié)能游梁式抽油機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是油田原油開采設(shè)備——游梁式抽油機(jī)，尤其涉及的是 為達(dá)到節(jié)能、高效而設(shè)置新型配重構(gòu)造的游梁式抽油機(jī)。
技術(shù)背景油田原油開采設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的是游梁式豎并抽油機(jī)，其結(jié)構(gòu) 構(gòu)造包括有底座、支架、游梁、游梁的曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驢頭及其懸 繩器。游梁式抽油機(jī)作為油田的主要開采設(shè)備，也是油田用電耗能大戶，其用電量達(dá)到油田總用電量的40%。另外，游梁式抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 平均負(fù)荷率僅為20 30%,部分電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率還會(huì)更低，存在普遍性低 效率、能源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)問題。另外，游梁式抽油機(jī)工作中，其曲柄 下降過程中由于負(fù)荷減輕，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無法被負(fù)載吸收，促 使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電工作狀態(tài)，這多余能量被反饋至電網(wǎng)，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn) 生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降、產(chǎn)生功率因數(shù)降低等危險(xiǎn)，而且頻繁 的高壓沖擊更會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)本身，所以存在生產(chǎn)效率低、維修量高、企 業(yè)成本流失較大的技術(shù)問題。目前，我國擁有近8萬臺(tái)抽油機(jī)采油井，因 而解決上述技術(shù)問題是迫在眉睫。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利申請(qǐng)的發(fā)明目的在于提供一種穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)輸出扭矩、從 而提高電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率、降低電量消耗、同時(shí)避免電動(dòng)機(jī)負(fù)功率對(duì)電動(dòng)機(jī) 本身和電網(wǎng)沖擊的抽油機(jī)平衡配重方法和高效節(jié)能游梁式抽油機(jī)。本抽油機(jī)平衡配重方法的發(fā)明專利申請(qǐng)技術(shù)方案，其主要技術(shù)內(nèi)容是本抽 油機(jī)節(jié)能運(yùn)行平衡配重方法，該方法最終以穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)扭矩為目的， 即電動(dòng)機(jī)輸入扭矩T (i nput)=抽油機(jī)負(fù)載扭矩T (d柳and)-系列平衡塊裝置提 供的扭矩T (balance)=常量G，以正玄或余玄的數(shù)學(xué)表達(dá)式，取一個(gè)固定項(xiàng)數(shù)的三角級(jí)數(shù)，得r(6tf/""ce) = 4 sin(a+ 6>力+6! cos(A + +…+a sin(or,, + <a>,,f) + cos(A + ^力 利用最小二乘法，得到余量=C + T(balance) - T(d柳and),4則最小二乘法導(dǎo)出如下的方程組況 況 況汰汰 aL a 4工—=——=——=^~=——=——=——=0,/ : /, 之…'"，其中，0)、 TF代表3C Qa;. 一 瑪 辨 一各配重塊轉(zhuǎn)速，a、 e代表各配重塊的起始分配角度。本發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)峁┑膽?yīng)用上述平衡配重方法的高效節(jié)能游梁 式抽油機(jī)技術(shù)方案，其主要技術(shù)內(nèi)容是本高效節(jié)能游梁式抽油機(jī)， 于分級(jí)減速的傳動(dòng)軸為運(yùn)轉(zhuǎn)軸設(shè)置有系列平衡塊裝置，各段運(yùn)轉(zhuǎn)軸設(shè) 置有由所述數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速、起始分配角度和配重扭矩的配 重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體，游梁臂連桿驅(qū)動(dòng)鉸接于末段配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體上構(gòu)成游梁驅(qū)動(dòng) 曲柄。本發(fā)明專利申請(qǐng)公開的抽油機(jī)平衡配重方法和高效節(jié)能游梁式抽 油機(jī)技術(shù)方案，可以依托原游梁式抽油機(jī)的減速箱輸入軸或輸出軸設(shè)置 系列平衡塊裝置，以達(dá)到穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)扭矩的作用，從而減小并穩(wěn)定 電動(dòng)機(jī)凈輸出扭矩，大幅度增加了電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率，因而可以選用額定 功率低一些的電動(dòng)機(jī)實(shí)施抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)工作，兩方面因素降低了電能浪費(fèi)； 另外，穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)扭矩的技術(shù)手段還避免了負(fù)功率造成的發(fā)電模式對(duì)電 機(jī)及電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電能，延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)使用壽命。因此本技術(shù)方 案實(shí)現(xiàn)了耗電量低的技術(shù)目的、工作穩(wěn)定、可靠。


圖1為游梁式抽油機(jī)的整體構(gòu)造示意2、圖5和圖7分別為本高效節(jié)能游梁式抽油機(jī)的系列平衡塊裝置 的三實(shí)施例原理結(jié)構(gòu)3為圖2的側(cè)視結(jié)構(gòu)4為行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造6為圖5的側(cè)視結(jié)構(gòu)8為圖7的惻視結(jié)構(gòu)9為抽油機(jī)輸出、輸入扭矩曲線圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)峁┑某槌闄C(jī)平衡配重方法，其數(shù)學(xué)模型是基干以下原理基礎(chǔ)上建立的，如圖9所示，其曲線①為現(xiàn)有的游梁式抽油 機(jī)負(fù)載扭矩曲線，通過系列平衡裝置的設(shè)置，使電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩得以穩(wěn)定， 即電動(dòng)機(jī)輸出扭矩=抽油機(jī)負(fù)載扭矩-系列配重裝置提供的扭矩=常量， 即T (i叩ut) = T (demand) - T (ba I ance) = G所述的系列平衡塊裝置以分段減速運(yùn)轉(zhuǎn)軸設(shè)置有多段相應(yīng)臂長(zhǎng)和 配重扭矩的配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體，由于上述起平衡作用的配重塊以固定的軸、 以固定的臂長(zhǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)，則以正玄或余玄表達(dá)式、取一個(gè)固定項(xiàng)數(shù)的 三角級(jí)數(shù)，則r(6"/" ce) = "t sin(e^ + o t/) +力cos(>^ + +…+ sin("" + + 6" cos(>^ + ^/) 利用最小二乘法，取余量=C + T(balance) - T(demand), i 二 f [C + r(6a/a"ee) - r(de附"m/)] t/f魏最小二乘法導(dǎo)出如下的方程組^=^_! = ! = !=^ = ! = 0， p義么，"，其中，"、1代表各配重3C 5浴i 辨塊轉(zhuǎn)速，a、 e代表各配重塊的起始分配角度。根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，配重塊和配重的階數(shù)可依據(jù)實(shí)際情況任意選擇和確定，按照所得數(shù)值解來確定每個(gè)平衡塊的轉(zhuǎn)速、初始角度和配重扭矩，而且設(shè)置的配重塊階數(shù)越高，與負(fù)載的擬合度就越好，即平衡扭矩曲線③與負(fù)載扭矩曲線①之差就越小，到電動(dòng)機(jī)輸入曲線、即圖9中的曲線②就越接近直線。系列平衡塊裝置的設(shè)置，使曲線②趨于平緩，圖中它雖然不是直線，但是已經(jīng)相當(dāng)平穩(wěn)，即系列平衡塊裝置的設(shè)置穩(wěn)定了電動(dòng)機(jī)的輸出功率，提高了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，電能的浪費(fèi)大大減少；而且該曲線無負(fù)值，即不產(chǎn)生發(fā)電過程，這樣就避免了對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)本身的沖擊，兩方面因素有效的延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)的使用壽命；另外，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率提高，使電動(dòng)機(jī)的功效大大提高，因而游梁式抽油機(jī)就可以選用額定功率值小的電動(dòng)機(jī)來完成原來大額定功率電動(dòng)機(jī)的工作任務(wù)，因此進(jìn)一歩降低電消耗量。所以，本技術(shù)方案的應(yīng)用有效的減少了電能耗用量，降低了油田成本支出。如圖2所示的本系列平衡塊裝置一實(shí)施例構(gòu)造，本 列平衡塊裝置以減速箱輸出軸11為運(yùn)轉(zhuǎn)軸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該系列平衡塊裝置由減 速箱輸出軸11為驅(qū)動(dòng)軸，其兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置包括減速箱輸出軸11在內(nèi)
的三階配重，其減速箱輸出軸11外端設(shè)有一級(jí)行星齒輪減速器20和 其一級(jí)減速軸22， 一級(jí)減速軸22外端同樣方式設(shè)有二級(jí)行星齒輪減 速器21和其二級(jí)減速軸23，各級(jí)行星齒輪減速器20、 21及其減速 軸22、 23分別轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于支撐體24上，減速箱輸出軸11的皮帶輪 對(duì)稱側(cè)、 一級(jí)減速軸22和二級(jí)減速軸23上分別設(shè)有配對(duì)的配重塊運(yùn) 轉(zhuǎn)體30、配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體32和配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體31，這些對(duì)稱設(shè)置的各配 對(duì)配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體均由上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算確定其配重塊轉(zhuǎn)速、起始分配 角度和配重扭矩。為了使上述構(gòu)造適于作為原游梁式抽油機(jī)的配套改 裝機(jī)構(gòu)，其中的配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體31可以由原曲柄銷配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體9取 代，與該配重塊或其轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置游梁連桿8。
在保留原有的曲柄銷配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體1構(gòu)造的基礎(chǔ)上，以減速箱輸 入軸15作為系列平衡塊裝置的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)軸，減速箱輸入軸15設(shè)置的 系列平衡塊裝置為對(duì)稱構(gòu)造，如圖5所示，其每一對(duì)稱側(cè)設(shè)置包括減 速箱輸入軸15在內(nèi)的兩階配重，即其減速箱輸入軸15外端設(shè)有一級(jí) 行星齒輪減速器25和其一級(jí)減速軸26，減速箱輸入軸15的皮帶輪 40對(duì)稱側(cè)和一級(jí)減速軸26上分別配對(duì)設(shè)有配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體33和配重 塊運(yùn)轉(zhuǎn)體34,并由上述數(shù)學(xué)模型來確定各配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速、起
始分配角度和配重扭矩。
在保留原有的曲柄銷配重塊構(gòu)造的基礎(chǔ)上，仍以減速箱輸入軸15 作為系列平衡塊裝置的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)軸，減速箱輸入軸15設(shè)置的系列平衡 塊裝置同樣為對(duì)稱構(gòu)造，如圖7所示，位于減速箱輸入軸15的兩對(duì)稱 鑭設(shè)有由支撐體24轉(zhuǎn)動(dòng)支撐有一段或多段配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體，在本實(shí)施例 中，電動(dòng)機(jī)輸出軸通過不同減速比的皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4K 42分別帶動(dòng)中 間段減速箱輸入軸15和該中間段減速箱輸入軸兩對(duì)稱側(cè)的減速軸16， 于中間段減速箱輸入軸15的皮帶輪40對(duì)稱側(cè)各設(shè)有一配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體 35，于兩對(duì)稱側(cè)的減速軸16上設(shè)有第二組配對(duì)配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體36。由已
述的數(shù)學(xué)模型計(jì)算并分別確定兩配對(duì)的配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速和起始 分配角度和配重扭矩。
以上各實(shí)施例結(jié)構(gòu)還可以采用非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式。
權(quán)利要求
1、一種抽抽機(jī)節(jié)能運(yùn)行平衡配重方法，該方法最終以穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)扭矩為目的，即電動(dòng)機(jī)輸入扭矩T(input)＝抽油機(jī)負(fù)載扭矩T(demand)-系列平衡塊裝置提供的扭矩T(balance)＝常量C，以正玄或余玄的數(shù)學(xué)表達(dá)式，取一個(gè)固定項(xiàng)數(shù)的三角級(jí)數(shù)，得T(balance)＝a1sin(α1+ω1t)+b1cos(β1+ψ1t)+...+ansin(αn+ωnt)+bncos(βn+ψnt)利用最小二乘法，得到余量＝C+T(balance)-T(demand)，和L＝∫[C+T(balance)-T(demand)]2dt則最小二乘法導(dǎo)出如下的方程組<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>C</mi> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>&omega;</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>b</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>&beta;</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>&psi;</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100125160002C1.tif" wi="79" he="10" top= "110" left = "29" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>i＝1，2，…，n，其中，ω、ψ代表各配重塊轉(zhuǎn)速，α、β代表各配重塊的起始分配角度。
2、 應(yīng)用權(quán)利要求1的平衡配重方法的高效節(jié)能游梁式抽油機(jī)， 其特征在于于分級(jí)減速的傳動(dòng)軸為運(yùn)轉(zhuǎn)軸設(shè)置有系列平衡塊裝置，各 段運(yùn)轉(zhuǎn)軸設(shè)置有由所述數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速、起始分配角度和配 重扭矩的配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體，游梁連桿驅(qū)動(dòng)鉸接于末段配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體上構(gòu)成 游梁驅(qū)動(dòng)曲柄。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的游梁式袖油機(jī)，其特征在干系列平衡塊裝 置是以減速箱輸出軸(11)為運(yùn)轉(zhuǎn)軸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，減速箱輸出軸兩側(cè) 對(duì)稱設(shè)置包括減速箱輸出軸在內(nèi)的多階配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體，其減速箱輸出 軸外端依次設(shè)有一級(jí)行星齒輪減速器和其一級(jí)減速軸、二級(jí)行星齒輪 減速器和其二級(jí)減速軸，依此順序設(shè)置，減速箱輸出軸的皮帶輪對(duì)稱 倒和各級(jí)減速軸上分別配對(duì)設(shè)有相應(yīng)的配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的游梁式抽油機(jī)，其特征在于以減速箱輸 入軸(15)作為系列平衡塊裝置的驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)軸，減速箱輸入軸設(shè)置的系列平衡塊裝置為對(duì)稱構(gòu)造，其每一對(duì)稱側(cè)設(shè)置包括減速箱輸入軸在 內(nèi)的多階配重運(yùn)轉(zhuǎn)體，由減速箱輸入軸依次輸出驅(qū)動(dòng)各級(jí)減速器和其 減速軸，減速箱輸入軸的皮帶輪對(duì)稱倒和以下各階減速軸上分別配對(duì) 設(shè)有配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的游梁式抽油機(jī)，其特征在于電動(dòng)機(jī)輸出 軸通過不同減速比的皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(41、 42)分別帶動(dòng)中間段的減速 箱輸入軸(15)和該中間段減速箱輸入軸兩對(duì)稱側(cè)的各減速軸，于中 闔段減速箱輸入軸的皮帶輪對(duì)稱側(cè)、各減速軸上分別設(shè)有一配重塊運(yùn) 轉(zhuǎn)體。
全文摘要
現(xiàn)有的游梁式抽油機(jī)作為油田電消耗量最大的設(shè)備存在的主要問題是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率低、電動(dòng)機(jī)負(fù)率功發(fā)電沖擊電網(wǎng)、縮短電動(dòng)機(jī)壽命等。為此，本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)平衡配重方法和高效節(jié)能游梁式抽油機(jī)，其平衡配重方法以穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)輸出扭矩為目的，減速箱的多段傳動(dòng)軸作為系列平衡塊裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)軸，各段運(yùn)轉(zhuǎn)軸設(shè)置有配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體，以正玄或余玄的數(shù)學(xué)表達(dá)式，再取一個(gè)固定項(xiàng)數(shù)的三角級(jí)數(shù)，最后得到最小二乘法導(dǎo)出的方程組，由此計(jì)算得到各配重塊運(yùn)轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速、起始分配角度和配重扭矩。本技術(shù)方案提高了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，有效的降低了電能浪費(fèi)，而且避免了負(fù)功率發(fā)電模式對(duì)電動(dòng)機(jī)及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)了耗電量低的技術(shù)目的，工作穩(wěn)定、可靠。
文檔編號(hào)E21B43/00GK101598013SQ20091001251
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者張洪延 申請(qǐng)人:張洪延