一种电机下置无齿轮对重曳引式抽油机

1、一种电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机技术领域 本发明属于油田采油机械技术领域，涉及一种电机下置的无齿轮对重曳 引式抽油机，特别是一种适用于要求具有低冲次、长冲程的抽油机。背景技术目前，油田主要采用的抽油机是油梁式抽油机，它是由驴头、油梁、支 架、减速箱、摇臂、连杆、机座、电机、控制柜等机构组成。由于减速机的 存在使得整个抽油机的效率很低， 耗能较大， 且需要对整个减速机构定期润 滑维护，同时所占用面积较大。由于油梁式抽油机存在上述种种弊端， 曳引式抽油机越来越受到人们的 重视。曳引式抽油机分为有齿轮曳引式抽油机和无齿轮曳引式抽油机。 有齿 轮曳引式抽油机，虽然占地面积较小，节省了材料，但仍属有

2、齿轮机构，仍 存在运行效率低、 维护难度大等一系列问题， 因此目前此类技术很少被采用。 专利200510046026.0公布了一种“电子-电气-机械一体化曳引式抽油机” ，专 利 200710089285.0公布了一种“ W 型曳引抽油机”，这两种结构型式的曳引 式抽油机都是将曳引轮安装在机架上， 曳引轮上绕有钢丝绳， 钢丝绳的一端 连接到油井的抽油杆上， 另一端连接到起平衡作用的对重上。 曳引轮上的钢 丝绳既起到悬挂抽油杆和对重的悬挂绳作用， 又起到曳引抽油杆上、 下往复 运动的曳引绳作用。 曳引系统均有两个动滑轮， 分别位于抽油杆侧和对重侧。 取消了齿轮减速机构，安装在机架上的永磁同步电动

3、机直接驱动曳引轮旋 转，通过永磁同步电动机的正反转，带动抽油杆上、下往复运行，实现将地 下的石油抽到地面的目的。由于油田的油井一般都很深， 抽油杆和对重装置重达十几吨， 曳引轮需 要有巨大的承载力和巨大的曳引力， 使得曳引式抽油机的开发和设计具有很 大的难度。现有的曳引式抽油机主要存在以下问题：（1）成本高：采用低速大转矩的永磁同步电机直接驱动无齿轮曳引式抽 油机，由于所需要承载的负荷巨大，需要的曳引力巨大，因此所需永磁同步 电动机的转矩很大，而永磁同步电动机的转矩与其体积成正比，也就是说与 永磁同步电动机的成本成正比，这就造成了此种抽油机的成本太高，与传统 的游梁式抽油机相比，成本提高 50

4、%200%。（2）钢丝绳寿命短：为了减少对曳引式抽油机曳引轮转矩输出的需求， 通常选用直径较小的曳引轮和较细的钢丝绳，有时还要增加动滑轮组。这就 使得曳引钢丝绳的使用寿命同传统的游梁式抽油机相比明显缩短，同时油井 的作业变得十分不方便。（3）安全性差：目前的曳引式抽油机主驱动曳引机大多是安装在机架的 上部，机架的高度都在十几米以上，这就使得主机的安装和维护人员必须要 进行高空作业，十分不安全。由于以上问题的存在，极大地限制了曳引式抽油机的推广使用，使其优 势不能得到很好的发挥。发明内容本发明的目的是为了解决现有曳引式抽油机存在的上述三个方面问题， 提供了一种电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机，它

5、具有耗能小、结构设计 合理、占地面积小、运行效率高、制造成本低、安全可靠、安装和维护方便 等特点。本发明采用的技术方案是：将曳引式抽油机钢丝绳的悬挂功能和曳引功 能分离开。连接到抽油杆和对重的钢丝绳，为悬挂钢丝绳，只考虑其满足悬 挂功能的要求，不考虑曳引功能。机架上部的天轮为无动力机构，天轮只起 导向作用，直径可以做的很大。悬挂钢丝绳的直径取决于系统的悬挂重量和 天轮的直径，故可选择单根较粗的钢丝绳作为悬挂钢丝绳，通过天轮悬挂抽 油杆和对重，以满足悬挂载荷的要求和保证足够的安全系数。天轮选择较大 直径尺寸，可以提高悬挂钢丝绳的使用寿命。这样，安装在机架顶部的天轮 和悬挂在天轮两侧的抽油杆和对重

6、组成了一个无动力且基本平衡的悬挂系 统。在悬挂系统中不需要动滑轮组，使得油井的作业变得同传统的游梁式抽 油机一样简单方便。为了实现系统的曳引，在对重侧增加了一套独立的曳引系统。曳引钢丝 绳一端绳头固定在机架顶部，另一端绕过固定于对重上方的动滑轮，并经由 固定于机架上方的导向轮， 曳引轮和固定于对重下方的动滑轮固定在机座上。 为了保证曳引钢丝绳和曳引轮之间产生足够的曳引力，在曳引轮上加工有螺 旋状绳槽，曳引钢丝绳在螺旋状绳槽上绕若干周。为了保证曳引钢丝绳始终 具有一定的张力，在钢丝绳的两端各装有一个带有弹簧的组件。由于对重和 抽油杆的重量是基本相等的，因此曳引对重运动所需要的曳引力较小，所用 的

7、曳引钢丝绳可选用单根直径较细的钢丝绳，产生曳引力的曳引轮也可用较 小的直径（一般曳引轮的直径等于钢丝绳直径的 40 倍），所需要的曳引转矩 也同比例减少。对重上部和下部安装的动滑轮，使作用在曳引轮上的转矩减 少 1/2 。为了进一步减少对永磁同步电动机输出转矩的需求，在永磁同步电 动机轴输出端到曳引轮之间增加一级减速比为 35 的皮带减速机构，使最终 对电机轴输出转距的需求降低到直接曳引时的 1/61/10。由于永磁同步电机 的成本与其输出转距成正比，因此采用本发明使得永磁同步电机的成本大幅 度下降，从而大大降低了整个曳引式抽油机的成本。皮带减速机构的另一个 作用是增加了系统的柔性，当发生卡井

8、或越位故障时，通过皮带打滑，保护 设备不至损坏。本发明所设计的曳引式抽油机采用了悬挂系统和曳引系统相分离的结 构。采用直径较大的天轮和较粗的单根悬挂钢丝绳，提高了系统的安全性， 延长了悬挂钢丝绳的使用寿命，更加方便油井作业。采用直径较小的曳引轮 和较细的曳引钢丝绳，大大降低了对曳引转矩的要求，减小了永磁同步电动 机的体积和成本，从而降低了整个抽油机的成本。曳引系统的两个动滑轮均 固定在对重侧，这可以节省对重材料。此系统没有齿轮减速机，这使得整个 系统效率高、体积小、重量轻。曳引系统的曳引轮和驱动永磁同步电动机全 部安装于地面之上，使得系统的安装和维护更加方便。附图说明以下结合附图 1 和附图

9、2 对本发明作进一步描述。附图 1 为一种电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机结构简图。附图 2为 曳引轮通过轴与皮带轮连接部分的左视简图。图中序号说明： 1抽油杆、 2悬挂钢丝绳、 3天轮、 4上张紧弹簧、 5导 向轮、6曳引钢丝绳、7机架、8动滑轮I、9对重、10动滑轮H、11曳引轮、 12轴、 13皮带轮、 14皮带、 15永磁电机、 16机座、 1 7下张紧弹簧。具体实施方式下面结合附图 1 和附图 2 对本发明作详细描述。天轮 3安装在机架 7的顶部，抽油杆 1和对重 9通过悬挂钢丝绳 2悬挂 在天轮 3 的两侧，组成了一个无动力且基本平衡的悬挂系统。为了实现系统 的曳引，在对重 9增加

10、了一套独立的曳引系统。曳引钢丝绳 6绳头一端通过 上张紧弹簧 4固定在机架 7 的上部，另一端绕过固定于对重 9上方的动滑轮I 8,并经由固定于机架7上方的导向轮5,曳引轮11和固定于对重9下方 的动滑轮H 10通过下张紧弹簧17固定在机座16上。曳引系统的动滑轮I 8 和动滑轮H 10固定在对重9的上部和下部。为了保证曳引钢丝绳6和曳引轮II 之间产生足够的曳引力, 在曳引轮 11 上加工出螺旋状绳槽 （图中未画出）, 曳引钢丝绳 6在螺旋状绳槽上绕若干周。永磁同步电动机 15通过皮带 14驱 动皮带轮 13,皮带轮 13和曳引轮 11 同轴安装在轴 12上,实现整个系统的 曳引功能。一种电

11、机下置的无齿轮对重曳引式抽油机， 它包括抽油杆、悬挂钢丝绳、 天轮、上张紧弹簧、导向轮、曳引钢丝绳、机架、动滑轮I、对重、动滑轮 H、曳引轮、轴、皮带轮、皮带、永磁电机、机座、下张紧弹簧。其特征在 于：抽油杆和对重通过悬挂钢丝绳悬挂在天轮的两侧，组成了一个无动力且 基本平衡的悬挂系统。对重侧增加了一套独立的曳引系统。曳引系统的动滑 轮I和动滑轮H固定在对重的上部和下部。曳引轮上加工出螺旋状绳槽，曳 引钢丝绳在螺旋状绳槽上缠绕若干周。曳引轮和永磁同步电动机之间通过皮 带减速机构实现传动，将曳引轮和永磁同步电动机安装于地面，方便安装和 维护。说明书摘要一种电机下置的无齿轮对重曳引式抽油机，从根本上解决了现有曳引式 抽油机成本高，耗能大，钢丝绳寿命低，安全可靠性差等缺点。包括悬挂于 天轮两侧的抽油杆与对重，悬挂钢丝绳和曳引钢丝绳，动滑轮组，永磁同步 电动机和曳引驱动机构。其技术要点是：抽油杆和对重通过悬挂钢丝绳悬挂 在天轮的两侧组成了一个无动力且基本平衡的系统。对重侧增加了一套独立 的曳引系统，曳引系统的动滑轮I和动滑轮H均固定在对重一侧，相当于对 重，这可以减少对重所用材料。曳引轮和永磁同步电动机之间通过皮带减速 机构实现传动，将曳引轮和永磁同步电动机安装于地面， 以方便安装和维护