塔架式抽油机平衡重缓释装置

技术领域

本发明涉及塔架式抽油机技术领域，尤其涉及一种塔架式抽油机平衡重缓释装置。

背景技术

塔架式抽油机采用立式塔架结构，取消游梁式抽油机的四连杆传动结构，并通过永磁电动机等节能电动机和智能变频装置控制，实现抽油杆的上下往复运动，在节能降耗方面具有明显优势，同时具有长冲程、低冲次的特点，可减少杆、管偏磨，延长杆、管使用寿命。现有的塔架式抽油机采用天平平衡方式，通过精确调整平衡重，使平衡重质量和悬点载荷相近，有效降低抽汲过程中电动机的功率消耗，塔架式抽油机的平衡重一般安装在塔架内，但是在进行抽油作业，抽油杆发生断裂发生失载时，平衡重会在重力的作用下高速坠落，抽油杆容易甩出，其产生的能量会对塔架及塔架周边抽油设施造成不可预估的破坏。

中国专利公开号：CN108979596A公开了一种具有皮带断裂保护功能的立式抽油机，包括机架、抽油杆、配重箱、控制器，机架上安装四个导向保护机构、钢丝绳保护机构、具有两根输出轴的驱动电机，每根输出轴上设有两个皮带轮、两个皮带轮分别绕设卷绕方向相反的连接皮带，导向保护机构包括设有压力传感器的基座以及一端与基座铰接、另一端设有导向轮的安装支架，抽油杆与配重箱之间设有两根钢丝绳，钢丝绳保护机构包括行程限位开关、下底板、设有触，板和两个第二转轮的上活动板、绕设弹性件的连接件，钢丝绳由第一转轮和第二转轮支撑连接，驱动电机、压力传感器、行程限位开关与控制器相连；由此可见，上述技术方案明能够提高抽油机的安全性能，便于实时获取示功图来判断其运行状态，但存在以下问题：无法在皮带断裂时减缓配重箱的下降速度，使配重箱的自由落体运动产生的能量对塔架及塔架周围设施造成破坏。

发明内容

为此，本发明提供一种塔架式抽油机平衡重缓释装置，用以克服现有技术中由于塔架式抽油机装置中链轮两侧中一侧的载荷瞬间断连，导致链条两侧载荷失衡，导致平衡重急速下降造成设施损坏及人员伤害问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种塔架式抽油机平衡重缓释装置，包括：

承重单元，用以安放转动制动单元设备以及支撑抽油机运动，包括塔架台和通过链轮链条连接抽油杆的平衡重；

转动制动单元，其分别与检测单元以及控制单元连接，用以根据控制单元的指令执行抽油机抽油运动，或/和在不符合预设标准状态时执行缓释操作，包括电动机、安装于所述塔架台内侧的平衡重运行轨道、与所述电动机通过皮带连接的大链轮、与所述大链轮通过链条连接的小链轮、放置于所述大链轮和小链轮上且与两个链轮的齿轮契合连接的链条以及连接在链条上的悬吊器以及与悬吊器下端相连的抽油杆；

检测单元，其与所述转动制动单元相连，用以检测各链轮的转速和转向、所述平衡重的高度、所述抽油杆的震动频率以及电机产生的电信号的大小；

控制单元，其分别与所述转动制动单元和所述检测单元相连，用以控制电动机的转向和转速以使抽油机往复抽油运动，并根据电动机中电信号的情况判断工作状态和危险状态类型，在所述抽油杆不符合预设标准状态时，在第一危险状态下，根据电信号的情况调整制动电阻的大小，根据平衡重的高度调整平衡重运行轨道的坡度，以减缓平衡重的下降速度；在第二危险状态下，调整电动机的输出频率以减小电动机的转速；

其中，所述预设标准状态为判定塔架式抽油机正常工作进行周期性往复运动抽油，所述第一危险状态为电动机的电信号瞬间增大且大于预设电信号值的状态，所述第二危险状态为电动机的电信号值小于预设电信号值且抽油杆的震动频率大于预设频率的状态。

进一步地，所述控制单元在第一预设条件下控制所述检测单元检测所述电动机的电信号值E与预设电信号值E1进行比对以判定所述抽油杆的工作状态是否符合预设标准；

若E≤E1，判定所述抽油杆的工作状态符合二次判定标准，并根据抽油杆的震动频率进一步判定所述抽油杆的工作状态；

若E1＜E，判定所述抽油杆的工作状态不符合预设标准，且为第一危险状态；

其中，所述第一预设条件为所述塔架式抽油机已启动并处于工作状态，所述电动机的电信号包括电压、电流和功率，所述预设电信号值与选定的电信号对应，根据电机型号、电机转速及平衡重质量进行设定。

进一步地，所述控制单元在第二预设条件下根据检测单元采集的抽油杆的震动频率f与预设频率f1比对判定所述抽油杆的工作状态是否符合预设标准；

若f≤f1，判定所述抽油杆的工作状态符合预设标准；

若f＞f1，判定所述抽油杆的工作状态不符合预设标准，且为第二危险状态；

其中，所述第二预设条件为E≤E1且所述抽油杆的工作状态符合二次判定标准。

进一步地，在所述第二危险状态下，所述控制单元采用第一调整方式对电动机的转速进行调整，第一调整方式包括：

步骤S1，根据公式(1)调低所述电动机的输出频率以降低所述电动机的转速；

步骤S2，周期性重复所述步骤S1调低所述电动机的输出频率，直至电动机的频率小于等于第一预设频率值时，拉动制动刹车以使抽油机停止工作；

步骤S3，检查塔架及周围工作环境，确保环境安全后，更换抽油杆；

其中，第一预设频率值为电动机初始设置的频率率值的10％；F1为电动机的输出频率，F0为初始电动机频率值，f为抽油杆的震动频率，f1为抽油杆预设频率，n为针对该电动机频率的调整的次数，n为正整数。

进一步地，在所述第一危险状态下，控制单元根据检测单元采集的平衡重距离地面的高度H与预设高度的比较结果以判定参数的调整方式，所述控制单元设有第一预设高度值H1和第二预设高度值H2，其中，0＜H1＜H2，

若H＞H2，则采用第二调整方式，切断所述电动机电源并接入对应阻值的制动电阻和减小平衡重运行轨道的坡度；

若H1＜H≤H2，则采用第三调整方式，切断所述电动机电源并接入对应阻值的制动电阻和减小平衡重运行轨道的坡度；

若H≤H1，则采用第四调整方式，切断所述电动机电源并接入对应阻值的制动电阻。

进一步地，所述第二调整方式为：

所述控制单元将所述电动机电源切断同时根据公式(2)计算所需电阻值R并将所需电阻值R的制动电阻接入电动机，以消耗掉反电动势信号中的能量，将其转化为热能，电动机内部的磁场将会发生变化，使电动机产生一个新的旋转方向，从而降低与其相连的链轮的转速，减缓平衡重的下降速度，并根据公式(3)计算所述平衡重运行轨道的坡度X，以减小平衡重两侧运行轨道的坡度，其中：

其中，U为在所述第一危险状态时，所述电动机产生的电压信号值；P2为在所述第一危险状态时，所述电动机的功率信号值；K1为第一制动时间系数，0＜K1，根据塔架高度进行设定；d为所述平衡重两侧轨道的水平距离。

进一步地，所述第三调整方式为：所述控制单元将所述电动机电源切断同时根据公式(4)将所需电阻值R的制动电阻接入电动机，并根据公式(5)计算所述平衡重运行轨道的坡度X，以减小平衡重两侧运行轨道的坡度，其中：

其中，K2为第二制动时间系数，0＜K2＜K1，根据塔架高度进行设定；

所述第四调整方式为：所述控制单元将所述电动机电源切断同时根据公式(6)将所需电阻值R的制动电阻接入电动机；

其中，K3为第三制动时间系数，0＜K3＜K2＜K1，根据塔架高度进行设定。

进一步地，所述平衡重的质量W计算公式为：

其中，P

P

P

其中，P

进一步地，其特征在于，所述平衡重在所述预设标准状态时的悬挂高度范围G为：

SL×0.6≤G≤SL×0.8

其中，SL＝s1-s2-s3-s0,s1为塔架高度，s2为泵的安装深度，s3为抽油杆长度，s0为空载行程即抽油杆在泵吸入液体前的行程长度，

其中，塔架高度为塔架的总高度，空载行程为抽油杆在泵吸入液体前的行程长度。

进一步地，连接于平衡重和悬吊器之间的链条以高强度合金钢或不锈钢为原材料制成，所述制动电阻以铬铝电阻丝或铬铝合金电阻丝制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明在抽油机在工作状态时，根据检测单元检测的数据传输给控制单元，控制单元根据不同判定条件判定工作状态是否符合预设标准，并当工作状态不符合预设标准时，控制单元在第一危险状态时调整接入电动机的制动电阻值大小及平衡重运行轨道的坡度，以减缓平衡重的下降速度，控制单元在第二危险状态时，调整电动机的输出频率以减小电动机的转速，使抽油机缓慢停止工作，提高了塔架式抽油机工作环境的安全性，提高了塔架及周围设置的使用寿命，降低了操作人员出现事故的概率，保障了操作人员的安全。

进一步地，本发明根据检测单元检测的抽油杆的震动频率与预设频率比较，可通过该震动频率数据检测到抽油杆上出现的裂痕或变形问题，及时停止操作更换抽油杆，以避免抽油杆断裂造成的设备损伤和人员伤害。

进一步地，本发明的控制单元判定抽油机设备组在第一危险状态时，通过检测单元上传的平衡重的高度，制定不同的参数调整方式，切换电动机电源，调整接入电动机的制动电阻，因制动电阻的电阻值比电动机内部线圈的电阻值大得多，所以制动电阻会消耗掉电动机在所述第一危险状态时产生的电信号能量，将其转化为热能，使电动机内部的磁场发生变化，改变电动机的旋转方向，从而传递给与其相连的链轮沿平衡重运动方向反方向的作用力，以减缓平衡重的下降速度。

进一步地，本发明的控制单元判定抽油机设备组在第一危险状态时，通过检测单元上传的平衡重的高度，制定不同的平衡重运行轨道坡度调整参数以增加平衡重下降时的阻力及减缓平衡重的下降速度，避免平衡重下降过快对塔架及周围设置造成伤害。

附图说明

图1为本发明塔架式抽油机平衡重缓释装置的结构框图；

图2为本发明实施例1塔架式抽油机平衡重缓释装置的结构示意图；

图中，1，控制柜；2，平衡重；3，上层台；4，电动机；5，大链轮；6，链条；7，小链轮；8，塔架；9，悬吊器；10，抽油杆；11，皮带；12，平衡重轨道。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明塔架式抽油机平衡重缓释装置的结构框图，包括：

承重单元，用以安放转动制动单元设备以及支撑抽油机运动，包括塔架台和通过链轮链条连接抽油杆的平衡重；

转动制动单元，其分别与检测单元以及控制单元连接，用以根据控制单元的指令执行抽油机抽油运动，或/和在不符合预设标准状态时执行缓释操作，包括电动机、安装于所述塔架台内侧的平衡重运行轨道、与所述电动机通过皮带连接的大链轮、与所述大链轮通过链条连接的小链轮、放置于所述大链轮和小链轮上且与两个链轮的齿轮契合连接的链条以及连接在链条上的悬吊器以及与悬吊器下端相连的抽油杆；

检测单元，其与所述转动制动单元相连，用以检测各链轮的转速和转向、所述平衡重的高度、所述抽油杆的震动频率以及电机产生的电信号的大小；

控制单元，其分别与所述转动制动单元和所述检测单元相连，用以控制电动机的转向和转速以使抽油机往复抽油运动，并根据电动机中电信号的情况判断工作状态和危险状态类型，在所述抽油杆不符合预设标准状态时，在第一危险状态下，根据电信号的情况调整制动电阻的大小，根据平衡重的高度调整平衡重运行轨道的坡度，以减缓平衡重的下降速度；在第二危险状态下，调整电动机的输出频率以减小电动机的转速；

其中，所述预设标准状态为判定塔架式抽油机正常工作进行周期性往复运动抽油，所述第一危险状态为电动机的电信号瞬间增大且大于预设电信号值的状态，所述第二危险状态为电动机的电信号值小于预设电信号值且抽油杆的震动频率大于预设频率的状态。

本发明在抽油机在工作状态时，根据检测单元检测的数据传输给控制单元，控制单元根据不同判定条件判定工作状态是否符合预设标准，并当工作状态不符合预设标准时，控制单元在第一危险状态时调整接入电动机的制动电阻值大小及平衡重运行轨道的坡度，以减缓平衡重的下降速度，控制单元在第二危险状态时，调整电动机的输出频率以减小电动机的转速，使抽油机缓慢停止工作，提高了塔架式抽油机工作环境的安全性，提高了塔架及周围设置的使用寿命，降低了操作人员出现事故的概率，保障了操作人员的安全。

具体而言，所述控制单元在第一预设条件下控制所述检测单元检测所述电动机的电信号值E与预设电信号值E1进行比对以判定所述抽油杆的工作状态是否符合预设标准；

若E≤E1，判定所述抽油杆的工作状态符合二次判定标准，并根据抽油杆的震动频率进一步判定所述抽油杆的工作状态；

若E1＜E，判定所述抽油杆的工作状态不符合预设标准，且为第一危险状态；

其中，所述第一预设条件为所述塔架式抽油机已启动并处于工作状态，所述电动机的电信号包括电压、电流和功率，所述预设电信号值与选定的电信号对应，根据电机型号、电机转速及平衡重质量进行设定。优选的，电压电信号的变化较为规律，可优选选取电压电信号作为判定信号。

具体而言，所述控制单元在第二预设条件下根据检测单元采集的抽油杆的震动频率f与预设频率f1比对判定所述抽油杆的工作状态是否符合预设标准；

若f≤f1，判定所述抽油杆的工作状态符合预设标准；

若f＞f1，判定所述抽油杆的工作状态不符合预设标准，且为第二危险状态；

其中，所述第二预设条件为E≤E1且所述抽油杆的工作状态符合二次判定标准，所述抽油杆预设频率f1根据抽油杆的质量及冲程进行设定。

具体而言，所述抽油杆在所述第二危险状态下，所述控制单元采用第一调整方式对电动机的转速进行调整，第一调整方式包括：

步骤S1，根据公式(1)调低所述电动机的输出频率以降低所述电动机的转速；

步骤S2，周期性重复所述步骤S1调低所述电动机的输出频率，直至电动机的频率小于等于第一预设频率值时，拉动制动刹车以使抽油机停止工作；

步骤S3，检查塔架及周围工作环境，确保环境安全后，更换抽油杆；

其中，第一预设频率值为电动机初始设置的频率率值的10％，以使抽油杆在破损状态时缓慢停止做功，防止其突然停止由于惯性作用导致抽油杆断裂造成不必要的损失；F1为电动机的输出频率；F0为初始电动机频率值，根据电动机型号及负载情况进行设定；n为针对该电动机频率的调整的次数，n为正整数。

本发明根据检测单元检测的抽油杆的震动频率与预设频率比较，可通过该震动频率数据检测到抽油杆上出现的裂痕或变形问题，通过逐步减小发电机输出的频率值以减小转动速率，直至频率达到初始频率的10％，拉动制动手刹，使抽油机设备组停止工作，检查无安全隐患后更换抽油杆，以避免抽油杆在损伤情况下突然停止时受到的冲击力过大导致抽油杆断裂，造成的设备损伤和人员伤害。

具体而言，在所述第一危险状态下，控制单元根据检测单元采集的平衡重距离地面的高度H与预设高度的比较结果以判定参数的调整方式，所述控制单元设有第一预设高度值H1和第二预设高度值H2，其中，0＜H1＜H2，

若H＞H2，则采用第二调整方式，切断所述电动机电源并接入对应阻值的制动电阻和减小平衡重运行轨道的坡度；

若H1＜H≤H2，则采用第三调整方式，切断所述电动机电源并接入对应阻值的制动电阻和减小平衡重运行轨道的坡度；

若H≤H1，则采用第四调整方式，切断所述电动机电源并接入对应阻值的制动电阻。

在具体实施中，H1与H2的高度设定根据塔架高度进行设定，由于所述平衡重在不同高度自由落体对与其通过链条连接的链轮做功不同，优选的，H1设置在塔架高度的70％，H2设置在塔架高度的30％，以使所述平衡重在不同高度时，选取不同阻值的制动电阻接入电动机减缓平衡重的下降速度。

具体而言，所述第二调整方式为：

所述控制单元将所述电动机电源切断同时根据公式(2)计算所需电阻值R并将所需电阻值R的制动电阻接入电动机，以消耗掉反电动势信号中的能量，将其转化为热能，电动机内部的磁场将会发生变化，使电动机产生一个新的旋转方向，从而降低与其相连的链轮的转速，减缓平衡重的下降速度，并根据公式(3)计算所述平衡重运行轨道的坡度X，以减小平衡重两侧运行轨道的坡度，其中：

其中，U为在所述第一危险状态时，所述电动机产生的电压信号值；P为在所述第一危险状态时，所述电动机的功率信号值；K1为第一制动时间系数，0＜K1，根据塔架高度进行设定；d为所述平衡重两侧轨道的水平距离。

具体而言，所述第三调整方式为：所述控制单元将所述电动机电源切断同时根据公式(4)将所需电阻值R的制动电阻接入电动机，并根据公式(5)计算所述平衡重运行轨道的坡度X，以减小平衡重两侧运行轨道的坡度，其中：

其中，K2为第二制动时间系数，0＜K2＜K1，根据塔架高度进行设定；

所述第四调整方式为：所述控制单元将所述电动机电源切断同时根据公式(6)将所需电阻值R的制动电阻接入电动机；

其中，K3为第三制动时间系数，0＜K3＜K2＜K1，根据塔架高度进行设定，

各制动时间系数Ki的计算公式为Ki＝(T1+T2)/T1，i＝1，2，3；

其中，T1为电动机的转子惯量时间常数，单位为秒；T2为制动时间，单位为秒，根据塔架高度进行设定，若H＞H2，T2能够设定为高度H2对应的平衡重自由落体时间；

若H1＜H≤H2，若H＞H2，T2能够设定为平衡重在高度H1的自由落体时间；

若H≤H1，T2能够设定为高度H对应的平衡重自由落体时间；

上述提及的制动时间能够根据对对应高度的平衡重自由落体进行有限次试验并取均值形成高度与制动时间的趋势图中对应点的数据获得。

本发明的控制单元判定抽油机设备组在第一危险状态时，通过检测单元上传的平衡重的高度，制定不同的参数调整方式，切换电动机电源，调整接入电动机的制动电阻，因制动电阻的电阻值比电动机内部线圈的电阻值大得多，所以制动电阻会消耗掉电动机在所述第一危险状态时产生的电信号能量，将其转化为热能，使电动机内部的磁场发生变化，改变电动机的旋转方向，从而传递给与其相连的链轮沿平衡重运动方向反方向的作用力，以减缓平衡重的下降速度。

具体而言，所述平衡重的质量W计算公式为：

其中，P

P

P

其中，P

具体而言，所述平衡重在所述预设标准状态时的悬挂高度范围G为：

SL×0.6≤G≤SL×0.8

其中，SL＝s1-s2-s3-s0,s1为塔架高度，s2为泵的安装深度，s3为抽油杆长度，s0为空载行程即抽油杆在泵吸入液体前的行程长度。

其中，塔架高度为塔架的总高度，包括底座、立柱、横梁部分；空载行程为抽油杆在泵吸入液体前的行程长度，

上式中的0.6和0.8系数是根据经验以及试验推算得出的，其目的是为了保证平衡重高度能够在合适的范围内，以避免对抽油机的正常工作和工作寿命产生不利影响。

具体而言，连接于平衡重和悬吊器之间的链条以高强度合金钢或不锈钢为原材料制成，所述制动电阻以铬铝电阻丝或铬铝合金电阻丝制成。

本发明采用的链条材质强度高、耐疲劳性好、耐腐蚀性强，采用的制动电阻材质耐高温、耐磨性和耐腐蚀性强，可提高所述塔架式抽油机的使用效率，避免频繁更换器件造成的时间损失和效率下降。

实施例1：参阅图2所示，其为本实施例塔架式抽油机平衡重缓释装置的结构示意图，本实施例提供一种应用在油田开采的塔架式抽油机平衡重缓释装置，其结构部分具体由控制柜1、平衡重2、上层台3、电动机4、大链轮5、链条6、小链轮7、井架8、悬吊器9、抽油杆10、皮带11、平衡重轨道12组成；

其控制部分由控制柜1和检测单元组成。

控制柜1及直立式的塔架8安装在地面，上层台3安装在塔架8顶部，上层台3上部安装有电机4、大链轮5、小链轮7，电动机4的动力通过皮带11向大链轮5传递动力；大链轮5一侧通过链条6与平衡重2连接，另一侧绕过小链轮7连接悬吊器9，悬吊器9下方连接抽油杆10。平衡重2安装在抽油机塔架8内，塔架8内部两侧装有平衡重轨道12，平衡重2沿着导轨上下往复运动，从而通过带动链条6以及链条另一侧的悬吊器9和抽油杆10进行上下往复运动。

控制柜1通过电信号控制电动机4的正转与反转，驱动大链轮5带动链条6进行左右往复运动，链条6一侧连接平衡重2，使平衡重2沿着塔架8内部轨道上下往复运动；链条6另一侧绕过小链轮7，连接悬吊器9及下端的抽油杆10，使悬吊器9及抽油杆10进行上下往复运动。当抽油杆10发生断裂时，由于一侧的载荷瞬间消失，导致链条6两侧载荷失衡，平衡重2会在重力的作用下高速下降，进而带动大链轮5反转，电动机4将转变为发电机产生特殊的电信号，产生的特殊电信号会被控制柜1中的制动电阻消耗，进而减缓平衡重2的下降速度，避免安全事故的产生。

检测单元具体采用齿轮检测器、高度测量仪、频率传感器及电机绕组测试仪；

控制柜1根据检测单元传输的数据，判断工作状态：

当电机绕组测试仪检测到电动机4的电信号大于预设电信号值时，判定工作状态为第一危险状态，控制柜1控制电动机4切断电源，根据高度测量仪传输的此时平衡重2的高度数据，控制调整平衡重轨道坡度的同时，计算接入电动机4的制动电阻值并接入电动机回路以将突增的电信号转化为热能，使电动机4内部的磁场发生变化，改变电动机4的转动方向，从而传递给与其相连的大链轮5沿平衡重2运动方向反方向的作用力，以减缓平衡重2的下降速度；

当电机绕组测试仪检测到电动机4的电信号小于预设电信号值且振动传感器检测到抽油杆10的震动频率大于预设频率f1，控制柜1判定工作状态为第二危险状态，通过控制电动机4的输出频率，减小电动机的转速，直至输出频率减至低于或等于初始频率值的10％，拉动制动刹车，以使抽油杆10在破损状态时缓慢停止做功，防止其突然停止由于惯性作用导致抽油杆10断裂造成不必要的损失。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。