游梁式抽油机液压混合动力驱动系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种油田采油设备的节能装置，特别涉及常规游梁式抽油机的动 力单元以及该动力单元的液压系统。
【背景技术】
[0002] 目前中国有抽油机井近10万台，耗电占油田总耗电量的1/3,年耗电100X l〇\Wh 左右。而游梁式抽油机在抽油机井机械设备中占90%，居于主导地位。由于其结构上特 点，游梁式抽油机一直存在"大马拉小车"、能耗高的缺点。目前游梁式抽油机普遍采用四连 杆机构，随着负载不断变化电动机负载转矩波动大，负载率变化大，导致功率因数和效率偏 低。另外，负载通过电动机反馈回电网的电压对电网造成破坏。目前国内外减小抽油机动 力系统的负载波动常采用以下几种方法：（1)基于结构优化和复合平衡的方法：包括游梁 下偏复合平衡、杠铃复合平衡、四连杆结构优化、电动机匹配优化等方法。（2)电动机节能： 采用变频电动机、改变电动机机械特性、提高电动机负载率和功率因数等。这些方法虽然具 有一定效果，但均无法从根本上解决结构不平衡而导致的电动机负载转矩波动问题。专利 公告号CN203685785U所述的混合动力抽油机采用了一种单变量式液压栗驱动的并联式混 合动力系统，在一定程度上实现了电动机节能，但由于变量式液压栗响应速度慢的特点，节 能效果受到了一定的限制。
【发明内容】
[0003] 本实用新型提供一种游梁式抽油机液压混合动力驱动系统，以解决因电动机负载 率变化大和功率因数高而导致的高能耗问题，以及抽油机负载通过电动机向电网反馈电压 对电网造成破坏的问题，提供了一种抽油机负载较低或反向负载时的系统能量并在系统负 载较大时释放该能量以联合驱动负载的解决方案。
[0004] 本实用新型采取的技术方案是：包括机械驱动单元、液压蓄能单元、控制器，所述 机械驱动单元结构是：驱动电机输出轴与齿轮栗马达组中的I号齿轮栗马达的输入轴通过 联轴器刚性连接，其余各齿轮栗马达采用通轴连接，其共同输出轴通过超越离合器与皮带 轮连接；
[0005] 所述齿轮栗马达组共有η个不同排量的齿轮栗马达组成，η为大于2的自然数，可 得到2η_1级排量级数，不包括零排量，齿轮栗马达的排量从小到大排列为ql、q2、q3…..qn， 第η个齿轮栗马达的排量与最小排量的数学关系为：qn = ql X 2n S
[0006] 所述超越离合器采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越离合器；
[0007] 所述驱动电机为三相异步交流电动机，其功率与型号与所采用的游梁式抽油机匹 配；
[0008] 所述的液压蓄能单元由油箱、电磁换向阀组、溢流阀、蓄能器组成，其中油箱用于 向系统提供液压油液；
[0009] 所述电磁换向阀组中采用的换向阀是具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换 向阀；
[0010] 所述蓄能器的体积是10L-40L ;
[0011] 所述的控制器用于采集信号，该信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信 号，输出控制信号，该输出控制信号为电磁换向阀组的数字开关信号。
[0012] 本实用新型的优点是：
[0013] 1.本实用新型所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动系统可直接提高原驱动电 机的功率因数，降低电动机的驱动功率，节约电能。
[0014] 2.本实用新型所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动系统结构简单，维护方便， 可以在现有常规游梁式抽油机直接安装，降低成本。
[0015] 3.本实用新型所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动系统及其控制方法采用η 个（η为大于2的自然数）不同排量的齿轮栗马达可得到2η-1级（不包括零排量）排量级 数，该种控制方法较现有抽油机液压节能系统具有更快的响应速度，能高效地回收系统能 量。
【附图说明】
[0016] 图1是本实用新型所述的该液压混合动力驱动系统的液压系统图，图中是以3个 齿轮栗马达为例；
[0017] 图2是本实用新型所述的该液压混合动力驱动系统控制方法所涉及的控制策略 分析图；
[0018] 图3是本实用新型所述的该液压混合动力驱动系统安装位置图；
[0019] 图4是本实用新型所述的该液压混合动力驱动系统的机械结构图。
[0020] 图中，驱动电机1，超越离合器2, I号齿轮栗马达3, II号齿轮栗马达4, III号齿 轮栗马达5,皮带轮6,油箱7, I号换向阀8, II号换向阀9, III号换向阀10,溢流阀11，蓄 能器12,压力检测表13,控制器14,齿轮栗马达组20,电磁换向阀组30。
【具体实施方式】
[0021] 包括机械驱动单元、液压蓄能单元、控制器14 ;
[0022] 所述机械驱动单元结构是：驱动电机1输出轴与齿轮栗马达组20中的I号齿轮栗 马达3的输入轴通过联轴器刚性连接，其余各齿轮栗马达采用通轴连接，其共同输出轴通 过超越离合器2与皮带轮6连接；
[0023] 所述齿轮栗马达组共有η个不同排量的齿轮栗马达组成，η为大于2的自然数，可 得到2η_1级排量级数，不包括零排量，齿轮栗马达的排量从小到大排列为ql、q2、q3…..qn， 第η个齿轮栗马达的排量与最小排量的数学关系为：qn = ql X 2n S
[0024] 所述超越离合器2采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越离合器；
[0025] 所述驱动电机1为三相异步交流电动机，其功率与型号与所采用的游梁式抽油机 匹配；
[0026] 所述的液压蓄能单元由油箱7、电磁换向阀组30、溢流阀11、蓄能器12组成，其中 油箱7用于向系统提供液压油液；
[0027] 所述电磁换向阀组中采用的换向阀是具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换 向阀；
[0028] 所述蓄能器12的体积是10L-40L ;
[0029] 所述的控制器14用于采集信号，该信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角 信号，输出控制信号，该输出控制信号为电磁换向阀组30的数字开关信号。
[0030] 所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动系统的控制方法，包括下列步骤：
[0031] (1)信号检测：控制器采集蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号A，并存储至 内部存储单元；
[0032] (2)工况选择：根据所采集的抽油机曲柄转角信号，判断齿轮栗马达组20是工作 于栗工况还是马达工况；
[0033] (3)齿轮栗马达组20排量计算：根据液压马达转矩公式：T = Pq/2 π，其中转矩T 为负载转矩与目标转矩的差值，P为压力检测表13检测的蓄能器压力信号，即可得目标排 量 q，从 ql, q2, q3, ql+q2, ql+q3, q2+q3, ql+q2+q3，…ql+q2+q3+…qn 中选取最接近 q 的方 案并用于控制电磁换向阀组，由控制器控制电磁换向阀组30,实现对齿轮栗马达组的排量 控制。
[0034] 下边参阅图1、图3、图4,对本实用新型作进一步说明。
[0035] 所述的机械驱动单元由驱动电机1、超越离合器2、1号齿轮栗马达3、11号齿轮栗 马达4、III号齿轮栗马达5、皮带轮6组成。其中驱动电机1为三相异步交流电动机，其功 率与型号与所采用的游梁式抽油机匹配。驱动电机1输出轴与I号齿轮栗马达3的输入轴 通过联轴器刚性连接；I号、II号、III号齿轮栗马达3、4、5采用通轴连接，其共同输出轴 通过超越离合器2与皮带轮6连接。超越离合器2可采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越 离合器，其作用如下：在抽油机启动时，驱动电机1反转给蓄能器12充能，驱动电机1反转 时超越离合器2处于脱离状态；蓄能器12能量充满后，驱动电机1正转，利用蓄能器12内 存储能量驱动液压栗-马达与电动机共同提升抽油杆，此时超越离合器2处于接合状态。I 号、II号、III号齿轮栗马达3、4、5采用不同排量（排量为ql，q2, q3)，采用一端轴另一端 孔的的定量式齿轮栗马达。皮带轮6为原游梁式抽油机驱动电动机输出轴上所连接的皮带 轮，其作用为与减速器输入轴带轮相连以传递动力。
[0036] 齿轮栗马达的排量ql、q2、q3…..qn之间具有数学关系为：qn = qlX2n1。
[0037] 所述的液压蓄能单元由油箱7、I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10、溢 流阀11、蓄能器12组成。油箱7向系统提供液压油液。I号换向阀8、II号换向阀9、III 号换向阀10采用具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换向阀。针对不同规格型号的 抽油机，蓄能器12的体积选择在10L-40L之间变化。
[0038] 所述的控制器采集信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，输出控制 信号为如附图1所示的I号、II号、III号换向阀8、9、10的数字开关信号。
[0039] 下面以驱动电机以驱动负载正向运动状态下，说明I号、II号、III号换向阀8、9、 10对蓄能器12的充放能控制。
[0040] ①.控制蓄能器释放能量
[0041] (I)I号换向阀8处于左位，II号换向阀9、III号换向阀10处于中位，对应I号齿 轮栗马达3工作于马达状态，II号、III号齿轮栗马达4、5空转，蓄能器12通过齿轮栗马达 组以排量ql释放能量。
[0042] (2)11号换向阀9处于左位，I号换向阀8、III号换向阀10处于中位，对应II号 齿轮栗马达4工作于马达状态，I号、III号齿轮栗马达3、5空转，蓄能器12通过齿轮栗马 达组以排量q2释放能量。
[0043] (3)111号换向阀10处于左位，I号换向阀8、II号换向阀9处于中位，对应III号 齿轮栗马达5工作于马达状态，I号、II号齿轮栗马达3、4空转，蓄能器12通过齿轮栗马达 组以排量q3释放能量。
[0044] (4)1号换向阀8、II号换向阀9处于左位，III号换向阀10处于中位，对应I号、 II号齿轮栗马达3、4工作于马达状态，III号齿轮栗马达5空转，蓄能器12通过齿轮栗马 达组以排量ql+q2释放能量。
[0045] (5)1号换向阀8、III号换向阀10处于左位，II号换向阀9处于中位，对应I号、 III号齿轮栗马达3、5工作于马达状态，II号齿轮栗马达4空转，蓄能器12通过齿轮栗马 达组以排量ql+q3释放能量。