一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置及方法与流程

本发明涉及一种抽油机调平衡装置及方法，特别涉及一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置及方法。

背景技术：

游梁式抽油机是油田生产的主要设备，其平衡运行是抽油机安全和节能的基础。抽油机在不平衡状态运行时，易造成减速器损坏、诚短皮带使用寿命、抽油杆断裂和电能浪费，给抽油机井的安全造成了潜在的威胁。

抽油机的平衡调节频繁而必要，经过多年研究的游梁式抽油机平衡调整，现在已取得了一定成绩，出现了直线式调平衡：（1）在曲柄上安装辅助平衡重，利用电机驱动蜗杆和斜齿条移动平衡重，参照附图1，包括机架a1、导电滑环a2、传动机构a3、辅助平衡块a4、曲柄平衡块a5、曲柄a6、曲柄轴a7。其存在的问题是装置复杂，故障率高，容易失灵，同时成本较高；（2）在游梁上方安装移动平衡重，通过控制系统移动钢丝绳拉动平衡重调整位置。由于平衡由电机驱动钢丝绳调节，钢丝绳、丝杆等在实际操作中，容易受潮腐蚀，产生自适应平衡装置损伤失灵。

旋转式调平衡：在游梁尾轴加装配重，通过液压调节配重与游梁角度增减力矩实现调节，装置摆杆与平衡重完全由推杆链接，游梁尾部支架支撑，实际长期使用，对支架具有一定磨损，容易造成支架坍塌，平衡重坠落，具有一定安全隐患。

由于游梁式抽油机是重型机械设备，自动平衡装置需要高驱动力的同时本身要承受吨级重量，需要牢固、高强度。上述调节平衡的方式上主要有直线式和旋转式，其原理均为复杂的机械外力驱动。在苛刻的使用环境中，往往出现机械驱动零部件磨损、老化，造成功能失效，设备故障，使用寿命及安全可靠性差；同时机械部件多，用料成本高昂。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置及方法，简化了装置的构造，实现提高寿命及可靠性的同时降低成本投入，且本发明从调控原理入手，创新使用重力驱动代替机械驱动，改变驱动方式，实现自动调节平衡装置简单、安全、可靠。

本发明提到的一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置，其技术方案是：包括固定底座（a1），储砂箱（a2），铁砂（a3），联通管（a4），电控阀（a5），位置传感器（17），太阳能蓄电模块（18）和控制模块（19）组成，曲柄（10）两侧使用平衡块固定螺丝各两个固定底座（a1），保持一定距离；通过固定螺丝依次将储砂箱（a2）对称安装于曲柄（10）同侧，由一根联通管（a4）及中间电控阀（a5）连接的两个储砂箱（a2）为一组，曲柄（10）的每一侧安装多组；装于储砂箱（a2）表面的太阳能蓄电模块（18）给控制模块（19）及电控阀（a5）提供电源，控制模块（19）通过抽油机电机提供的调平衡数据和装于曲柄（10）末端的位置传感器（17）确定曲柄（10）的圆周运动位置，在曲柄（10）的直立点的前后15°的区间控制电控阀（a5）的开闭时间，重力驱动铁砂（a3）流动，改变各组储砂箱（a2）的铁砂的储放位置，实现平衡自动调节。

优选的，上述的电控阀（a5）包括阀体（a5.1）、中间挡板（a5.2）、阀芯（a5.3）、阀杆（a5.4）、控制阀（a5.5）、缓冲挡板（a5.6），阀体（a5.1）的一侧设有进口，另一侧设有出口，在阀体（a5.1）的中间设有阀芯（a5.3），阀芯（a5.3）的中间设有阀杆（a5.4）和控制阀（a5.5），阀杆（a5.4）处设有中间挡板（a5.2），在阀芯（a5.3）的两侧分别设有缓冲挡板（a5.6）。

优选的，上述的缓冲挡板（a5.6）倾斜固定在阀芯（a5.3）的底座上。

优选的，上述的控制模块（19）通过无线模块进行通信，通过采集模块采集电动机的电流数据，计算电路功率波动率和平衡度，将处理后的数据通过无线模块发送到cpu控制模块；cpu控制模块根据三轴加速度传感器（17）的位置感应，向电控阀（a5）发送开关指令，通过重力驱动实时调节储砂箱（a2）的重量；当计算的功率波动和平衡度保持稳定时，cpu控制模块发送指令关闭电控阀，平衡过程完成。

优选的，上述的曲柄（10）以减速箱输出端为端点做圆周运动，当收到调节指令需将平衡重心向轴心调节时，计算一组或多组内侧储砂箱（a2）转移至外侧储砂箱（a2）；此时通过三轴加速度传感器（17）掌握每个旋转周期曲柄（10）的运行位置，在6点方位前后15°位置控制电控阀（a5）启停，运用重力驱动，将内侧储砂箱内的铁砂通过联通管（a4）进入另一侧储砂箱（a2）。

优选的，在常规非不需要调整平衡的状态时，阀芯（a5.3）处于关闭状态，中间挡板（a5.2）位于两个阀杆的中间；

当收到调节指令后，阀芯（a5.3）控制中间挡板（a5.2）倾向左侧并与左侧缓冲挡板（a5.6）顶住支撑，铁砂向右侧流动；当接到关闭指令时，阀芯（a5.3）控制阀杆（a5.4）复位，带动中间挡板（a5.2）向中间移动，从而挡住联通管的过砂通道。

优选的，上述的曲柄（10）的上下设有多组相互独立的储砂箱，每组内的两个储砂箱容积大小相同，各个组间的储砂箱容积各不相同，实现平衡调节多阶梯化；通过自动调节使铁砂全部存储在单侧储砂箱中，始终保持一个满箱，一个空箱，避免在曲柄转动过程中铁砂在容器中的移动造成冲击振动。

本发明提到的一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：

一、电路数据采集及目前平衡度计算：

通过安装在抽油机电路控制装置（16）的采集指导模块（20）实现抽油井电路参数采集，主要采集电压、电流、功率三项参数；

通过需求选择平衡度算法：

电流法平衡率计算公式：b=i（下最大）/i（上最大）×100%

功率法平衡率计算公式：b=p（下最大）/p（上最大）×100%

通过无线模块通信传送到抽油机曲柄位置上的cpu控制系统；

二、平衡度调整量计算及砂箱调整策略分析：

首先根据以上数据采集及计算，逐一移动各个储砂箱的铁砂，并制定区间调节砂箱分布方案；

三、砂箱自动调整控制实现：

通过控制模块控制实现，该控制模块安装在曲柄上空隙部位，由太阳能电池管理系统（18）提供电压给cpu控制系统，其中cpu控制系统具有三方面功能：一是接收无线调节指令，及曲柄位置等信息；二是发送电控阀的开关控制指令；三是各储砂箱箱体内容积计算存储；首先cpu控制系统经过无线接收模块得到采集指导模块给予的调整信息，通过三轴位置传感器（17）确定出运动的曲柄所在具体位置，在运行轨迹的一定范围内开关电控阀门实现铁砂的运移；

四、调整后平衡检验及策略修正：

当完成平衡自动调节后，每间隔4小时采集计算调整后平衡率，连续测量6个点，采集调整后电路参数，并计算平衡率是否在优化的90%-110%之间，若符合，则停止发送调节指令，进入周期运行模式，每周采集判断平衡率区间变化；

若不符合，则根据容积计算判断是否存在调节空间，若有调整空间则进行下一步调节，若无调节空间则发送调节需求指令至采集指导模块，进行数据反馈，加装或减少储砂箱进行下步调节。

本发明的有益效果是：本发明通过改变平衡重的位置来改变力矩，曲柄上下设有多组储砂箱相互独立，每组内的两个储砂箱容积大小相同，各个组间的储砂箱容积各不相同，实现平衡调节多阶梯化；通过装有电控阀的联通管连接，每组所加铁砂量为单砂箱容积量，通过自动调节使铁砂全部存储在单侧储砂箱中，始终保持一个满箱，一个空箱，避免在曲柄转动过程中铁砂在容器中的移动造成冲击振动；该发明设计新颖，工作可靠，利用它可以在极少配件结构的情况下调节抽油机平衡度，简单，可靠，安全的实现平衡自调节，达到降低能耗的目的；

另外，本发明可以实现油井游梁式抽油机调平衡作业自动化、实时化，大大减轻工人劳动强度，提高工作效率；经过理论分析和现场试验证明，本发明可以提高平衡度，降低峰值扭矩、电流以及减少无功损耗、提高功率因数的目的，实现能耗最低要求。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是电控阀的关闭时的结构示意图；

附图3是电控阀的开启时的结构示意图；

附图4是本发明的控制模块的原理框图；

附图5是本发明应用于抽油机的整体示意图；

附图6是实施例2的结构示意图；

附图7是cpu控制模块的示意图；

附图8是三轴位置传感器的电路图；

附图9是太阳能蓄电模块的电路图；

上图中：悬绳器（1）、驴头（2）、游梁（3）、横梁（4）、横梁轴（5）、连杆（6）、支架轴（7）、支架（8）、自动调平衡装置（9）、曲柄（10）、曲柄销轴承（11）、减速箱（12）、减速箱皮带轮（13）、电动机（14）、刹车装置（15）、电路控制装置（16）、三轴位置传感器（17）、太阳能电池管理系统（18）、控制模块19、采集指导模块（20）；

阀体（a5.1）、中间挡板（a5.2）、阀芯（a5.3）、阀杆（a5.4）、控制阀（a5.5）、缓冲挡板（a5.6）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1，本发明提到的一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置，其技术方案是：包括固定底座（a1），储砂箱（a2），铁砂（a3），联通管（a4），电控阀（a5），位置传感器（17），太阳能蓄电模块（18）和控制模块（19）组成，曲柄（10）两侧使用平衡块固定螺丝各两个固定底座（a1），保持一定距离；通过固定螺丝依次将储砂箱（a2）对称安装于曲柄（10）同侧，由一根联通管（a4）及中间电控阀（a5）连接的两个储砂箱（a2）为一组，曲柄（10）的每一侧安装多组；装于储砂箱（a2）表面的太阳能蓄电模块（18）给控制模块（19）及电控阀（a5）提供电源，控制模块（19）通过抽油机电机提供的调平衡数据和装于曲柄（10）末端的位置传感器（17）确定曲柄（10）的圆周运动位置，在曲柄（10）的直立点的前后15°的区间控制电控阀（a5）的开闭时间，重力驱动铁砂（a3）流动，改变各组储砂箱（a2）的铁砂的储放位置，实现平衡自动调节。

参照附图2和3，本发明的电控阀（a5）包括阀体（a5.1）、中间挡板（a5.2）、阀芯（a5.3）、阀杆（a5.4）、控制阀（a5.5）、缓冲挡板（a5.6），阀体（a5.1）的一侧设有进口，另一侧设有出口，在阀体（a5.1）的中间设有阀芯（a5.3），阀芯（a5.3）的中间设有阀杆（a5.4）和控制阀（a5.5），阀杆（a5.4）处设有中间挡板（a5.2），在阀芯（a5.3）的两侧分别设有缓冲挡板（a5.6）。

其中，缓冲挡板（a5.6）倾斜固定在阀芯（a5.3）的底座上。

参照附图4本发明的控制模块（19）通过无线模块进行通信，通过采集模块采集电动机的电流数据，计算电路功率波动率和平衡度，将处理后的数据通过无线模块发送到cpu控制模块；cpu控制模块根据三轴加速度传感器（17）的位置感应，向电控阀（a5）发送开关指令，通过重力驱动实时调节储砂箱（a2）的重量；当计算的功率波动和平衡度保持稳定时，cpu控制模块发送指令关闭电控阀，平衡过程完成。

优选的，上述的曲柄（10）以减速箱输出端为端点做圆周运动，当收到调节指令需将平衡重心向轴心调节时，计算一组或多组内侧储砂箱（a2）转移至外侧储砂箱（a2）；此时通过三轴加速度传感器（17）掌握每个旋转周期曲柄（10）的运行位置，在6点方位前后15°位置控制电控阀（a5）启停，运用重力驱动，将内侧储砂箱内的铁砂通过联通管（a4）进入另一侧储砂箱（a2）。

优选的，在常规非不需要调整平衡的状态时，阀芯（a5.3）处于关闭状态，中间挡板（a5.2）位于两个阀杆的中间；

当收到调节指令后，阀芯（a5.3）控制中间挡板（a5.2）倾向左侧并与左侧缓冲挡板（a5.6）顶住支撑，铁砂向右侧流动；当接到关闭指令时，阀芯（a5.3）控制阀杆（a5.4）复位，带动中间挡板（a5.2）向中间移动，从而挡住联通管的过砂通道。

优选的，上述的曲柄（10）的上下设有多组相互独立的储砂箱，每组内的两个储砂箱容积大小相同，各个组间的储砂箱容积各不相同，实现平衡调节多阶梯化；通过自动调节使铁砂全部存储在单侧储砂箱中，始终保持一个满箱，一个空箱，避免在曲柄转动过程中铁砂在容器中的移动造成冲击振动。

另外，参照附图5，本发明的无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置应用于游梁式抽油机，包括悬绳器（1）、驴头（2）、游梁（3）、横梁（4）、横梁轴（5）、连杆（6）、支架轴（7）、支架（8）、自动调平衡装置（9）、曲柄（10）、曲柄销轴承（11）、减速箱（12）、减速箱皮带轮（13）、电动机（14）、刹车装置（15）、电路控制装置（16）、三轴位置传感器（17）、太阳能电池管理系统（18）、控制模块（19）、采集指导模块（20），本发明的自动调平衡装置（9）安装在游梁式抽油机上，与曲柄连接好。

本发明提到的一种无驱动游梁式抽油机自动调节平衡装置的使用方法，其技术方案是包括以下过程：

一、电路数据采集及目前平衡度计算：

通过安装在抽油机电路控制装置（16）的采集指导模块（20）实现抽油井电路参数采集，主要采集电压、电流、功率三项参数；

通过需求选择平衡度算法：

电流法平衡率计算公式：b=i（下最大）/i（上最大）×100%

功率法平衡率计算公式：b=p（下最大）/p（上最大）×100%

通过无线模块通信传送到抽油机曲柄位置上的cpu控制系统；

二、平衡度调整量计算及砂箱调整策略分析：

首先根据以上数据采集及计算，逐一移动各个储砂箱的铁砂，并制定区间调节砂箱分布方案；

三、砂箱自动调整控制实现：

通过控制模块控制实现，该控制模块安装在曲柄上空隙部位，由太阳能电池管理系统（18）提供电压给cpu控制系统，其中cpu控制系统具有三方面功能：一是接收无线调节指令，及曲柄位置等信息；二是发送电控阀的开关控制指令；三是各储砂箱箱体内容积计算存储；首先cpu控制系统经过无线接收模块得到采集指导模块给予的调整信息，通过三轴位置传感器（17）确定出运动的曲柄所在具体位置，在运行轨迹的一定范围内开关电控阀门实现铁砂的运移；

四、调整后平衡检验及策略修正：

当完成平衡自动调节后，每间隔4小时采集计算调整后平衡率，连续测量6个点，采集调整后电路参数，并计算平衡率是否在优化的90%-110%之间，若符合，则停止发送调节指令，进入周期运行模式，每周采集判断平衡率区间变化；

若不符合，则根据容积计算判断是否存在调节空间，若有调整空间则进行下一步调节，若无调节空间则发送调节需求指令至采集指导模块，进行数据反馈，加装或减少储砂箱进行下步调节。

需要说明的是，步骤二中的平衡度调整量计算及砂箱调整策略分析：

拟定经过自动学习，根据平衡率b值波动给出调整方案如下，见下表：

实施例2，本发明以具体采用六组储砂箱为例：参照附图6

在平衡率在欠平衡的不平衡范围内时，初步选择实施例1中的调整方案表格里的f策略，将铁砂丸从第六储砂箱移动至第三储砂箱。默认优先大容积的储砂箱的铁砂移动，后小容积储砂箱的铁砂移动。经控制调整模块存储判断目前铁砂所在位置，对不在所需位置的储砂箱启动移动指令。

假设以上三个储砂箱位置均需调整。默认优先调整第六储砂箱至第三储砂箱，此时通过感应装置掌握完整旋转周期内曲柄所在位置，根据抽油机曲柄实际选装方向，假设曲柄逆时针旋转时，曲柄刚进入2点方位，即与垂直方向呈60°时，cpu控制模块给出指令打开电控阀③，在旋转至10点方位时，给出电控阀③关闭指令，通过曲柄做圆周运动的过程总运用重力驱动，将外侧第六储砂箱内铁砂完全移动进入另一侧的第三储砂箱内。铁砂在箱体间的完全运移，即“转移箱”内铁砂全部驱动到“目标箱”内。

判断方法：在设计中通过电路功率波动率实现自动判断，当转移箱向目标箱运移铁砂时，未完成时储砂箱体内铁砂会在曲柄旋转过程中翻转晃动，重力的周期变化导致平衡的波动，功率上体现出细微波动特性，经过波动及调控过程的实时监测，在若干周期的自动调节后，在功率曲线规律稳定时，推延5个冲程，实现单组储砂砂箱转移完全的精准判断。在一组储砂箱的铁砂转移完成后，正常运行10个冲程，采集变化后电路参数，计算实际与预算值误差，修正或继续执行下一步储砂箱分布方案。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。