非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與抽油機(jī)節(jié)能_圖文

1、第34卷第2期 非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與抽油機(jī)節(jié)能 43文章編號(hào):10042539201002004303非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與抽油機(jī)節(jié)能趙娟娟蘇智劍(鄭州大學(xué)機(jī)械上程學(xué)院,河南鄭州450001摘要通過(guò)建立非圓齒輪一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,分析了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。并以節(jié)能為 出發(fā)點(diǎn),提出了用于游梁式抽油機(jī)的非圓齒輪副的設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上以CYJl0353HB型抽油 機(jī)為例,利用MATI.AB軟件對(duì)游梁式抽油機(jī)采用非圓齒輪傳動(dòng)減速箱和采用常規(guī)齒輪傳動(dòng)減速箱時(shí)的 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能進(jìn)行了仿真對(duì)比,證實(shí)了理論分析的正確性。關(guān)鍵詞 非圓齒輪一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)抽油機(jī)節(jié)能仿真The

2、Design of Noncircular Gear Crankrocker Mechanimand Energy Saving of Pumping UnitZhao Juanjuan Su Zhijian(Mechanical Engineering College,辦”g由University,辦g出450001,ChinaAbstract The mathematical model of noncircular gear crankrocker mechanism is established.and the dy namic characters of this organizat

3、ion are analyzed.Taking the energy saving as a starting point,the design method印一 plicable to the beam pumping unit of noncircular gear pairs is proposed.Based on the theory.taking CYJl03 53HB pumping unit as example,the simulation of the kinematics characteristic and dynamic characteristic is carri

4、ed on to compare with the noncircular gear drive reducer pumping unit and the convention gear drive reducer by MATLAB software,and the accuracy of theoretical analysis is confirmed.Key words Non-circular gear crank-rocker Pumping unit Energy saving Simulation0引言隨著非圓齒輪一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在游梁式抽油機(jī)以 及引緯機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用,對(duì)這類組合機(jī)

5、構(gòu)的研究逐漸增 加1.5|。在游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)1將非圓齒 輪副作為游梁式抽油機(jī)減速器最后一級(jí)傳動(dòng)副,設(shè)想 利用非圓齒輪副的變傳動(dòng)比特性,達(dá)到在不減少?zèng)_次 的前提下降低游梁式抽油機(jī)最大輸入轉(zhuǎn)矩的目的;文 獻(xiàn)2給出了橢圓齒輪抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程和功率 表達(dá)式,計(jì)算結(jié)果表明,這種抽油機(jī)的功率峰值比常規(guī) 抽油機(jī)低,對(duì)節(jié)電和提高泵效十分有利;文獻(xiàn)3的主 要觀點(diǎn)是由于抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)及抽油機(jī)負(fù)荷特性的 緣故,使用圓柱齒輪減速器的抽油機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全平 衡,抽油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)矩仍然存在很大波動(dòng)。而使用非圓 齒輪傳動(dòng)則能提升游梁式抽油機(jī)的平衡水平,減少曲 柄處的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)工作參數(shù),達(dá)到 節(jié)

6、能的目的。文獻(xiàn)4認(rèn)為若能在抽油機(jī)齒輪減速箱 中安裝一對(duì)非圓齒輪,并適當(dāng)設(shè)計(jì)其傳動(dòng)比函數(shù),就可 通過(guò)改變游梁式抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī) 輸出轉(zhuǎn)矩恒定或近乎恒定的目的,提高電動(dòng)機(jī)效率和 功率因數(shù)。我們則是在上述研究的基礎(chǔ)上,著重分析 了非圓齒輪一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的節(jié)能原理與設(shè)計(jì)方法。1非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)特性 與節(jié)能分析1.1非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 圖1為非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。主 動(dòng)非圓齒輪裝在0,所在的減速箱輸入軸上,從動(dòng)非 圓齒輪裝在D2所在的減速箱輸出軸上,輸出軸與曲 柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄AB相連,帶動(dòng)曲柄作相應(yīng)的回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)。角位移方程r2cos02+r3c

7、os032rlcos01+r4cos041。 r2sin02+r3sin032rl sin01+r4sin04J 、。 萬(wàn) 方數(shù)據(jù)機(jī)械傳動(dòng) 2010年角速度方程-一rasin0,3一r4_si咖nO洲爭(zhēng)t02r2:s叩in0礬2】(2圖1非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖角加速度速度方程一r3sin03r4sm041f口,1:L r3sin03一r4cos04J口4/a2r2sin02+t02r2cos02+叫;r3cos03一m42r4cos041,、 【一口2r2cos02+ccJ;r2sin02+oj2r3sin03一c,;r4sin04J7以上各式中,rf(i=1,2,3,4分別表示桿長(zhǎng);

8、Oi(i=l, 2,3,4是各桿與水平正向的夾角,單位為tad;cc,;是各,|日桿的角速度,產(chǎn)半,單位為l'Sd/S,吼是各桿的角加 速度,ai:警:案單位為聊s2。u a一1.2非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與節(jié)能原理 游梁式抽油機(jī)是我國(guó)油田普遍使用的一種機(jī)型, 它是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu),其整機(jī)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)像一架 天平,一端是抽油載荷,另一端是平衡配重載荷。若平 衡配重和抽油載倚形成的轉(zhuǎn)矩相等或變化一致,那么 用很小的動(dòng)力就叮以使抽油機(jī)連續(xù)不斷地工作,將地 下原油抽到地面上來(lái)。但是,由于抽油機(jī)的工作負(fù)荷 變化的復(fù)雜性,使得僅通過(guò)調(diào)整平衡配重與四桿機(jī)構(gòu) 來(lái)使機(jī)構(gòu)的出力與抽油載荷進(jìn)行匹配是

9、不現(xiàn)實(shí)的。這 是導(dǎo)致抽油機(jī)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象的根本原 因,其后果就是電動(dòng)機(jī)空載現(xiàn)象嚴(yán)重,使得整個(gè)系統(tǒng)的 效率較低,造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為了提高機(jī)構(gòu)的設(shè) 計(jì)性能與運(yùn)行效率,在非圓齒輪一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的 非圓齒輪的設(shè)計(jì)中將主要從以下3個(gè)方面考慮。(1急回作用(節(jié)約回程時(shí)間非圓齒輪一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)輸出為往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此, 為了提高工作效率,常使得機(jī)構(gòu)具有急回特性,通過(guò)提 高空回行程的速度來(lái)節(jié)省完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期所用的時(shí) 間,從而提高機(jī)構(gòu)效率以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在設(shè)計(jì)游梁式抽 油機(jī)所用的非圓齒輪時(shí),可以適當(dāng)減小減速箱對(duì)應(yīng)于 抽油機(jī)下沖程階段的傳動(dòng)比,達(dá)到提高速度的目的。 改造后的速度曲線如圖2所示。(2載

10、荷適應(yīng)能力這種設(shè)想是根據(jù)抽油機(jī)的工作特性提出的,因?yàn)槌?油機(jī)工作時(shí),驢頭在上、下沖程中,電動(dòng)機(jī)所承受的載荷 差別很大:上沖程時(shí),驢頭懸點(diǎn)靜載荷是抽油泵柱塞以 上的液柱重苣和抽油桿重量之和,提起這部分重量電動(dòng) 機(jī)需要做較大的功;下沖程時(shí),液柱重量轉(zhuǎn)移到固定閥 上,驢頭僅承受抽油桿的重量,電動(dòng)機(jī)不僅無(wú)需做功,反 而由于抽油桿靠自重下落,使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。因 此設(shè)想適當(dāng)減小抽油機(jī)上沖程的加速度,提高抽油機(jī)下 沖程時(shí)的加速度,從而改善其負(fù)載特性,適應(yīng)電機(jī)的輸 出轉(zhuǎn)矩,減小或消除電機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象對(duì)電網(wǎng)的危害。圖 3是使用非圓齒輪的抽油機(jī)負(fù)載特性曲線。入學(xué)警 15。呵 圖2非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)急回

11、作用圖3非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)的負(fù)荷特性(3減小峰值轉(zhuǎn)矩抽油機(jī)工作時(shí)所需要的電動(dòng)機(jī)功率是由在曲柄軸 上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和沖刺次數(shù)決定的。在變載荷條件 下,電動(dòng)機(jī)的選擇一般方法是根據(jù)負(fù)載電流或轉(zhuǎn)矩的 變化規(guī)律,按式(4和式(5來(lái)計(jì)算的。依據(jù)這個(gè)原理, 在設(shè)計(jì)中,降低峰值轉(zhuǎn)矩就可以減小拖動(dòng)電機(jī)的額定 功率,達(dá)到節(jié)能的目的。常規(guī)游梁式抽油機(jī)上沖程的 峰值轉(zhuǎn)矩比下沖程大的多,因此可以適當(dāng)減小非圓齒 輪相對(duì)抽油機(jī)上沖程部分的曲率,使抽油機(jī)懸點(diǎn)速度 變化平穩(wěn),從而減小上沖程的峰值轉(zhuǎn)矩。.MenNr29550叩 (4 式中,N為電動(dòng)機(jī)額定功率,kW;n為沖次,min-1;叩 為傳動(dòng)效率;Me為傳遞到曲柄軸上

12、的轉(zhuǎn)矩,NIll。 515O5l525舢 。 :兮 。 舢 ¨五 彩 萬(wàn) 方數(shù)據(jù)第34卷第2期 非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與抽油機(jī)節(jié)能 45:再:蜃 (5式中,肘為傳遞到曲柄軸上的轉(zhuǎn)矩(隨曲柄轉(zhuǎn)角曰變 化,Nm;0為曲柄轉(zhuǎn)角。2實(shí)例計(jì)算與分析我們以CYJl0353HB型抽油機(jī)為例來(lái)比較非圓齒輪傳動(dòng)與常規(guī)圓柱齒輪傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性。如圖4所示為CYJl0353HB型抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其主要參數(shù)為:R=1.05m;P=3.35m;C 如圖7所示。計(jì)算出兩種齒輪傳動(dòng)型抽油機(jī)的電機(jī)有功功率, 得到圓柱齒輪均方根轉(zhuǎn)矩帆2=21.79l【Nm;非圓齒輪 均方根轉(zhuǎn)矩Me2=19.009

13、kNm。32j21.5乓1釩-o.5一1.1.5l甥 弋蠡.黔 V 1弋50Y蟋 弼 加越32量l蓍0.I-2- 弋耋/i 烈 火 5025O-蹶 加速度曲線一l一-2圖4竺三二:一-53船抽油機(jī) 圖6曲柄勻速(。和非勻速(b轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)搖桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 圖 曲柄勻運(yùn)(a和非勻速(轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)搖桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。一=2.4m;A=3.0m;H=5.29m;G=2.05m;,=2.3m;此 外,吊繩重213.3N;驢頭重6724N;懸繩器重333N;游梁 重11840N;橫梁重6130N;曲柄銷重1368N;曲柄重 18375N;連桿重3446N;曲柄平衡總重21348N;曲柄平衡 重心到曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)

14、中心的距離為1.033m。抽油機(jī)的工況 參數(shù)為:泵徑44mm;組合抽油桿的外徑聲25.4tran×S622.23rrun×乒19.05nma;油管的直徑聲63.5n缸n;抽油機(jī)上 沖程懸點(diǎn)靜態(tài)載荷為54260N;抽油機(jī)下沖程的懸點(diǎn)靜態(tài) 載荷為18474N;抽油機(jī)的沖次為10minIo2.1CYJIO一353I-IB型非圓齒輪抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性 綜合前面的分析,我們重新設(shè)計(jì)了游梁式抽油機(jī) 減速箱,用非圓齒輪代替一級(jí)圓柱齒輪。根據(jù)所編寫 的計(jì)算程序,選定一組較佳的傳動(dòng)比參數(shù),所繪制的非 圓齒輪節(jié)曲線如圖5所示。并在勻速運(yùn)動(dòng)和非勻速運(yùn)動(dòng)曲柄的驅(qū)動(dòng)作用下,分別計(jì)算游梁的角速度和角加速

15、度,以此得到懸點(diǎn)的位移、,速度以及角速度隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線,如圖6所示。由圖中曲線的變化趨勢(shì)可以看到,非勻速運(yùn)動(dòng)的曲柄對(duì)懸點(diǎn)的位移、速度以及 圖5非圓齒輪節(jié)曲線圖 加速度等運(yùn)動(dòng)特性都產(chǎn)生了一定的影響。設(shè)計(jì)中可以 通過(guò)調(diào)整非圓齒輪節(jié)曲線得到較為理想的非圓齒輪一 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性。2.2CYJl0353HB型非圓齒輪抽油機(jī)的動(dòng)力特性 在忽略摩擦阻力的情況下,分別計(jì)算并繪制出了 常規(guī)齒輪傳動(dòng)型和非圓齒輪傳動(dòng)型游梁式抽油機(jī)的加 速度及減速器曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩隨主動(dòng)轉(zhuǎn)角的變化曲線,忒-M帕度釤50V蕓 盲 鴦 埭 辮 世 H(a (”圖7兩種齒輪傳動(dòng)型加速度(a、曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩(b與主動(dòng)轉(zhuǎn)角的關(guān)系3結(jié)論分

16、析(1從計(jì)算結(jié)果可以看到:非圓齒輪傳動(dòng)能夠有 效的降低上沖程懸點(diǎn)加速度,使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。由于 抽油機(jī)加速度變化趨勢(shì)直接影響載荷變化,所以,上沖 程時(shí),非圓齒輪傳動(dòng)型抽油機(jī)的載荷峰值由原來(lái)的 6.9244×104N下降到了6.2555×104N;而下沖程的載 荷谷值則由原來(lái)的1.1122×104N下降到了0.5801×104N。(2采用常規(guī)齒輪傳動(dòng)型的游梁式抽油機(jī)盡管采 用了曲柄平衡的措施,在一定程度上減少了由于懸點(diǎn) 載荷極為不均勻所產(chǎn)生的上、下沖程時(shí)曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩 峰值的巨大差異,但可以看到,由于平衡的復(fù)雜性,抽 油機(jī)仍然不能完全得到平衡,上、下沖程的曲柄

17、軸凈轉(zhuǎn) 矩峰值分別為52.248kNm和20.556kNIn,相差大約 為30k_NIn,這無(wú)疑將對(duì)電動(dòng)機(jī)的選擇產(chǎn)生不利的影 響。而采用非圓齒輪傳動(dòng)后,上、下沖程的曲柄軸凈轉(zhuǎn) 矩峰值分別為30.735kNm和34.241kNm,相差不足 4kNm,這不僅有利于電動(dòng)機(jī)的選擇,而且對(duì)于電網(wǎng)的 工作也是極為有利的。(3從電機(jī)有功功率上來(lái)看,非圓齒輪抽油機(jī)的 均方根轉(zhuǎn)矩明顯低于常規(guī)圓柱齒輪,故在選擇電機(jī)時(shí), 可以減小拖動(dòng)電機(jī)的功率,達(dá)到節(jié)能的目的。 萬(wàn) 方數(shù)據(jù)機(jī)械傳動(dòng) 2010年 文章編號(hào):10042539(201002一004605圓盤式磁流變傳動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算郭崇志萬(wàn)志維(華南理工大學(xué),廣東廣

18、州510640摘要 應(yīng)用有限元數(shù)值分析,建立了不同間隙下的有限元分析模型,分析了圓盤式磁流變液傳動(dòng)器 件在不同電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度沿半徑方向的分布,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析、處理和擬合,確定了磁感應(yīng) 強(qiáng)度和半徑之間的關(guān)系。并將擬合的表達(dá)式帶入轉(zhuǎn)矩的計(jì)算表達(dá)式,最終得出了不同電流下輸出轉(zhuǎn)矩 和間隙之間的曲線。根據(jù)轉(zhuǎn)矩與間隙之間的關(guān)系,分析了間隙和電流的變化對(duì)磁流變液傳動(dòng)的影響,最 后得到了根據(jù)電流和間隙計(jì)算傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,誤差分析表明所提出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于工程 應(yīng)用具有足夠的精度。關(guān)鍵詞磁流變液輸出轉(zhuǎn)矩 間隙The Calculation of Output Torque of Disksha

19、ped MRF GeadIlgGuo Chongzhi Wan Zhiwei(South China University of Tedmology,Cdlfll勵(lì)Oll 510640,ChinaAbstract Numerical method of Finite Element is applied to build finite element model with different gap.the distribution of magnetic flux density along the radius under different current intensity of th

20、e circular plate MRF trans-mitting device is analyzed,the relation between the magnetic flux density and radius is determined by analyzing,hart dling and fitting the result data.The fitting expression is substituted in the calculation formula of torque.the curves between the output torque and gap un

21、der different intensity is done in the end.The influence of the chanse gap and current intensity on the MRF transmission is analyzed,which is based on the relation between torque and gap.Finally the simple empirical relationship of transmission torque calculated according to current and gap is recei

22、ved.and the er-Ixr analysis shows that the empirical formula has sufficient accuracy for the project application.Key words MRF Output torque Gap0引言磁流變液主要由固體顆粒、載液油和穩(wěn)定劑3部 分組成。在一定強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)作用下其流變特性會(huì) 發(fā)生劇變,表觀黏度在瞬間增加幾個(gè)數(shù)量級(jí),成“固化” 狀態(tài);而在無(wú)磁場(chǎng)作用的狀況下表現(xiàn)為一般牛頓流體 的流動(dòng)特性;并且通過(guò)對(duì)外加磁場(chǎng)的控制,磁流變液的 “固化”反應(yīng)是連續(xù)、可逆的。因此,憑借其反應(yīng)迅 速、連續(xù)、可逆而且方便與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合進(jìn)行控制的 特性,磁流變液已經(jīng)成為智能材料發(fā)展的一個(gè)主要方 向,是當(dāng)今世界智能材料與機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)之一。 1磁流變液傳動(dòng)器件的工作原理本論文中研究的圓盤式磁流變傳動(dòng)器件的工作原 理如圖l所示,輸入軸在外接動(dòng)力源的帶動(dòng)下驅(qū)使主 動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁線圈無(wú)電流時(shí),磁流變液呈Newton 流