非圆齿轮曲柄摇杆串联传动机构的设计与抽油机节能_图文

1、第34卷第2期 非圆齿轮曲柄摇杆串联传动机构的设计与抽油机节能 43文章编号:10042539201002004303非圆齿轮曲柄摇杆串联传动机构的设计与抽油机节能赵娟娟苏智剑(郑州大学机械上程学院,河南郑州450001摘要通过建立非圆齿轮一曲柄摇杆机构的数学模型,分析了该机构的运动学特性。并以节能为 出发点,提出了用于游梁式抽油机的非圆齿轮副的设计方法。在此基础上以CYJl0353HB型抽油 机为例,利用MATI.AB软件对游梁式抽油机采用非圆齿轮传动减速箱和采用常规齿轮传动减速箱时的 运动和动力性能进行了仿真对比,证实了理论分析的正确性。关键词 非圆齿轮一曲柄摇杆机构抽油机节能仿真The

2、Design of Noncircular Gear Crankrocker Mechanimand Energy Saving of Pumping UnitZhao Juanjuan Su Zhijian(Mechanical Engineering College,办”g由University,办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引言随着非圆齿轮一曲柄摇杆机构在游梁式抽油机以 及引纬机构中的应用,对这类组合机

5、构的研究逐渐增 加1.5|。在游梁式抽油机设计方面,文献1将非圆齿 轮副作为游梁式抽油机减速器最后一级传动副,设想 利用非圆齿轮副的变传动比特性,达到在不减少冲次 的前提下降低游梁式抽油机最大输入转矩的目的;文 献2给出了椭圆齿轮抽油机的悬点运动方程和功率 表达式,计算结果表明,这种抽油机的功率峰值比常规 抽油机低,对节电和提高泵效十分有利;文献3的主 要观点是由于抽油机四连杆机构及抽油机负荷特性的 缘故,使用圆柱齿轮减速器的抽油机无法实现完全平 衡,抽油机曲柄转矩仍然存在很大波动。而使用非圆 齿轮传动则能提升游梁式抽油机的平衡水平,减少曲 柄处的转矩波动,进而达到稳定电动机工作参数,达到 节

6、能的目的。文献4认为若能在抽油机齿轮减速箱 中安装一对非圆齿轮,并适当设计其传动比函数,就可 通过改变游梁式抽油机的悬点运动规律来实现电动机 输出转矩恒定或近乎恒定的目的,提高电动机效率和 功率因数。我们则是在上述研究的基础上,着重分析 了非圆齿轮一曲柄摇杆机构的节能原理与设计方法。1非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构特性 与节能分析1.1非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构的运动学模型 图1为非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构的简图。主 动非圆齿轮装在0,所在的减速箱输入轴上,从动非 圆齿轮装在D2所在的减速箱输出轴上,输出轴与曲 柄摇杆机构的曲柄AB相连,带动曲柄作相应的回转 运动。角位移方程r2cos02+r3c

7、os032rlcos01+r4cos041。 r2sin02+r3sin032rl sin01+r4sin04J 、。 万 方数据机械传动 2010年角速度方程-一rasin0,3一r4_si咖nO洲争t02r2:s叩in0矾2】(2图1非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构简图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分别表示杆长;

8、Oi(i=l, 2,3,4是各杆与水平正向的夹角,单位为tad;cc,;是各,|日杆的角速度,产半,单位为l'Sd/S,吼是各杆的角加 速度,ai:警:案单位为聊s2。u a一1.2非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构设计与节能原理 游梁式抽油机是我国油田普遍使用的一种机型, 它是一种变形的四连杆机构,其整机机构特点像一架 天平,一端是抽油载荷,另一端是平衡配重载荷。若平 衡配重和抽油载倚形成的转矩相等或变化一致,那么 用很小的动力就叮以使抽油机连续不断地工作,将地 下原油抽到地面上来。但是,由于抽油机的工作负荷 变化的复杂性,使得仅通过调整平衡配重与四杆机构 来使机构的出力与抽油载荷进行匹配是

9、不现实的。这 是导致抽油机设计中出现“大马拉小车”现象的根本原 因,其后果就是电动机空载现象严重,使得整个系统的 效率较低,造成资源的严重浪费。为了提高机构的设 计性能与运行效率,在非圆齿轮一曲柄摇杆机构中的 非圆齿轮的设计中将主要从以下3个方面考虑。(1急回作用(节约回程时间非圆齿轮一曲柄摇杆机构输出为往复运动,因此, 为了提高工作效率,常使得机构具有急回特性,通过提 高空回行程的速度来节省完成一个运动周期所用的时 间,从而提高机构效率以实现节能。在设计游梁式抽 油机所用的非圆齿轮时,可以适当减小减速箱对应于 抽油机下冲程阶段的传动比,达到提高速度的目的。 改造后的速度曲线如图2所示。(2载

10、荷适应能力这种设想是根据抽油机的工作特性提出的,因为抽 油机工作时,驴头在上、下冲程中,电动机所承受的载荷 差别很大:上冲程时,驴头悬点静载荷是抽油泵柱塞以 上的液柱重苣和抽油杆重量之和,提起这部分重量电动 机需要做较大的功;下冲程时,液柱重量转移到固定阀 上,驴头仅承受抽油杆的重量,电动机不仅无需做功,反 而由于抽油杆靠自重下落,使电动机处于发电状态。因 此设想适当减小抽油机上冲程的加速度,提高抽油机下 冲程时的加速度,从而改善其负载特性,适应电机的输 出转矩,减小或消除电机倒发电现象对电网的危害。图 3是使用非圆齿轮的抽油机负载特性曲线。入学警 15。呵 图2非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构急回

11、作用图3非圆齿轮一曲柄摇杆串联机构的负荷特性(3减小峰值转矩抽油机工作时所需要的电动机功率是由在曲柄轴 上所产生的转矩和冲刺次数决定的。在变载荷条件 下,电动机的选择一般方法是根据负载电流或转矩的 变化规律,按式(4和式(5来计算的。依据这个原理, 在设计中,降低峰值转矩就可以减小拖动电机的额定 功率,达到节能的目的。常规游梁式抽油机上冲程的 峰值转矩比下冲程大的多,因此可以适当减小非圆齿 轮相对抽油机上冲程部分的曲率,使抽油机悬点速度 变化平稳,从而减小上冲程的峰值转矩。.MenNr29550叩 (4 式中,N为电动机额定功率,kW;n为冲次,min-1;叩 为传动效率;Me为传递到曲柄轴上

12、的转矩,NIll。 515O5l525舢 。 :兮 。 舢 ¨五 彩 万 方数据第34卷第2期 非圆齿轮曲柄摇杆串联传动机构的设计与抽油机节能 45:再:蜃 (5式中,肘为传递到曲柄轴上的转矩(随曲柄转角曰变 化,Nm;0为曲柄转角。2实例计算与分析我们以CYJl0353HB型抽油机为例来比较非圆齿轮传动与常规圆柱齿轮传动运动学及动力学特性。如图4所示为CYJl0353HB型抽油机的结构简图。其主要参数为:R=1.05m;P=3.35m;C 如图7所示。计算出两种齿轮传动型抽油机的电机有功功率, 得到圆柱齿轮均方根转矩帆2=21.79l【Nm;非圆齿轮 均方根转矩Me2=19.009

13、kNm。32j21.5乓1钒-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 加速度曲线一l一-2图4竺三二:一-53船抽油机 图6曲柄匀速(。和非匀速(b转动时摇杆的运动学特性 图 曲柄匀运(a和非匀速(转动时摇杆的运动学特性 的结构简图。一=2.4m;A=3.0m;H=5.29m;G=2.05m;,=2.3m;此 外,吊绳重213.3N;驴头重6724N;悬绳器重333N;游梁 重11840N;横梁重6130N;曲柄销重1368N;曲柄重 18375N;连杆重3446N;曲柄平衡总重21348N;曲柄平衡 重心到曲柄转动

14、中心的距离为1.033m。抽油机的工况 参数为:泵径44mm;组合抽油杆的外径声25.4tran×S622.23rrun×乒19.05nma;油管的直径声63.5n缸n;抽油机上 冲程悬点静态载荷为54260N;抽油机下冲程的悬点静态 载荷为18474N;抽油机的冲次为10minIo2.1CYJIO一353I-IB型非圆齿轮抽油机的运动特性 综合前面的分析,我们重新设计了游梁式抽油机 减速箱,用非圆齿轮代替一级圆柱齿轮。根据所编写 的计算程序,选定一组较佳的传动比参数,所绘制的非 圆齿轮节曲线如图5所示。并在匀速运动和非匀速运动曲柄的驱动作用下,分别计算游梁的角速度和角加速

15、度,以此得到悬点的位移、,速度以及角速度随曲柄转角的变化曲线,如图6所示。由图中曲线的变化趋势可以看到,非匀速运动的曲柄对悬点的位移、速度以及 图5非圆齿轮节曲线图 加速度等运动特性都产生了一定的影响。设计中可以 通过调整非圆齿轮节曲线得到较为理想的非圆齿轮一 曲柄摇杆机构运动特性。2.2CYJl0353HB型非圆齿轮抽油机的动力特性 在忽略摩擦阻力的情况下,分别计算并绘制出了 常规齿轮传动型和非圆齿轮传动型游梁式抽油机的加 速度及减速器曲柄轴净转矩随主动转角的变化曲线,忒-M帕度钐50V芸 盲 鸯 埭 辫 世 H(a (”图7两种齿轮传动型加速度(a、曲柄轴净转矩(b与主动转角的关系3结论分

16、析(1从计算结果可以看到:非圆齿轮传动能够有 效的降低上冲程悬点加速度,使机构运动平稳。由于 抽油机加速度变化趋势直接影响载荷变化,所以,上冲 程时,非圆齿轮传动型抽油机的载荷峰值由原来的 6.9244×104N下降到了6.2555×104N;而下冲程的载 荷谷值则由原来的1.1122×104N下降到了0.5801×104N。(2采用常规齿轮传动型的游梁式抽油机尽管采 用了曲柄平衡的措施,在一定程度上减少了由于悬点 载荷极为不均匀所产生的上、下冲程时曲柄轴净转矩 峰值的巨大差异,但可以看到,由于平衡的复杂性,抽 油机仍然不能完全得到平衡,上、下冲程的曲柄

17、轴净转 矩峰值分别为52.248kNm和20.556kNIn,相差大约 为30k_NIn,这无疑将对电动机的选择产生不利的影 响。而采用非圆齿轮传动后,上、下冲程的曲柄轴净转 矩峰值分别为30.735kNm和34.241kNm,相差不足 4kNm,这不仅有利于电动机的选择,而且对于电网的 工作也是极为有利的。(3从电机有功功率上来看,非圆齿轮抽油机的 均方根转矩明显低于常规圆柱齿轮,故在选择电机时, 可以减小拖动电机的功率,达到节能的目的。 万 方数据机械传动 2010年 文章编号:10042539(201002一004605圆盘式磁流变传动装置输出转矩的计算郭崇志万志维(华南理工大学,广东广

18、州510640摘要 应用有限元数值分析,建立了不同间隙下的有限元分析模型,分析了圆盘式磁流变液传动器 件在不同电流下磁感应强度沿半径方向的分布,通过对数据结果进行分析、处理和拟合,确定了磁感应 强度和半径之间的关系。并将拟合的表达式带入转矩的计算表达式,最终得出了不同电流下输出转矩 和间隙之间的曲线。根据转矩与间隙之间的关系,分析了间隙和电流的变化对磁流变液传动的影响,最 后得到了根据电流和间隙计算传动转矩的简单经验关系式,误差分析表明所提出的经验公式对于工程 应用具有足够的精度。关键词磁流变液输出转矩 间隙The Calculation of Output Torque of Disksha

19、ped MRF GeadIlgGuo Chongzhi Wan Zhiwei(South China University of Tedmology,Cdlfll励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引言磁流变液主要由固体颗粒、载液油和稳定剂3部 分组成。在一定强度的外加磁场作用下其流变特性会 发生剧变,表观黏度在瞬间增加几个数量级,成“固化” 状态;而在无磁场作用的状况下表现为一般牛顿流体 的流动特性;并且通过对外加磁场的控制,磁流变液的 “固化”反应是连续、可逆的。因此,凭借其反应迅 速、连续、可逆而且方便与计算机技术结合进行控制的 特性,磁流变液已经成为智能材料发展的一个主要方 向,是当今世界智能材料与机构研究的热点之一。 1磁流变液传动器件的工作原理本论文中研究的圆盘式磁流变传动器件的工作原 理如图l所示,输入轴在外接动力源的带动下驱使主 动盘旋转。当电磁线圈无电流时,磁流变液呈Newton 流