非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動機構(gòu)的設(shè)計與抽油機節(jié)能_圖文

1、第34卷第2期 非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動機構(gòu)的設(shè)計與抽油機節(jié)能 43文章編號:10042539201002004303非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動機構(gòu)的設(shè)計與抽油機節(jié)能趙娟娟蘇智劍(鄭州大學(xué)機械上程學(xué)院,河南鄭州450001摘要通過建立非圓齒輪一曲柄搖桿機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,分析了該機構(gòu)的運動學(xué)特性。并以節(jié)能為 出發(fā)點,提出了用于游梁式抽油機的非圓齒輪副的設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上以CYJl0353HB型抽油 機為例,利用MATI.AB軟件對游梁式抽油機采用非圓齒輪傳動減速箱和采用常規(guī)齒輪傳動減速箱時的 運動和動力性能進行了仿真對比,證實了理論分析的正確性。關(guān)鍵詞 非圓齒輪一曲柄搖桿機構(gòu)抽油機節(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構(gòu)在游梁式抽油機以 及引緯機構(gòu)中的應(yīng)用,對這類組合機

5、構(gòu)的研究逐漸增 加1.5|。在游梁式抽油機設(shè)計方面,文獻1將非圓齒 輪副作為游梁式抽油機減速器最后一級傳動副,設(shè)想 利用非圓齒輪副的變傳動比特性,達到在不減少沖次 的前提下降低游梁式抽油機最大輸入轉(zhuǎn)矩的目的;文 獻2給出了橢圓齒輪抽油機的懸點運動方程和功率 表達式,計算結(jié)果表明,這種抽油機的功率峰值比常規(guī) 抽油機低,對節(jié)電和提高泵效十分有利;文獻3的主 要觀點是由于抽油機四連桿機構(gòu)及抽油機負(fù)荷特性的 緣故,使用圓柱齒輪減速器的抽油機無法實現(xiàn)完全平 衡,抽油機曲柄轉(zhuǎn)矩仍然存在很大波動。而使用非圓 齒輪傳動則能提升游梁式抽油機的平衡水平,減少曲 柄處的轉(zhuǎn)矩波動,進而達到穩(wěn)定電動機工作參數(shù),達到 節(jié)

6、能的目的。文獻4認(rèn)為若能在抽油機齒輪減速箱 中安裝一對非圓齒輪,并適當(dāng)設(shè)計其傳動比函數(shù),就可 通過改變游梁式抽油機的懸點運動規(guī)律來實現(xiàn)電動機 輸出轉(zhuǎn)矩恒定或近乎恒定的目的,提高電動機效率和 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構(gòu)的節(jié)能原理與設(shè)計方法。1非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機構(gòu)特性 與節(jié)能分析1.1非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)模型 圖1為非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機構(gòu)的簡圖。主 動非圓齒輪裝在0,所在的減速箱輸入軸上,從動非 圓齒輪裝在D2所在的減速箱輸出軸上,輸出軸與曲 柄搖桿機構(gòu)的曲柄AB相連,帶動曲柄作相應(yīng)的回轉(zhuǎn) 運動。角位移方程r2cos02+r3c

7、os032rlcos01+r4cos041。 r2sin02+r3sin032rl sin01+r4sin04J 、。 萬 方數(shù)據(jù)機械傳動 2010年角速度方程-一rasin0,3一r4_si咖nO洲爭t02r2:s叩in0礬2】(2圖1非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機構(gòu)簡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;

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)機構(gòu)設(shè)計與節(jié)能原理 游梁式抽油機是我國油田普遍使用的一種機型, 它是一種變形的四連桿機構(gòu),其整機機構(gòu)特點像一架 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 用很小的動力就叮以使抽油機連續(xù)不斷地工作,將地 下原油抽到地面上來。但是,由于抽油機的工作負(fù)荷 變化的復(fù)雜性,使得僅通過調(diào)整平衡配重與四桿機構(gòu) 來使機構(gòu)的出力與抽油載荷進行匹配是

9、不現(xiàn)實的。這 是導(dǎo)致抽油機設(shè)計中出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象的根本原 因,其后果就是電動機空載現(xiàn)象嚴(yán)重,使得整個系統(tǒng)的 效率較低,造成資源的嚴(yán)重浪費。為了提高機構(gòu)的設(shè) 計性能與運行效率,在非圓齒輪一曲柄搖桿機構(gòu)中的 非圓齒輪的設(shè)計中將主要從以下3個方面考慮。(1急回作用(節(jié)約回程時間非圓齒輪一曲柄搖桿機構(gòu)輸出為往復(fù)運動,因此, 為了提高工作效率,常使得機構(gòu)具有急回特性,通過提 高空回行程的速度來節(jié)省完成一個運動周期所用的時 間,從而提高機構(gòu)效率以實現(xiàn)節(jié)能。在設(shè)計游梁式抽 油機所用的非圓齒輪時,可以適當(dāng)減小減速箱對應(yīng)于 抽油機下沖程階段的傳動比,達到提高速度的目的。 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)抽油機的工作特性提出的,因為抽 油機工作時,驢頭在上、下沖程中,電動機所承受的載荷 差別很大:上沖程時,驢頭懸點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 機需要做較大的功;下沖程時,液柱重量轉(zhuǎn)移到固定閥 上,驢頭僅承受抽油桿的重量,電動機不僅無需做功,反 而由于抽油桿靠自重下落,使電動機處于發(fā)電狀態(tài)。因 此設(shè)想適當(dāng)減小抽油機上沖程的加速度,提高抽油機下 沖程時的加速度,從而改善其負(fù)載特性,適應(yīng)電機的輸 出轉(zhuǎn)矩,減小或消除電機倒發(fā)電現(xiàn)象對電網(wǎng)的危害。圖 3是使用非圓齒輪的抽油機負(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)機構(gòu)急回

11、作用圖3非圓齒輪一曲柄搖桿串聯(lián)機構(gòu)的負(fù)荷特性(3減小峰值轉(zhuǎn)矩抽油機工作時所需要的電動機功率是由在曲柄軸 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,電動機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來計算的。依據(jù)這個原理, 在設(shè)計中,降低峰值轉(zhuǎn)矩就可以減小拖動電機的額定 功率,達到節(jié)能的目的。常規(guī)游梁式抽油機上沖程的 峰值轉(zhuǎn)矩比下沖程大的多,因此可以適當(dāng)減小非圓齒 輪相對抽油機上沖程部分的曲率,使抽油機懸點速度 變化平穩(wěn),從而減小上沖程的峰值轉(zhuǎn)矩。.MenNr29550叩 (4 式中,N為電動機額定功率,kW;n為沖次,min-1;叩 為傳動效率;Me為傳遞到曲柄軸上

12、的轉(zhuǎn)矩,NIll。 515O5l525舢 。 :兮 。 舢 ¨五 彩 萬 方數(shù)據(jù)第34卷第2期 非圓齒輪曲柄搖桿串聯(lián)傳動機構(gòu)的設(shè)計與抽油機節(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實例計算與分析我們以CYJl0353HB型抽油機為例來比較非圓齒輪傳動與常規(guī)圓柱齒輪傳動運動學(xué)及動力學(xué)特性。如圖4所示為CYJl0353HB型抽油機的結(jié)構(gòu)簡圖。其主要參數(shù)為:R=1.05m;P=3.35m;C 如圖7所示。計算出兩種齒輪傳動型抽油機的電機有功功率, 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 圖6曲柄勻速(。和非勻速(b轉(zhuǎn)動時搖桿的運動學(xué)特性 圖 曲柄勻運(a和非勻速(轉(zhuǎn)動時搖桿的運動學(xué)特性 的結(jié)構(gòu)簡圖。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

14、中心的距離為1.033m。抽油機的工況 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;抽油機上 沖程懸點靜態(tài)載荷為54260N;抽油機下沖程的懸點靜態(tài) 載荷為18474N;抽油機的沖次為10minIo2.1CYJIO一353I-IB型非圓齒輪抽油機的運動特性 綜合前面的分析,我們重新設(shè)計了游梁式抽油機 減速箱,用非圓齒輪代替一級圓柱齒輪。根據(jù)所編寫 的計算程序,選定一組較佳的傳動比參數(shù),所繪制的非 圓齒輪節(jié)曲線如圖5所示。并在勻速運動和非勻速運動曲柄的驅(qū)動作用下,分別計算游梁的角速度和角加速

15、度,以此得到懸點的位移、,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可以看到,非勻速運動的曲柄對懸點的位移、速度以及 圖5非圓齒輪節(jié)曲線圖 加速度等運動特性都產(chǎn)生了一定的影響。設(shè)計中可以 通過調(diào)整非圓齒輪節(jié)曲線得到較為理想的非圓齒輪一 曲柄搖桿機構(gòu)運動特性。2.2CYJl0353HB型非圓齒輪抽油機的動力特性 在忽略摩擦阻力的情況下,分別計算并繪制出了 常規(guī)齒輪傳動型和非圓齒輪傳動型游梁式抽油機的加 速度及減速器曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩隨主動轉(zhuǎn)角的變化曲線,忒-M帕度釤50V蕓 盲 鴦 埭 辮 世 H(a (”圖7兩種齒輪傳動型加速度(a、曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩(b與主動轉(zhuǎn)角的關(guān)系3結(jié)論分

16、析(1從計算結(jié)果可以看到:非圓齒輪傳動能夠有 效的降低上沖程懸點加速度,使機構(gòu)運動平穩(wěn)。由于 抽油機加速度變化趨勢直接影響載荷變化,所以,上沖 程時,非圓齒輪傳動型抽油機的載荷峰值由原來的 6.9244×104N下降到了6.2555×104N;而下沖程的載 荷谷值則由原來的1.1122×104N下降到了0.5801×104N。(2采用常規(guī)齒輪傳動型的游梁式抽油機盡管采 用了曲柄平衡的措施,在一定程度上減少了由于懸點 載荷極為不均勻所產(chǎn)生的上、下沖程時曲柄軸凈轉(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,這無疑將對電動機的選擇產(chǎn)生不利的影 響。而采用非圓齒輪傳動后,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,這不僅有利于電動機的選擇,而且對于電網(wǎng)的 工作也是極為有利的。(3從電機有功功率上來看,非圓齒輪抽油機的 均方根轉(zhuǎn)矩明顯低于常規(guī)圓柱齒輪,故在選擇電機時, 可以減小拖動電機的功率,達到節(jié)能的目的。 萬 方數(shù)據(jù)機械傳動 2010年 文章編號:10042539(201002一004605圓盤式磁流變傳動裝置輸出轉(zhuǎn)矩的計算郭崇志萬志維(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器 件在不同電流下磁感應(yīng)強度沿半徑方向的分布,通過對數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析、處理和擬合,確定了磁感應(yīng) 強度和半徑之間的關(guān)系。并將擬合的表達式帶入轉(zhuǎn)矩的計算表達式,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磁流變液傳動的影響,最 后得到了根據(jù)電流和間隙計算傳動轉(zhuǎn)矩的簡單經(jīng)驗關(guān)系式,誤差分析表明所提出的經(jīng)驗公式對于工程 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。在一定強度的外加磁場作用下其流變特性會 發(fā)生劇變,表觀黏度在瞬間增加幾個數(shù)量級,成“固化” 狀態(tài);而在無磁場作用的狀況下表現(xiàn)為一般牛頓流體 的流動特性;并且通過對外加磁場的控制,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)、可逆而且方便與計算機技術(shù)結(jié)合進行控制的 特性,磁流變液已經(jīng)成為智能材料發(fā)展的一個主要方 向,是當(dāng)今世界智能材料與機構(gòu)研究的熱點之一。 1磁流變液傳動器件的工作原理本論文中研究的圓盤式磁流變傳動器件的工作原 理如圖l所示,輸入軸在外接動力源的帶動下驅(qū)使主 動盤旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁線圈無電流時,磁流變液呈Newton 流