摩擦換向抽油機(jī)柔性輪節(jié)能改造設(shè)計(jì)及其疲勞分析

陸 榮

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

摩擦換向抽油機(jī)是一種新型機(jī)電一體化、高效節(jié)能的采油設(shè)備。該設(shè)備是由開關(guān)磁阻電機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，另設(shè)有控制柜。該工作系統(tǒng)裝機(jī)容量低，機(jī)械效率高（可達(dá)80%以上）。有很高的經(jīng)濟(jì)性，可比普通游梁式抽油機(jī)節(jié)能30%以上。系統(tǒng)啟動(dòng)電流小、轉(zhuǎn)矩大，適合頻繁正反轉(zhuǎn)的工作場(chǎng)合[1]。但由于摩擦換向抽油機(jī)的頻繁換向，升降機(jī)械在“正轉(zhuǎn)—停車—反轉(zhuǎn)”的變換時(shí)刻，加速度較大，加之較大的載荷，對(duì)工作系統(tǒng)中的各個(gè)機(jī)械零部件（如減速器軸上的針輪軸承、鋼絲繩等）都有很大的沖擊，使得系統(tǒng)的功率需求波動(dòng)幅度很大，動(dòng)力源一直工作在不穩(wěn)定狀態(tài)下，影響電機(jī)的使用壽命及抽油機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)的使用壽命。

基于上述問題的存在，本文提出設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)將螺旋彈簧引進(jìn)摩擦輪，緩解抽油機(jī)在正反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷，旨在減小電機(jī)的瞬間啟動(dòng)力矩，減緩速度突變，降低并穩(wěn)定電機(jī)功率，最終達(dá)到減輕沖擊，節(jié)能降耗，從而提高整個(gè)工作系統(tǒng)使用壽命的效果。

1 柔性摩擦輪的設(shè)計(jì)方法

柔性摩擦輪是將螺旋彈簧裝入摩擦輪中，利用彈簧的拉壓變形將正反轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊能，存儲(chǔ)到彈簧中，從而達(dá)到減小沖擊、降低電機(jī)功率、提高抽油機(jī)壽命的目的。柔性摩擦輪中彈簧的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性摩擦輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 基本參數(shù)的確定

摩擦輪外徑D*=852 mm；

摩擦輪與牽引鋼纜接觸半徑R=410 mm；

懸點(diǎn)載荷[2]為Px=45 kN；配重為P*=45 kN。

柔性摩擦輪的摩擦圈的摩擦系數(shù)為f=0.5，則摩擦輪所受摩擦力為：

F=f（Px+P*）=0.5×（45+45）=45 kN

摩擦輪因摩擦力所產(chǎn)生的力矩為：

T=FR=45 000×0.41=18 450 kN

取T=18 500 N·m。

1.2 彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）彈簧材料的選取

根據(jù)工況條件可知，此處彈簧屬于Ⅱ類彈簧，材料選用60Si2CrVA，其性能如表1所示。

表1 彈簧物理數(shù)列表性能參

（2）彈簧中心線分布圓直徑

（3）彈簧的受力分析與計(jì)算

設(shè)每段彈簧受力為Ft共有6段彈簧，則由力矩平衡可知：

由式（3）得：

參照GB2089-80標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)彈簧尺寸[3]，計(jì)算結(jié)果列入表2。

表2 彈簧設(shè)計(jì)尺寸列表

2 節(jié)能分析

2.1 理論分析

眾所周知，當(dāng)抽油機(jī)把液體從某一深度向上舉升時(shí)，一部分輸入能量轉(zhuǎn)化成光桿的有效功，而另一部分以熱損失的形式消耗掉了。顯然，對(duì)于一定的有用功，熱損失越小，則地面效率越高。摩擦換向抽油機(jī)總的熱損失是電流和功率波動(dòng)量的函數(shù)，而這種波動(dòng)量又與抽油機(jī)扭矩的變化成一定的比例關(guān)系。在其它條件相同時(shí)，抽油機(jī)扭矩變化越大，則電流的均方根值就越接近電流的平均值，能量損失就越小，抽油機(jī)的地面效率就越高[1]。

圖2 摩擦換向抽油機(jī)扭矩變化曲線

從圖2可以看出，柔性型摩擦換向抽油機(jī)的最大扭矩明顯下降，而最小扭矩卻明顯增大，此作用可歸功于緩沖機(jī)構(gòu)中彈簧的作用結(jié)果，所以柔性型摩擦換向抽油機(jī)的扭矩變化相對(duì)均勻得多，可以說(shuō)它的熱能損失較小，地面效率較高。

2.2 電機(jī)節(jié)能計(jì)算

由前面計(jì)算可知懸點(diǎn)載荷為：Px=45 kN；

電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間：t0=0.2 s；

抽油桿平穩(wěn)上升速度：ν0=0.6 m/s；

抽油桿及油的加速度：

抽油桿及油的附加慣性力：

由以上數(shù)據(jù)可知：

常規(guī)型摩擦換向抽油機(jī)所需功率：

柔性型摩擦換向抽油機(jī)所需功率：

式中：

R為柔性摩擦輪半徑，R=41 mm；

nH為電機(jī)轉(zhuǎn)速，nH=1 000 r/min；

i為擺線針輪減速器傳動(dòng)比，i=71；

η為擺線針輪減速器效率，η=0.92。

由以上計(jì)算所得數(shù)據(jù)可知，加入緩沖機(jī)構(gòu)后，大大地節(jié)省了電機(jī)的功率，提高了抽油系統(tǒng)的效率。

3 彈簧的有限元分析

3.1 實(shí)體模型的建立

由于彈簧的疲勞破壞是發(fā)生在彈簧實(shí)體上，即需要對(duì)彈簧實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分與有限元計(jì)算從而確定其破壞點(diǎn)，故需要對(duì)彈簧進(jìn)行三維實(shí)體建模。由于ANSYS建模的能力較弱，雖然其能夠與其他CAD/CAE軟件進(jìn)行接口處理，但出于對(duì)網(wǎng)格的劃分質(zhì)量與計(jì)算的精度考慮，本實(shí)體模型采用APDL語(yǔ)言編程的方式，來(lái)完成模型的建立工作[4～5]。在建模過程中，通過綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量、邊界條件的處理以及計(jì)算效率等因素，在局部區(qū)域做了網(wǎng)格細(xì)化，如圖3所示。

圖3 彈簧立體模型

圖4 彈簧應(yīng)力云圖

對(duì)彈簧一端進(jìn)行全自由度約束，另一端加載面載荷，進(jìn)行求解，通過后處理，顯示出von mises云圖，如圖4所示。從云圖中可以看到彈簧的內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力較大，而最大應(yīng)力發(fā)生在靠近約束端與加載端，即靠近兩端的位置，如圖5所示。

3.2 彈簧疲勞分析計(jì)算

通過對(duì)應(yīng)力云圖的分析，可以得知應(yīng)力最大點(diǎn)為Node=25 215,根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，利用ANSYS的Fatigue進(jìn)行疲勞分析，其結(jié)果如圖6所示，從而得到彈簧的許用次數(shù)為3 157 000次，按彈簧每分鐘承受6次沖擊計(jì)算，此彈簧可工作365天。

圖5 彈簧應(yīng)力最大處云圖

圖6 彈簧疲勞計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于上述分析得出以下結(jié)論：

（1）利用螺旋彈簧構(gòu)造緩沖機(jī)構(gòu)，充分發(fā)揮了彈簧的緩沖功能，同時(shí)大大減小了電機(jī)的功率，降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

（2）對(duì)柔性摩擦輪進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功地將緩沖機(jī)構(gòu)引入摩擦輪，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與減小沖擊的要求。

（3）對(duì)主要緩沖部件——螺旋彈簧進(jìn)行了有限元分析與疲勞計(jì)算，從得到的數(shù)據(jù)中可以看到，彈簧的各項(xiàng)性能能夠滿足工作環(huán)境的需要，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)及參數(shù)指導(dǎo)。在進(jìn)行ANSYS有限元分析時(shí)，利用APDL語(yǔ)言進(jìn)行參數(shù)化編程分析可以大大地提高工作效率。

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