四連桿抽油機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化*

楊 俠，宋 晶，郭 釗，余 蓓

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

0 引 言

節(jié)能型抽油機(jī)是現(xiàn)代抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，而抽油機(jī)平衡對(duì)能量損失影響較大，占整個(gè)損失的50%以上，是節(jié)能的重點(diǎn)［1］。對(duì)于傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的平衡，是平衡重產(chǎn)生的力矩與懸點(diǎn)載荷及抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重產(chǎn)生的力矩的平衡［2］，即運(yùn)用重塊直接平衡結(jié)構(gòu)自重和載荷兩類所產(chǎn)生的扭矩，但是結(jié)構(gòu)自重和載荷的變化規(guī)律是不同的，僅僅直接運(yùn)用平衡重塊平衡上述兩者的扭矩變化，是不可能達(dá)到的，且運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。而能量損失與抽油機(jī)扭矩的變化成比例，在其他條件相同時(shí)，抽油機(jī)扭矩變化越大，則電流的均方根值也就越高，能量損失越大；而抽油機(jī)扭矩越平穩(wěn)，則能量損失就越小［3］，因此，限制抽油機(jī)扭矩變化，并使其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，是節(jié)能型抽油機(jī)的一大特點(diǎn)。周紅杰等［4］利用Matlab對(duì)游梁式抽油機(jī)平衡參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使平衡扭矩變化平穩(wěn)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。此外，白晶等［5］通過(guò)計(jì)算機(jī)求解一種新型抽油機(jī)平衡，使抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)平衡率有所提高。而本研究所提出的抽油機(jī)是一種新型平行四連桿抽油機(jī)，相比于傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)，其特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，只要結(jié)構(gòu)自重達(dá)到平衡，并依據(jù)懸點(diǎn)載荷變化規(guī)律，就可以通過(guò)配重平衡塊平衡懸點(diǎn)載荷，從而使該新型平行四連桿抽油機(jī)達(dá)到全平衡?？紤]到該新型抽油機(jī)的主要部件［6-8］，平行四連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)性能有著較大的影響。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的一個(gè)應(yīng)用，已經(jīng)在各抽油機(jī)企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用［9］。

本研究重點(diǎn)研究該新型平行四連桿抽油機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不平衡問(wèn)題，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Solid?Works2010，通過(guò)建模仿真得到能保證工作過(guò)程中良好力學(xué)性能的新平行四連桿機(jī)構(gòu)，分析該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不平衡性，并采用天平原理，優(yōu)化平行四連桿機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)新型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)平衡。

1 平行四連桿機(jī)構(gòu)模型

平行四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸大小及位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 平行四連桿機(jī)構(gòu)模型

它主要由驅(qū)動(dòng)臂AF、從驅(qū)動(dòng)臂FB、長(zhǎng)支撐桿EC、短支撐桿CG和基座C構(gòu)成，作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，平行四連桿機(jī)構(gòu)不僅具有傳動(dòng)功能，還具有精確的運(yùn)動(dòng)放大作用，并且由于抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性，抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡必須滿足直線運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)B點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，該平行四連桿機(jī)構(gòu)傳遞的運(yùn)動(dòng)使A點(diǎn)也作直線運(yùn)動(dòng)。

本研究根據(jù)機(jī)械工程經(jīng)驗(yàn)，以工程運(yùn)用廣泛的12型傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)數(shù)據(jù)為參考。根據(jù)抽油機(jī)設(shè)計(jì)原理，多連桿機(jī)構(gòu)必須滿足抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力目標(biāo)參數(shù)：①懸點(diǎn)載荷F=120 kN；②懸點(diǎn)沖程S=3.6 m；③懸點(diǎn)沖次為6次/分鐘；④四連桿變形比例機(jī)構(gòu)的比例k=3。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算和優(yōu)化

2.1 初始優(yōu)化

根據(jù)圖1的尺寸及位置關(guān)系，并考慮已給出的模型參數(shù)，筆者選取各桿件初始尺寸、約束等參數(shù)，驅(qū)動(dòng)臂 A F=4 m，從驅(qū)動(dòng)臂F B=4 m，長(zhǎng)支撐桿EC=3 m，短支撐桿CG=1 m，限制B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，則A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡也為直線，所建立的簡(jiǎn)單模型如圖2所示。

圖2 平行四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單模型

同時(shí)，為了使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠正常工作，幫助設(shè)計(jì)者合理選擇構(gòu)件的適當(dāng)材料和形狀，確定所需要的幾何尺寸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，即力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上，筆者以最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)，為構(gòu)件確定合理的材料和形狀。而有限元分析正是基于這種思想應(yīng)運(yùn)而生的［10-13］，在Solidworks軟件中，CosmosWorks（Simulation）插件模塊正是基于有限元方法來(lái)進(jìn)行分析，適用于對(duì)零件或裝配體的靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、扭曲、頻率、跌落測(cè)試及優(yōu)化分析。

對(duì)于平行四連桿機(jī)構(gòu)，本研究利用有限元分析，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)臂、從驅(qū)動(dòng)臂、支撐桿等分別進(jìn)行靜態(tài)分析和優(yōu)化分析，在保證力學(xué)性能情況下，質(zhì)量最小化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行裝配、仿真，使其運(yùn)動(dòng)特性基本滿足模型參數(shù)，初始優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 平行四連桿機(jī)構(gòu)初始優(yōu)化模型

2.2 質(zhì)心軌跡坐標(biāo)及結(jié)構(gòu)平衡優(yōu)化

本研究對(duì)平行四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了平衡分析，以基座為支點(diǎn)，抽油機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自身重量產(chǎn)生的對(duì)支點(diǎn)的力矩是隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程而不斷變化的，即對(duì)支點(diǎn)的力矩處于不平衡狀態(tài)，這種不平衡狀態(tài)會(huì)使力矩變化幅度大，從而導(dǎo)致抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)，能耗增大。力矩的變化取決于質(zhì)量力和質(zhì)心對(duì)支點(diǎn)的力臂，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量不變，質(zhì)心對(duì)支點(diǎn)的力臂也就是以支點(diǎn)為原點(diǎn)、質(zhì)心的坐標(biāo)。

本研究以如圖3所示的裝配結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在Solid?Works中對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

由模型參數(shù)可知，周期T=10 s，本研究利用質(zhì)量屬性，在一個(gè)周期內(nèi)每隔1 s取質(zhì)心坐標(biāo)，得到該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，抽油機(jī)初始結(jié)構(gòu)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 初始結(jié)構(gòu)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)

由表1可知，質(zhì)心坐標(biāo)值表明平行四連桿機(jī)構(gòu)質(zhì)心明顯偏離支點(diǎn)，因此，為了保證力矩的盡可能地小或變化幅度近似不變，從而減小傳動(dòng)過(guò)程的能耗，則必須在保證力學(xué)性能情況下改變其結(jié)構(gòu)，使其質(zhì)心接近支點(diǎn)。

由于該抽油機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度較低，運(yùn)動(dòng)較緩慢，本研究采用天平原理，在質(zhì)心偏離支點(diǎn)的另一端添加平衡輪，且使平衡輪的軌跡與質(zhì)心軌跡近似相同，從而達(dá)到使抽油機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩者相對(duì)于支點(diǎn)的合力矩最小和變化幅度最小，添加平衡輪之后的裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了解質(zhì)心變化趨勢(shì)，找出最佳的尺寸組合，本研究選取3套設(shè)計(jì)方案，以快速分析多個(gè)設(shè)計(jì)情形，分別改變平衡輪直徑為1 002 mm、1 026 mm和1 050 mm，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)值的取值辦法同上，分別得到坐標(biāo)值數(shù)據(jù)如表2～4所示。

圖4 添加平衡輪后的裝配結(jié)構(gòu)

表2 平衡輪直徑為1 002 mm質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)

表3 平衡輪直徑為1 026 mm質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)

表4 平衡輪直徑為1 050 mm質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)

從表2～4可以知道，質(zhì)心的X、Y運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)值是隨著時(shí)間而變化，而Z軸坐標(biāo)在整個(gè)過(guò)程中是不變的，因此不予考慮。將X、Y軸坐標(biāo)值隨時(shí)間變化的4組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較，得到X、Y軸心偏移坐標(biāo)軌跡圖如圖5、圖6所示。

圖5 X軸質(zhì)心偏移坐標(biāo)軌跡圖

圖6 Y軸質(zhì)心偏移坐標(biāo)軌跡圖

圖5、圖6顯示，在初始結(jié)構(gòu)中，隨著時(shí)間的變化，X軸水平坐標(biāo)和Y軸豎直坐標(biāo)變化幅度大，最大偏差分別為ΔXmax=1121.1mm、ΔYmax=966.31mm；本研究在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)添加了平衡輪之后，隨著時(shí)間的變化，X軸水平坐標(biāo)和Y軸豎直坐標(biāo)整體變化幅度相對(duì)于初始結(jié)構(gòu)較小，最大偏差降低分別約85.87%和92.42%，且當(dāng)平衡輪直徑逐漸增大時(shí)，X軸最大偏差逐漸減小，Y軸最大偏差逐漸增大。即當(dāng)平衡輪直徑為1 050 mm時(shí)，X坐標(biāo)變化幅度最小，最大偏差為ΔXmax=158.38mm；當(dāng)平衡輪直徑為1 002 mm時(shí)，Y坐標(biāo)變化幅度最小，最大偏差為ΔYmax=73.28mm。

綜上所述，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的平行四連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)心X、Y坐標(biāo)值相對(duì)于初始結(jié)構(gòu)減小，而且變化幅度大大降低，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)自重在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的力矩減小和變化幅度也降低，從而使抽油機(jī)所需的扭矩減小并且變化平穩(wěn)，能耗也就大大降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)采用三維設(shè)計(jì)軟件SoildWorks，重點(diǎn)對(duì)新型抽油機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)—平行四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模、優(yōu)化，優(yōu)化后的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的X、Y軸質(zhì)心坐標(biāo)最大偏差降低分別約85.87%和92.42%，從而使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更加趨于平穩(wěn)，基本滿足結(jié)構(gòu)平衡的要求，另外還具有能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

盡管優(yōu)化后的平行四連桿機(jī)構(gòu)還需要工程實(shí)例驗(yàn)證，但完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)能使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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