基于CATIA/ADAMS油田抽油減速機(jī)建模

王志達(dá)， 龐在祥

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012; 2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

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基于CATIA/ADAMS油田抽油減速機(jī)建模

王志達(dá)1， 龐在祥2*

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012; 2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

分析游梁抽油減速機(jī)存在的問(wèn)題，提出了一種新型含撥叉同步器的五級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)，應(yīng)用CATIA三維造型軟件對(duì)其進(jìn)行三維參數(shù)化建模，然后利用ADAMS建立減速機(jī)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行了仿真分析。

油田； 抽油; 減速機(jī)； 建模

0 引 言

游梁式抽油機(jī)是目前油田應(yīng)用最多的三抽采油方式中的主要設(shè)備，但隨著油田的不斷開(kāi)發(fā)，不斷進(jìn)行加密調(diào)整，低產(chǎn)油井增多和含水量的增加使單位能耗上升趨勢(shì)加快，系統(tǒng)節(jié)能問(wèn)題日益突出。這就要求抽油機(jī)具有長(zhǎng)沖程、大負(fù)荷、能耗低、體積小、重量輕等性能。然而游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)不能滿足日益發(fā)展的油田開(kāi)發(fā)需求[1-6]。為了解決油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)中油液供不應(yīng)抽的矛盾，文中設(shè)計(jì)了一款含撥叉同步器以及卵形齒輪的五級(jí)齒輪減速器。應(yīng)用CATIA三維造型軟件對(duì)其進(jìn)行三維參數(shù)化建模，然后利用ADAMS建立減速機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，為抽油減速機(jī)有限元分析提供依據(jù),為其動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 油田抽油減速機(jī)工作原理

我國(guó)油田普遍存在電機(jī)平均負(fù)荷率低的現(xiàn)象,即通常所說(shuō)的“大馬拉小車”現(xiàn)象。為了應(yīng)對(duì)此現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)小沖次,調(diào)小電機(jī)來(lái)解決。但每種型號(hào)的電機(jī)只有幾種沖次可以調(diào)節(jié)(調(diào)速電機(jī)又不適合抽油機(jī)低沖次運(yùn)行),在一些供液不足井沒(méi)有足夠小的沖次來(lái)滿足要求。文中通過(guò)應(yīng)用由撥叉同步器和卵形齒輪構(gòu)成的新型五級(jí)齒輪減速器，通過(guò)“撥叉同步器”來(lái)實(shí)現(xiàn)減速器快、中、慢三級(jí)變速。根據(jù)油田的實(shí)際工況選擇合適的沖程，手動(dòng)調(diào)節(jié)撥叉同步器以更換檔位變速，省去依靠換電機(jī)或換皮帶輪等繁雜步驟，使減速機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。并根據(jù)負(fù)載的情況調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電機(jī)變頻調(diào)速控制。在滿足油田抽油機(jī)低沖次節(jié)拍的前提下，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)在更低的沖次上能夠平穩(wěn)、勻速、安全、可靠地運(yùn)行，達(dá)到降低沖次，提高電機(jī)負(fù)載率及系統(tǒng)效率，降低耗電量的目的。

新型抽油減速機(jī)由箱體、撥叉同步器、直齒輪、直齒輪軸、斜齒輪、斜齒輪軸、卵形齒輪、平鍵、角接觸球軸承、帶輪、擋油環(huán)、軸承端蓋及其他構(gòu)件組成。撥叉同步器具備手動(dòng)換檔調(diào)速功能，人為推動(dòng)變速桿后，變速桿帶動(dòng)撥叉軸，撥叉軸帶動(dòng)撥叉，撥叉推動(dòng)齒輪更換嚙合位置從而實(shí)現(xiàn)減速機(jī)的變速。通過(guò)齒輪間的嚙合可將電機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)桨惭b在箱體上的撥叉軸、共用齒輪軸、中間軸、輸出軸，輸入的電機(jī)動(dòng)力首先經(jīng)過(guò)撥叉軸到共用一齒輪軸進(jìn)行一級(jí)減速，然后經(jīng)過(guò)共用二軸進(jìn)行二級(jí)減速，經(jīng)過(guò)中間軸的卵形齒輪時(shí)，上沖程速度加快，下沖程速度放慢，進(jìn)而節(jié)能，此過(guò)程減速機(jī)不進(jìn)行減速，最終再經(jīng)過(guò)加速,從而輸出想要得到的轉(zhuǎn)速。

2 油田抽油減速機(jī)虛擬樣機(jī)建模

2.1 撥叉同步器的構(gòu)建

根據(jù)汽車變速箱的變速原理，設(shè)計(jì)了可用于油田抽油減速機(jī)的撥叉同步器，以實(shí)現(xiàn)減速器的手動(dòng)換檔。撥叉同步器的使用可令減速機(jī)根據(jù)油田的工況選擇合適的沖程，省去了以往依靠換電機(jī)或換皮帶輪等用于節(jié)能的繁雜步驟，使減速機(jī)輕松實(shí)現(xiàn)快、中、慢三級(jí)調(diào)速，操作更加安全方便。撥叉同步器的機(jī)械構(gòu)造三維模型如圖1所示。

圖1 撥叉同步器三維模型

2.2 齒輪參數(shù)化建模

基于三維設(shè)計(jì)軟件CATIA構(gòu)建五級(jí)齒輪減速器的實(shí)體模型。對(duì)直齒輪、斜齒輪、卵形齒輪以及撥叉同步器等零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立虛擬樣機(jī)模型。建立齒輪模型所需參數(shù)為齒輪模數(shù)m、螺旋角β、齒數(shù)z、壓力角α和分度圓直徑d，中心距a。其中各參數(shù)分別滿足以下公式：

齒數(shù)之比=速度之比:

直齒分度圓直徑：

d=mz

壓力角：

直齒中心軸距：

斜齒模數(shù):

式中: Mt----端面模數(shù)；

Mn----法面模數(shù)；

β----螺旋角。

斜齒分度圓直徑：

斜齒中心軸距：

針對(duì)本五級(jí)齒輪減速器的各級(jí)齒輪參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 齒輪幾何參數(shù)

此外，本五級(jí)齒輪減速器創(chuàng)新性地添加了卵形齒輪，卵形齒輪相對(duì)其他齒輪可以使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，防止出現(xiàn)齒輪折斷現(xiàn)象。對(duì)于卵形齒輪的建模采用CAXA與CATIA相結(jié)合的方式。首先在CAXA中建立極坐標(biāo)方程：

e=0.325(e≤1/3)

a=205

b=a(1+e)=271.625

c=a(1-e)=138.375

保存成.igs格式導(dǎo)入CATIA中，通過(guò)點(diǎn)線不同的結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)齒形尺寸的確定。

齒數(shù):

弧長(zhǎng):

S=Pi×m×z

變傳動(dòng)比:

式中:α----主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角。

除卵形齒輪外，斜齒輪傳動(dòng)與直齒輪傳動(dòng)相比較，嚙合性能好，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音小、重合度大，降低了每對(duì)齒輪的載荷，提高了齒輪的承載能力，不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)少。

斜齒輪的正確嚙合條件除了模數(shù)及壓力角分別相等(m1=m2,α1=α2)，它們的螺旋角還必須符合如下條件：

外嚙合:

內(nèi)嚙合:

最終依據(jù)應(yīng)有位置約束關(guān)系裝配得到五級(jí)齒輪減速器的裝配模型，具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 五級(jí)齒輪減速機(jī)三維模型

2.3 虛擬樣機(jī)模型的建立

首先在CATIA中添加以下約束：設(shè)定各級(jí)齒輪軸與齒輪添加固定副，將各轉(zhuǎn)動(dòng)軸與齒輪Add Moving Part，將模型導(dǎo)出.cmd格式文件，然后在ADAMS/View中import(導(dǎo)入)該.cmd格式文件，各齒輪軸與地面間添加旋轉(zhuǎn)副，從而建立五級(jí)齒輪減速器，如圖3所示。

圖3 減速器虛擬樣機(jī)模型

3 動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 虛擬樣機(jī)添加約束、驅(qū)動(dòng)及負(fù)載

在輸入軸上添加Rotational Joint Motion，同時(shí)為了使負(fù)載不發(fā)生突變，分別給出參數(shù)，使用STEP函數(shù)STEP(time，0，0d，0.2，4380.00d)定義大小，類型選取Velocity；各軸添加約束Revolute；嚙合的齒輪間添加Solid to Solid，在輸出軸添加負(fù)載torque，大小為486 000，齒輪材料取45#鋼，根據(jù)Herz碰撞理論公式：

其中

式中:V1、V2----兩接觸物體材料的泊松比；

E1、E2----兩接觸物體材料的彈性模量;

K----接觸強(qiáng)度系數(shù);

R1、R2----分別為兩齒輪接觸半徑。

計(jì)算得到高、中、低各轉(zhuǎn)速級(jí)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 三級(jí)轉(zhuǎn)速軸參數(shù)表

3.2 虛擬樣機(jī)仿真

進(jìn)行仿真準(zhǔn)備，設(shè)定仿真Duration=0.3 s，Step Size=0.000 1 s開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，最終所得仿真效果分別如圖4～圖9所示。

圖4 高速級(jí)輸入軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖5 高速級(jí)輸出軸齒輪嚙合力隨時(shí)間變化曲線

圖6 中速級(jí)輸入軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖7 中速級(jí)輸出軸齒輪嚙合力隨時(shí)間變化曲線

圖8 低速級(jí)輸入軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖9 輸出軸齒輪嚙合力隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行理論計(jì)算得到高、中、低速三級(jí)輸入軸轉(zhuǎn)速同為4 380 rad/s，而撥叉軸轉(zhuǎn)速分別為高速級(jí)3 824 rad/s，中速級(jí)2 162 rad/s，低速級(jí)1 177 rad/s。通過(guò)輸出軸齒輪嚙合力隨時(shí)間變化曲線可以看出，曲線類似于正、余弦曲線，成周期性嚙合。但是由于齒輪傳動(dòng)過(guò)程中存在振動(dòng)和沖擊，使得曲線的波動(dòng)性較大。造成波動(dòng)性較大的原因有以下幾個(gè)方面:

1)模擬仿真過(guò)程中對(duì)參數(shù)的取值存在一定誤差，包括阻尼系數(shù)、摩擦系數(shù)等，并且理論值計(jì)算沒(méi)有考慮這些因素；

2)齒輪在裝配過(guò)程中沒(méi)有裝配好。

對(duì)于上述問(wèn)題，通過(guò)在CATIA軟件完善實(shí)體模型，并作干涉和碰撞檢查；通過(guò)修正參數(shù)，并作多次取值獲取最佳解，減小仿真值與理論值之間的誤差，從而減小波動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)油田抽油減速機(jī)結(jié)構(gòu)的分析，應(yīng)用三維造型軟件完成了油田抽油減速機(jī)的三維模型和虛擬裝配，為油田抽油減速機(jī)的仿真分析提供了樣機(jī)模型。并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合狀態(tài)下存在的問(wèn)題及解決方式，為抽油減速機(jī)有限元分析提供依據(jù)并為其動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

[1] 沈兆奎,孫旭川.游梁式抽油機(jī)的節(jié)能研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,29(2):15-19.

[2] 武衛(wèi)麗,焦培林,彭利果,等.抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究綜述[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009，11(4)：111-113.

[3] 李紅才,秦德福,魚(yú)崗,等.節(jié)能型超低沖次抽油機(jī)技術(shù)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(5):49-51.

[4] 張彬,綦耀光,丁峰.游梁式抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)低沖次的方法比較[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2010(4):42-44.

[5] 蘇德勝.游梁式抽油機(jī)節(jié)能機(jī)理綜述[J].石油機(jī)械，2001,29(5):49-53.

[6] 黃秀華，韓志昌，丁建國(guó)，等.游梁式抽油機(jī)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001:18-19.

Modeling of oil field pumping speed reducer based on CATIA/ADAMS

WANG Zhida1, PANG Zaixiang2*

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China； 2.Engineering Training Centre, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

To solve the problems in the current beam pumping oil reducer, we offer a fork synchronizer 5-gear retarding structure. With CATIA/ADAMS simulation, both the 3D parametric model for the structure and virtual prototype model for the gear reducer are established.

oil field; pumping; fork synchronizer; modeling.

2017-03-12

吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2014Y132)

王志達(dá)(1974-)，男，漢族，吉林松原人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師,碩士,主要從事電氣自動(dòng)化方向研究,E-mail:wangzhida@ccut.edu.cn. *通訊作者：龐在祥(1982-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師，碩士，主要從事機(jī)械制造及自動(dòng)化方向研究,E-mail:pangzaixiang@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.06

TG 659； TH 113.2

A

1674-1374(2017)03-0245-06