修井作業(yè)用新型擺臂機(jī)構(gòu)的研究

王帥帥，李殿起，張少華，汪鵬飛

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870)

0 前言

為了提高修井作業(yè)的工作效率和降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使工作人員處于一個(gè)良好的工作環(huán)境，本人根據(jù)當(dāng)前已有的修井作業(yè)的工作狀態(tài)，為了更好適應(yīng)油田中、小作業(yè)的需要，對(duì)原有的擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改良和設(shè)計(jì)[1]，。在原有的擺臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，將外部的動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)的內(nèi)部。改進(jìn)后的擺臂機(jī)構(gòu)不僅在外觀上結(jié)構(gòu)緊湊，而且可以間接提高其工作壽命。在擺臂機(jī)構(gòu)內(nèi)部的各部件通過斜齒連接，增加了其動(dòng)力傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

1 新型擺臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

改進(jìn)前的擺臂機(jī)構(gòu)如圖1所示，其主要是通過液壓伸縮桿帶動(dòng)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從水平狀態(tài)到豎直狀態(tài)[2]。

本文采用CAXA對(duì)裝置進(jìn)行了二維的設(shè)計(jì)，如圖2所示。將擺臂機(jī)構(gòu)的主要部件設(shè)計(jì)在了裝置的內(nèi)部，使整個(gè)裝置外觀簡(jiǎn)潔和緊湊，而且相對(duì)于暴露在外面的結(jié)構(gòu)部件，直接排除了外在因素對(duì)工作部件的損耗，間接地提高了工作部件的壽命液壓作為動(dòng)力裝置[3,4]，也使裝置在運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性方面有所改善。

圖1 改進(jìn)前的擺臂機(jī)構(gòu)

圖2 新型擺臂機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二維圖

1.1 擺臂機(jī)構(gòu)的工作原理

如圖2所示，在裝置內(nèi)部，擺動(dòng)油缸與外部裝置為固定連接，芯軸的頂部與裝置的夾持裝置連接，擺動(dòng)活塞與擺動(dòng)油缸和芯軸通過斜齒嚙合。在液壓油的壓力作用下，擺動(dòng)油缸會(huì)向上運(yùn)動(dòng)作直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于擺動(dòng)油缸是固定的，因此擺動(dòng)油缸會(huì)給擺動(dòng)活塞提供一個(gè)反向的作用力，而擺動(dòng)活塞將帶動(dòng)芯軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)裝置擺臂的運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)裝置中，將采用液壓壓力作為動(dòng)力，在斜齒的設(shè)計(jì)過程中要考慮到密封，以實(shí)現(xiàn)裝置穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。在圖2中，可以看出擺動(dòng)油缸、芯軸和擺動(dòng)活塞的斜齒部分的端口都采用密封墊進(jìn)行密封，以便最大程度上實(shí)現(xiàn)裝置的密封。

1.2 擺臂機(jī)構(gòu)的主要尺寸計(jì)算

擺動(dòng)活塞作為一個(gè)中間介質(zhì)，在液壓的推力下，活塞向上運(yùn)動(dòng)，活塞通過斜齒輪與油缸嚙合，因?yàn)橛透资枪潭ǖ模谶_(dá)到行程時(shí)，活塞相對(duì)于油缸旋轉(zhuǎn)α角度。當(dāng)芯軸與活塞通過斜齒輪嚙合時(shí)，在達(dá)到行程時(shí)，芯軸相對(duì)于活塞也是旋轉(zhuǎn)α角度。在設(shè)計(jì)過程中，由于油缸與活塞的齒輪嚙合的螺旋方向和活塞與芯軸的嚙合的螺旋方向相反。因此，芯軸相對(duì)于油缸來說，在達(dá)到行程時(shí)，芯軸則旋轉(zhuǎn)了2α角度。所以，當(dāng)要求芯軸旋轉(zhuǎn)90°，那么角度平均分配到螺旋角度上，應(yīng)該是內(nèi)外各45°。

S=Dπ

(1)

式中，S為分度圓周長(zhǎng)；D為分度圓直徑。

分度圓周長(zhǎng)S與導(dǎo)程L、螺旋角β三者關(guān)系為

(2)

假設(shè)芯軸旋轉(zhuǎn)90°，將角度分配到擺動(dòng)活塞和擺動(dòng)油缸上則各是45°。那么行程與螺旋角之間的關(guān)系為

(3)

式中，m為行程；β為螺旋角。

(4)

將行程設(shè)置成100 mm，則對(duì)于油缸來說，β1=16.62°，其中D1=304 mm。

對(duì)于擺動(dòng)活塞來說，β2=13.26°，其中D2=240 mm。

2 采用ANSYS對(duì)斜齒部分進(jìn)行強(qiáng)度分析

在已完成的三維模型的基礎(chǔ)上，需要對(duì)斜齒嚙合的部分進(jìn)行有限元接觸強(qiáng)度分析，來確定斜齒部分是否符合設(shè)計(jì)要求[5]。

2.1 確定單元屬性

將模型導(dǎo)入ANSYS中之后，需要對(duì)模型進(jìn)行屬性設(shè)定：材料設(shè)置為40Cr，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度為7 850 kg·m-3。

2.2 網(wǎng)格劃分

在有限元分析的過程中，網(wǎng)格的數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果有顯著的影響。一般來說，網(wǎng)格越密集，計(jì)算結(jié)果就會(huì)相對(duì)越精確，但是同時(shí)也增加了計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。因此，在網(wǎng)格劃分的過程中，要統(tǒng)籌兼顧到這兩個(gè)因素。為了保證計(jì)算結(jié)果收斂，需要改善網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，因此應(yīng)預(yù)先估計(jì)出大致的應(yīng)力變化范圍和趨勢(shì)，在應(yīng)力集中及應(yīng)力梯度變化較大的齒根以及齒面接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化程度采用一級(jí)。為了保證力的收斂性，網(wǎng)格細(xì)化過程中要緩慢變化[6,7]。

圖3 模型的網(wǎng)格劃分圖

2.3 施加載荷與約束并求解

在Workbench中進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了降低計(jì)算時(shí)間，并沒有對(duì)整個(gè)斜齒進(jìn)行分析，而是選擇了芯軸和擺動(dòng)活塞的斜齒嚙合的部分。在芯軸上施加一個(gè)90 000 N·mm的力矩，并將擺動(dòng)活塞設(shè)置為固定，檢測(cè)齒輪的斜齒部分的等效應(yīng)力的分布情況。

圖4 模型的等效應(yīng)力圖

如圖4所示，齒輪在齒頂部分的應(yīng)力集中，且承受的最大值為0.3 MPa。符合設(shè)計(jì)要求。

3 對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行Adams運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 將三維模型導(dǎo)入Adams中并添加約束

首先需要將UG中的三維模型以STEP的格式導(dǎo)入ADAMS軟件中如圖10所示。然后為裝置添加約束：擺動(dòng)油缸為固定，在上、下端蓋和擺動(dòng)油缸之間施加固定副，限制其運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)油缸的內(nèi)部與擺動(dòng)活塞的外部通過斜齒連接在一起，給其施加轉(zhuǎn)動(dòng)副，使活塞可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。擺動(dòng)活塞內(nèi)部和芯軸的外部也是通過齒輪連接，也給其施加轉(zhuǎn)動(dòng)副，使芯軸和擺動(dòng)活塞之間也能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)[8]。因?yàn)閿[動(dòng)活塞在運(yùn)動(dòng)過程中，不僅會(huì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)還會(huì)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，因此在擺動(dòng)活塞上也要施加一個(gè)移動(dòng)副，以確保其在直線上的運(yùn)動(dòng)。芯軸除了與擺動(dòng)活塞連接之外，還和軸承接觸，在芯軸與軸承之間設(shè)置成轉(zhuǎn)動(dòng)副。對(duì)芯軸施加一個(gè)水平的驅(qū)動(dòng)力使其進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)芯軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行仿真[9]。

圖5 UG三維模型導(dǎo)入ADAMS生成圖

3.2 運(yùn)動(dòng)仿真

在擺臂機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件之間的約束添加完成之后，給擺動(dòng)活塞施加一個(gè)水平作用力來代替液壓作用，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

將時(shí)間設(shè)置成10 s，步長(zhǎng)設(shè)置成100步進(jìn)行仿真[10]。

3.3 仿真結(jié)果的分析

芯軸作為核心部件，其旋轉(zhuǎn)角度直接關(guān)系到整個(gè)部件設(shè)計(jì)的正確與否。在ADAMS中的基礎(chǔ)設(shè)置完成之后，將整個(gè)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。針對(duì)擺動(dòng)活塞的受力和芯軸的旋轉(zhuǎn)角度生成了整個(gè)裝置在運(yùn)動(dòng)過程中的規(guī)律曲線，如圖6～8所示。

從圖6中可以看出仿真過程中，擺動(dòng)活塞所受到的最大力將近60 kN，最小力約為10 kN，在裝置的啟動(dòng)和停止時(shí)受力較大，運(yùn)動(dòng)過程中受力較小，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。

圖6 擺動(dòng)活塞在仿真過程中的受力圖

圖7為芯軸的旋轉(zhuǎn)角度的規(guī)律曲線，從圖中可以看出，芯軸在啟動(dòng)和停止時(shí)是有波動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)平穩(wěn)，在整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)到接近并沒有到10 s時(shí)，芯軸的旋轉(zhuǎn)角度已經(jīng)達(dá)到了90°，說明該裝置的最終旋轉(zhuǎn)角度與理想的預(yù)期角度存在著一些誤差，根據(jù)曲線可以推斷出旋轉(zhuǎn)角度在95°左右，在允許誤差的范圍之內(nèi)。

圖7 芯軸在仿真過程中旋轉(zhuǎn)的角度

除了擺動(dòng)活塞的受力情況，還需要考慮整個(gè)裝置在仿真過程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性問題。因此，對(duì)芯軸的角加速度也生成了相應(yīng)的規(guī)律曲線。從規(guī)律曲線中可以看出，裝置在運(yùn)動(dòng)過程中存在著較小的波動(dòng)，在起始階段的波動(dòng)較大，整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)平穩(wěn)。

圖8 芯軸的角加速度圖

4 結(jié)論

新型擺臂機(jī)構(gòu)在整體上是符合設(shè)計(jì)要求的。在強(qiáng)度方面完全能滿足要求；在運(yùn)動(dòng)方面，雖然

和理想目標(biāo)存在一些誤差，但是能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的。總體而言，新型擺臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的。