非圓齒輪自動換向立式節(jié)能抽氣機設(shè)計

張志遠，李晶晶，陳 珂，李恒睿，趙日贈，王博文

（中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州221116）

0 前言

我國各煤氣田在用的抽氣機仍以改進游梁式抽油機為主[1]，這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、制造和維修成本低[2]、能夠適應惡劣的工況、可靠性高，無論在數(shù)量還是規(guī)模上都占有絕對的優(yōu)勢。隨著對開采要求的提高，游梁式抽氣機效率低、不穩(wěn)定、安全隱患大等問題日益突出，煤層氣開采成本居高不下，傳統(tǒng)的抽氣機面臨升級改造。立式電機換向抽油機顯著地改善了這些缺點[3]，但卻也帶來了新的問題：控制線路復雜、故障率高、能耗大、維護成本高[4]，有些油田安裝使用幾年后，將其淘汰。

因此，設(shè)計一種兼具立式和游梁式抽氣機優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)換向、提高抽采效率和減小安全隱患的抽氣機就具有現(xiàn)實意義和推廣前景。

1 立式抽油機的機械結(jié)構(gòu)和工作原理

立式抽油機是鑒于游梁抽油機存在的問題而設(shè)計的一種抽油機，而非圓齒輪的設(shè)計既克服了立式電機換向抽油機電氣維護難度大等缺點，又兼具游梁式抽氣機換向可靠等優(yōu)點，因此該設(shè)計具有很高的實用價值。

本文設(shè)計的非圓齒輪自動換向立式節(jié)能抽氣機，其機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由永磁同步電動機經(jīng)大小帶輪將運動傳遞到減速器上，減速器連接非圓齒輪換向箱，非圓齒輪換向箱內(nèi)含有非圓齒輪組，換向箱的輸出軸連接變速箱，變速箱的輸出軸與滾筒連接，滾筒安置于機架內(nèi)部的底端，兩天車輪固定于機架頂端，天車輪拖動抽油桿，抽油桿上下運動，傳送皮帶一端固定于主滾動輪，另一端經(jīng)皮帶輪倒向后固定在抽油桿上，驅(qū)動井下抽油泵做固定周期的上下往復運動，把井下的油送到地面。

圖1 立式抽氣機總體結(jié)構(gòu)簡圖

2 非圓齒輪的設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的設(shè)計

本文設(shè)計的非圓齒輪，具有如圖2結(jié)構(gòu)形式。

圖2 主動輪節(jié)曲線分配圖

根據(jù)這一結(jié)構(gòu)形式，由于線速度v與傳動比i具有如下關(guān)系：

由于該齒輪的嚙合半徑r是變化的，因此傳動比具有瞬時性，對上式做如下變換：

為保持運動平穩(wěn)，確定其加速度函數(shù)必須保證單調(diào)連續(xù)。

《摩西五經(jīng)》嚴令禁止人祭：“凡把自家子實獻祭恥王者(禁迦南童子祭)，子民客籍克不論，一律處死：由當?shù)孛癖娙邮^砸死。”“耶和華最恨的惡行，他們一樣不缺，都給眾神干過；為了祭神，他們連親生兒女都敢放火里燒了！”

根據(jù)圖2所示主動輪節(jié)曲線的分配規(guī)律，以及傳動平穩(wěn)的需求，確定傳動比i為均勻變化，結(jié)合目前油田傳動需求，將最大傳動比確定為2.81，最小傳動比設(shè)置為1/3，其變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 單周期傳動比變化曲線

兩非圓齒輪傳動時，傳動軸的中心距保持一定，其半徑滿足如下關(guān)系：

因此：

其中：a為主動非圓齒輪與從動非圓齒輪的中心距；r1為主動輪半徑；r2為從動輪半徑；i為瞬時傳動比。

由于圖4中，瞬時傳動比在過度節(jié)點的變化率有明顯的突變，為改善這一問題。在過度區(qū)引入拋物線，使過度節(jié)點的變化率平滑過度。

圖4 修正版?zhèn)鲃颖茸兓€

依據(jù)設(shè)計思路，推導出傳動比表達式如下：

式中：φ1為主動非圓齒輪節(jié)曲線對應的角度；β為勻速區(qū)的角度主動非圓齒輪取45°；A為最大傳動比；B為最小傳動比；m為傳動比過渡因子，表征雙曲線與一次曲線所占比例，這里取0.5。

式中：

對于從動非圓齒輪，根據(jù)兩傳動軸的半徑關(guān)系，即：

根據(jù)從動非圓齒輪與非圓齒輪在嚙合點的速度相等，即：v1=v2

式中：v1=r1× dφ1，v2＝ r2× dφ2可以主從動輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系式：

將式（5）帶入（7）分段積分可得主動輪任意角度下對應的從動輪角度。

2.2 非圓齒輪建模與仿真

以上進行了非圓齒輪結(jié)構(gòu)形式的數(shù)學建模，在Matlab中進行數(shù)值運算后，將計算結(jié)果導入到CAD中生成了兩對非圓齒輪結(jié)構(gòu)圖，如圖5。

圖5 主動非圓齒輪（1）和從動非圓齒輪（2）

利用該節(jié)曲線，綜合利用CATIA和SOLIDWORKS生成3維模型，最終在ADAMS中進行了嚙合仿真，得到了如下曲線圖6所示。

圖6 嚙合點的角速度仿真曲線

2.3 非圓齒輪箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足運動傳遞關(guān)系，設(shè)計了如下的非圓齒輪換向箱圖7。

圖7 單層非圓齒輪換向機構(gòu)

其運動原理為：主動非圓齒輪（5）從最上面順時針旋轉(zhuǎn)并開始與從動非圓齒輪（6）的有齒部分嚙合時，從動非圓齒輪（6）與同軸的圓柱齒輪（7）開始作逆時針旋轉(zhuǎn)，與圓柱齒輪（7）嚙合的圓柱齒輪（8）以及與圓柱齒輪（8）同軸的從動非圓齒輪（4）開始做順時針旋轉(zhuǎn)，當主動非圓齒輪（5）順時針旋轉(zhuǎn)了180°時，主動非圓齒輪（5）與從動非圓齒輪（6）恰好脫開，并與從動非圓齒輪（4）恰好進入嚙合，第二傳動軸（3）以及位于其上的從動非圓齒輪（6）和圓柱齒輪（7）逆時針旋轉(zhuǎn)了一次，第一傳動軸（2）以及位于其上的從動非圓齒輪（4）圓柱齒輪（8）則順時針旋轉(zhuǎn)了一次；當主動非圓齒輪（5）繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)并開始與從動非圓齒輪（4）的有齒部分嚙合時，從動非圓齒輪（4）與同軸的圓柱齒輪（8）均作逆時針旋轉(zhuǎn)，與圓柱齒輪（8）嚙合的圓柱齒輪（7）以及與圓柱齒輪（7）同軸的從動非圓齒輪（6）做順時針旋轉(zhuǎn)，當主動非圓齒輪（5）繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)至360°時，主動非圓齒輪（5）與從動非圓齒輪（4）恰好脫開，并與從動非圓齒輪（6）重新進入嚙合，第二傳動軸（3）以及位于其上的從動非圓齒輪（6）和圓柱齒輪（7）順時針旋轉(zhuǎn)了一次，第一傳動軸（2）以及位于其上的從動非圓齒輪（4）圓柱齒輪（8）則逆時針旋轉(zhuǎn)了一次。

3 四級變速器沖程調(diào)節(jié)裝置

針對現(xiàn)有抽油機調(diào)節(jié)沖程的操作規(guī)范比較復雜的情況，根據(jù)沖程調(diào)節(jié)的特點，擬設(shè)計了出一臺四級變速器。

3.1 四級變速器機械結(jié)構(gòu)

四級變速器的箱體結(jié)構(gòu)如圖8所示，結(jié)構(gòu)為齒輪槽的應用。該結(jié)構(gòu)主要由齒輪箱，角接觸球軸承，調(diào)心軸承，5個非標齒輪，3根傳動軸以及必要的固定零件組成，結(jié)構(gòu)巧妙，使用簡單。

圖8 四級變速器的箱體結(jié)構(gòu)

3.2 四級變速器工作原理

四級變速器具有四檔速度可調(diào)，其中齒輪1（13）和齒輪4（9）由導向平鍵進行徑向定位，通過調(diào)速桿進行軸向定位。在圖示位置的時，齒輪1（13）與齒輪3（10）嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 5（8）嚙合，齒輪 5（8）與齒輪4（9）相嚙合，從而將運動經(jīng)過輸出軸傳遞出去；將齒輪 1（13）推向齒輪 2（11）內(nèi)的齒輪槽（12）后，齒輪 1（13）與齒輪 2（11）內(nèi)嚙合，齒輪 2（10）與齒輪 3（10）外嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 5（8）嚙合，齒輪5（8）與齒輪 4（9）嚙合，從而將運動經(jīng)過輸出軸（5）傳遞出去；將齒輪 4（9）推向齒輪 3（10）內(nèi)的齒輪槽，齒輪 1（13）未推向齒輪 2（10）內(nèi)的齒輪槽時，齒輪 1（13）與齒輪 3（10）外嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 4（9）內(nèi)嚙合，從而將運動經(jīng)過輸出軸（5）傳遞出去。此時，齒輪 5（8）和過渡軸（7）不承擔傳動作用；將齒輪 4（9）推向齒輪3（10）內(nèi)的齒輪槽，齒輪1（13）推向齒輪2內(nèi)的齒輪槽時，齒輪 1（13）與齒輪 2（13）內(nèi)嚙合，齒輪 2 與齒輪 3（10）外嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 4（9）內(nèi)嚙合，從而將運動經(jīng)過輸出軸傳遞出去。此時，齒輪5（8）和過渡軸（7）不承擔傳動作用。

4 寶塔輪沖次調(diào)節(jié)裝置

沖次即單位時間內(nèi)抽油桿往復循環(huán)的次數(shù)，影響著抽氣機的抽采效率[5]。由于不同工況下抽氣機的負載情況不同，如果僅在同一沖次下工作，將會造成電能的浪費。目前的沖次調(diào)節(jié)主要是通過更換皮帶輪以改變傳動比的方式進行，為了簡化操作規(guī)范，采用一對寶塔輪作為調(diào)節(jié)機構(gòu)。

4.1 沖次調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

沖次調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖9所示，包括兩個寶塔輪和一根皮帶，兩寶塔輪由兩根傳動軸固定。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點。

圖9 寶塔輪沖次調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

4.2 沖次調(diào)節(jié)原理和方法

單位時間內(nèi)抽油桿往復循環(huán)的次數(shù)非圓齒輪的輸入軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)這一基本原理，在非圓齒輪的輸入軸前級進行變速調(diào)節(jié)。由于高速級采用帶傳動效率相對比較高，故使用寶塔輪這一方式是合理的。本文采用三槽寶塔輪，可以進行3級擋位的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法為：停車后撥動皮帶，選擇合適的傳動比即可。

5 模型與實物

如圖10（a）為抽氣機的整機模型。在理論上驗證了方案的可行性后，采用線切割加工出等比縮小的金屬齒輪，并用鋁方管作為機架，進一步搭建出完整的抽氣機模型進行試驗和調(diào)試。最后，制造出如圖10（b）所示的抽氣機。

圖10 非圓齒輪自動換向立式節(jié)能抽氣機

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種改進后的立式節(jié)能抽氣機，針對換向效率低和沖擊大等問題，設(shè)計了一種非圓齒輪自動換向裝置。為適應不同工況下的抽采工作，采用四級變速箱調(diào)節(jié)沖程，采用多槽皮帶輪實現(xiàn)沖次的調(diào)節(jié)。其具體優(yōu)勢表現(xiàn)在如下兩個方面：

（1）根據(jù)抽氣機換向要求，即在單向輸入運動的條件下，抽油桿在一個周期內(nèi)實現(xiàn)自動上下往復運動，本設(shè)計通過對兩對非圓齒輪的設(shè)計，實現(xiàn)了抽氣機上下沖程平穩(wěn)的自動換向。

（2）根據(jù)抽氣機為適應不同工況而變沖程和變沖次的要求[6]，本作品采用多槽皮帶輪結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)沖次，采用新型齒輪變速機構(gòu)通過改變檔位來調(diào)節(jié)沖程，在不需要改變抽氣機整機大小的情況下，可以實現(xiàn)沖程和沖次的改變。