基于ADAMS的隨動復(fù)合平衡抽油機動力仿真

華 劍 (長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

童新華 (裝備指揮技術(shù)學(xué)院士官系,北京1 02249)

隨動復(fù)合平衡抽油機是通過對異相型曲柄平衡抽油機進行改進而得到的一種新型抽油機,與異相型曲柄平衡抽油機相比,其特點是:①方便調(diào)節(jié)隨動平衡塊的數(shù)量[1];②當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時,滑桿可在滑輪上滑動,隨動平衡塊相對于游梁軸承中心的重力矩隨之改變,與曲柄平衡重聯(lián)合作用,能起到削減峰值扭矩的效果[2,3]。參考文獻 [2]已進行了隨動復(fù)合平衡抽油機的運動學(xué)研究,鑒于此,筆者基于ADAMS對其進行動力學(xué)仿真,以驗證其動力特性和節(jié)能效果。

1 隨動復(fù)合平衡抽油機結(jié)構(gòu)特點

隨動復(fù)合平衡抽油機的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要特點是在游梁尾部安裝了一個滑輪,并在橫梁上安裝2根導(dǎo)桿以支撐滑桿,導(dǎo)桿與滑桿以鉸鏈連接。隨動平衡塊的數(shù)量可根據(jù)需要進行安裝。采用了螺栓固定的方式來安裝平衡塊,這樣可以很方便地調(diào)整平衡塊的數(shù)量。由于該抽油機是在異相型曲柄平衡抽油機的基礎(chǔ)上改進而來,故4桿機構(gòu)的總體尺寸保持不變。

圖1 隨動復(fù)合平衡抽油機結(jié)構(gòu)圖

2 曲柄凈扭矩分析

與改進前相比,隨動復(fù)合平衡抽油機增加了滑輪-滑桿結(jié)構(gòu)和隨動平衡塊,因此其動力學(xué)特性將發(fā)生改變。由于平衡結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,故曲柄凈扭矩的計算也有所不同。隨動復(fù)合平衡抽油機主要桿件受力的計算公式與常規(guī)平衡抽油機桿件受力計算公式[4～6]基本相同,僅結(jié)構(gòu)不平衡重一項有所改變。因此,連桿力中與曲柄中線垂直的分力為:

式中,qc為游梁伸出端和滑輪的重量,N;lc0為游梁伸出端和滑輪重心至游梁支承的水平距離,m;qf為滑桿的重量,N;lf0為滑桿重心至游梁支承的水平距離,m;q0為隨動平衡塊重量,N;l0為隨動平衡重的重心至游梁支承的水平距離,m;qp為橫梁伸出端的重量,N;lp0為橫梁伸出端重心至游梁支承的水平距離,m;其他參數(shù)見文獻[4]。

連桿對曲柄的載荷扭矩為:

曲柄平衡扭矩為:

式中,M為曲柄平衡重及曲柄自重繞曲柄的最大力矩,N·m;Q為曲柄轉(zhuǎn)角,rad;τ為平衡相位角,rad;Rp為曲柄平衡重的平衡半徑,m;Qp為曲柄平衡重的重量,N;rq為曲柄自重的重心半徑,m;qq為曲柄自重,N。

抽油機曲柄凈扭矩由載荷扭矩、平衡扭矩2部分疊加組成,根據(jù)式(2)和式(3)可得曲柄凈扭矩:

考慮到游梁擺角δ′較小對Tn的影響可以忽略,故式(4)可簡化為:

將式(5)與異相曲柄平衡抽油機的曲柄凈扭矩公式[4]進行對比可以看出,二者具有相同基本形式,只是前者中多了這一項,而該項隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的特性,可以產(chǎn)生改善曲柄凈扭矩的效果。為定量研究隨動復(fù)合平衡抽油機的動力特性,筆者對其進行ADAMS仿真。

3 建立虛擬樣機模型

ADAMS2005是集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機軟件,可生成復(fù)雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機,并能夠進行運動和動力仿真。利用該軟件可大大減少物理樣機制造及試驗次數(shù)、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和減少研制費用[7,8]。

在ADAMS環(huán)境下建立某14型隨動復(fù)合平衡抽油機分析模型,如圖2所示。以抽油機四桿機構(gòu)下死點作為運動起點,游梁、曲柄、導(dǎo)桿及滑桿用桿件表示,隨動平衡塊及曲柄平衡重用小球表示。根據(jù)圖1對構(gòu)件之間的運動副進行分析可知:曲柄與連桿、游梁與支架、橫梁與游梁、滑桿與導(dǎo)桿之間為轉(zhuǎn)動副連接;滑輪與滑桿之間則是移動副連接;支架與基礎(chǔ)、隨動平衡塊與滑桿、曲柄平衡重與曲柄之間都是相對固定的。在ADAMS軟件中,轉(zhuǎn)動副簡化為剛性連接,用約束了2個旋轉(zhuǎn)自由度和3個移動自由度的旋轉(zhuǎn)副來實現(xiàn)。

圖2 隨動復(fù)合平衡抽油機的ADAMS模型

4 模型的加載

該抽油機的曲柄轉(zhuǎn)速為6r/min,可在ADAMS軟件中設(shè)定。隨動平衡塊和曲柄平衡重的重力定義方法是設(shè)置固定于滑桿和曲柄上的球的重量,其方向始終豎直向下。抽油機系統(tǒng)的外力為懸點載荷,作用于游梁前端,其方向始終豎直向下,懸點載荷值是曲柄轉(zhuǎn)角的分段函數(shù)。懸點載荷由動載荷和靜載荷組成,靜載荷包括抽油桿柱自重、柱塞上的液柱重量、柱塞下端的液柱壓力;動載荷則包括抽油桿和液柱的慣性載荷、振動載荷以及柱塞與泵筒、抽油桿和油管之間的摩擦載荷[4]。據(jù)文獻 [4]寫出懸點載荷值各組成部分的分段函數(shù),在ADAMS軟件中采用IF函數(shù)施加分段階躍力,經(jīng)過后處理曲線的運算,可得到各分段函數(shù)的曲線,經(jīng)疊加后形成一個循環(huán)中懸點的載荷曲線 (見圖3)。

5 仿真結(jié)果

改進前、后游梁中心軸承在X方向受力曲線如圖3所示,從圖3可以看出,改進前、后中心軸承的受力規(guī)律并沒有改變,但受力的大小則發(fā)生了變化,改進前最大值為80.404kN,最小值為-11.782kN;改進后的最大值是75.235kN,最小值是-10.264kN,說明最大值有所減小,而最小值有所增大。因此,改進后游梁中心軸承的最大應(yīng)力將減小6.43%,同時受力變化幅度也得以降低,增強了中心軸承的抗疲勞破壞能力。

曲柄扭矩代表了抽油機的平衡性能,是衡量游梁式抽油機能耗指標的重要參數(shù)。改進前、后曲柄凈扭矩曲線如圖4所示,可以看出,改進前峰值扭矩為96.55kN·m,改進后峰值扭矩為92.54kN·m,比改進前相減小了4.15%,這說明改進后抽油機的平衡性能得到了改善,具有較好的節(jié)能效果。

圖3 改進前后游梁中心軸承X方向受力曲線

圖4 改進前后曲柄凈扭矩曲線

6 結(jié) 論

1)與傳統(tǒng)的力學(xué)推導(dǎo)和編程方法相比,采用ADAMS軟件能夠方便地進行隨動復(fù)合平衡抽油機的動力學(xué)分析,可以避免繁瑣的公式推導(dǎo)過程并減少物理樣機制造及試驗次數(shù),從而縮短產(chǎn)品研制周期、減少研發(fā)費用。

2)對隨動復(fù)合平衡抽油機的ADAMS動力仿真表明,與異相型曲柄平衡抽油機相比,隨動復(fù)合平衡抽油機的游梁中心軸承的受力情況和平衡性能均得到了改善,既提高了抽油機的疲勞壽命,又具有較好的節(jié)能效果。

[1]姜士湖,楊秀娟,閆相禎,等.一種新型平衡式游梁抽油機的仿真分析 [J].石油學(xué)報,2005,26(1):117～120.

[2]華劍,童新華.隨動復(fù)合游梁平衡抽油機運動學(xué)研究 [J].石油礦場機械,2009,38(4):13～15.

[3]孟慶沂,賈建新,譚利華,等.抽油機游梁尾端的彎梁滑動輔助平衡裝置 [J].石油機械,2005,33(5):55～56.

[4]董世民,張士軍.抽油機設(shè)計計算與計算機實現(xiàn)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[5]鄔亦炯,劉卓均.抽油機[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[6]張建軍,李向齊,石惠寧.游梁式抽油機設(shè)計計算 [M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

[7]范成建,熊光明,周明飛.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[8]鄭凱,胡仁喜,陳鹿民,等.ADAMS 2005機械設(shè)計高級應(yīng)用實例 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.