摩擦換向抽油機柔性輪節(jié)能改造設(shè)計及其疲勞分析

陸 榮

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122）

摩擦換向抽油機是一種新型機電一體化、高效節(jié)能的采油設(shè)備。該設(shè)備是由開關(guān)磁阻電機、擺線針輪減速機、摩擦傳動機構(gòu)組成，另設(shè)有控制柜。該工作系統(tǒng)裝機容量低，機械效率高（可達80%以上）。有很高的經(jīng)濟性，可比普通游梁式抽油機節(jié)能30%以上。系統(tǒng)啟動電流小、轉(zhuǎn)矩大，適合頻繁正反轉(zhuǎn)的工作場合[1]。但由于摩擦換向抽油機的頻繁換向，升降機械在“正轉(zhuǎn)—停車—反轉(zhuǎn)”的變換時刻，加速度較大，加之較大的載荷，對工作系統(tǒng)中的各個機械零部件（如減速器軸上的針輪軸承、鋼絲繩等）都有很大的沖擊，使得系統(tǒng)的功率需求波動幅度很大，動力源一直工作在不穩(wěn)定狀態(tài)下，影響電機的使用壽命及抽油機機械機構(gòu)的使用壽命。

基于上述問題的存在，本文提出設(shè)計一種機構(gòu)將螺旋彈簧引進摩擦輪，緩解抽油機在正反轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的沖擊載荷，旨在減小電機的瞬間啟動力矩，減緩速度突變，降低并穩(wěn)定電機功率，最終達到減輕沖擊，節(jié)能降耗，從而提高整個工作系統(tǒng)使用壽命的效果。

1 柔性摩擦輪的設(shè)計方法

柔性摩擦輪是將螺旋彈簧裝入摩擦輪中，利用彈簧的拉壓變形將正反轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的沖擊能，存儲到彈簧中，從而達到減小沖擊、降低電機功率、提高抽油機壽命的目的。柔性摩擦輪中彈簧的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性摩擦輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 基本參數(shù)的確定

摩擦輪外徑D*=852 mm；

摩擦輪與牽引鋼纜接觸半徑R=410 mm；

懸點載荷[2]為Px=45 kN；配重為P*=45 kN。

柔性摩擦輪的摩擦圈的摩擦系數(shù)為f=0.5，則摩擦輪所受摩擦力為：

F=f（Px+P*）=0.5×（45+45）=45 kN

摩擦輪因摩擦力所產(chǎn)生的力矩為：

T=FR=45 000×0.41=18 450 kN

取T=18 500 N·m。

1.2 彈簧機構(gòu)的設(shè)計

（1）彈簧材料的選取

根據(jù)工況條件可知，此處彈簧屬于Ⅱ類彈簧，材料選用60Si2CrVA，其性能如表1所示。

表1 彈簧物理數(shù)列表性能參

（2）彈簧中心線分布圓直徑

（3）彈簧的受力分析與計算

設(shè)每段彈簧受力為Ft共有6段彈簧，則由力矩平衡可知：

由式（3）得：

參照GB2089-80標準設(shè)計彈簧尺寸[3]，計算結(jié)果列入表2。

表2 彈簧設(shè)計尺寸列表

2 節(jié)能分析

2.1 理論分析

眾所周知，當抽油機把液體從某一深度向上舉升時，一部分輸入能量轉(zhuǎn)化成光桿的有效功，而另一部分以熱損失的形式消耗掉了。顯然，對于一定的有用功，熱損失越小，則地面效率越高。摩擦換向抽油機總的熱損失是電流和功率波動量的函數(shù)，而這種波動量又與抽油機扭矩的變化成一定的比例關(guān)系。在其它條件相同時，抽油機扭矩變化越大，則電流的均方根值就越接近電流的平均值，能量損失就越小，抽油機的地面效率就越高[1]。

圖2 摩擦換向抽油機扭矩變化曲線

從圖2可以看出，柔性型摩擦換向抽油機的最大扭矩明顯下降，而最小扭矩卻明顯增大，此作用可歸功于緩沖機構(gòu)中彈簧的作用結(jié)果，所以柔性型摩擦換向抽油機的扭矩變化相對均勻得多，可以說它的熱能損失較小，地面效率較高。

2.2 電機節(jié)能計算

由前面計算可知懸點載荷為：Px=45 kN；

電機的啟動時間：t0=0.2 s；

抽油桿平穩(wěn)上升速度：ν0=0.6 m/s；

抽油桿及油的加速度：

抽油桿及油的附加慣性力：

由以上數(shù)據(jù)可知：

常規(guī)型摩擦換向抽油機所需功率：

柔性型摩擦換向抽油機所需功率：

式中：

R為柔性摩擦輪半徑，R=41 mm；

nH為電機轉(zhuǎn)速，nH=1 000 r/min；

i為擺線針輪減速器傳動比，i=71；

η為擺線針輪減速器效率，η=0.92。

由以上計算所得數(shù)據(jù)可知，加入緩沖機構(gòu)后，大大地節(jié)省了電機的功率，提高了抽油系統(tǒng)的效率。

3 彈簧的有限元分析

3.1 實體模型的建立

由于彈簧的疲勞破壞是發(fā)生在彈簧實體上，即需要對彈簧實體進行網(wǎng)格的劃分與有限元計算從而確定其破壞點，故需要對彈簧進行三維實體建模。由于ANSYS建模的能力較弱，雖然其能夠與其他CAD/CAE軟件進行接口處理，但出于對網(wǎng)格的劃分質(zhì)量與計算的精度考慮，本實體模型采用APDL語言編程的方式，來完成模型的建立工作[4～5]。在建模過程中，通過綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量、邊界條件的處理以及計算效率等因素，在局部區(qū)域做了網(wǎng)格細化，如圖3所示。

圖3 彈簧立體模型

圖4 彈簧應(yīng)力云圖

對彈簧一端進行全自由度約束，另一端加載面載荷，進行求解，通過后處理，顯示出von mises云圖，如圖4所示。從云圖中可以看到彈簧的內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力較大，而最大應(yīng)力發(fā)生在靠近約束端與加載端，即靠近兩端的位置，如圖5所示。

3.2 彈簧疲勞分析計算

通過對應(yīng)力云圖的分析，可以得知應(yīng)力最大點為Node=25 215,根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)指標要求，利用ANSYS的Fatigue進行疲勞分析，其結(jié)果如圖6所示，從而得到彈簧的許用次數(shù)為3 157 000次，按彈簧每分鐘承受6次沖擊計算，此彈簧可工作365天。

圖5 彈簧應(yīng)力最大處云圖

圖6 彈簧疲勞計算結(jié)果

4 結(jié)束語

鑒于上述分析得出以下結(jié)論：

（1）利用螺旋彈簧構(gòu)造緩沖機構(gòu)，充分發(fā)揮了彈簧的緩沖功能，同時大大減小了電機的功率，降低了整個系統(tǒng)的功耗。

（2）對柔性摩擦輪進行了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功地將緩沖機構(gòu)引入摩擦輪，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了節(jié)能與減小沖擊的要求。

（3）對主要緩沖部件——螺旋彈簧進行了有限元分析與疲勞計算，從得到的數(shù)據(jù)中可以看到，彈簧的各項性能能夠滿足工作環(huán)境的需要，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)及參數(shù)指導(dǎo)。在進行ANSYS有限元分析時，利用APDL語言進行參數(shù)化編程分析可以大大地提高工作效率。

[1]崔振華，等.有桿抽油系統(tǒng)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

[2]張建成，王樹行，孫 珀.摩擦換向抽油機懸點運動分析計算[J].石油礦場機械，2006，35（5）：70-72.

[3]徐 顥.機械設(shè)計手冊:第4卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[4]薛風(fēng)仙.ANSYS 12.0機械與結(jié)構(gòu)有限元分析：從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.

[5]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.