基于CATIA/ADAMS油田抽油減速機建模

王志達， 龐在祥

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012; 2.長春工業大學 工程訓練中心， 吉林 長春 130012)

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基于CATIA/ADAMS油田抽油減速機建模

王志達1， 龐在祥2*

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012; 2.長春工業大學 工程訓練中心， 吉林 長春 130012)

分析游梁抽油減速機存在的問題，提出了一種新型含撥叉同步器的五級齒輪減速機構，應用CATIA三維造型軟件對其進行三維參數化建模，然后利用ADAMS建立減速機的虛擬樣機模型并進行了仿真分析。

油田； 抽油; 減速機； 建模

0 引 言

游梁式抽油機是目前油田應用最多的三抽采油方式中的主要設備，但隨著油田的不斷開發，不斷進行加密調整，低產油井增多和含水量的增加使單位能耗上升趨勢加快，系統節能問題日益突出。這就要求抽油機具有長沖程、大負荷、能耗低、體積小、重量輕等性能。然而游梁式抽油機的特點不能滿足日益發展的油田開發需求[1-6]。為了解決油井生產動態中油液供不應抽的矛盾，文中設計了一款含撥叉同步器以及卵形齒輪的五級齒輪減速器。應用CATIA三維造型軟件對其進行三維參數化建模，然后利用ADAMS建立減速機的虛擬樣機模型，并對該機構進行仿真分析，為抽油減速機有限元分析提供依據,為其動態優化提供指導。

1 油田抽油減速機工作原理

我國油田普遍存在電機平均負荷率低的現象,即通常所說的“大馬拉小車”現象。為了應對此現象，通過調小沖次,調小電機來解決。但每種型號的電機只有幾種沖次可以調節(調速電機又不適合抽油機低沖次運行),在一些供液不足井沒有足夠小的沖次來滿足要求。文中通過應用由撥叉同步器和卵形齒輪構成的新型五級齒輪減速器，通過“撥叉同步器”來實現減速器快、中、慢三級變速。根據油田的實際工況選擇合適的沖程，手動調節撥叉同步器以更換檔位變速，省去依靠換電機或換皮帶輪等繁雜步驟，使減速機實現調速。并根據負載的情況調節電機運轉速度，實現抽油機電機變頻調速控制。在滿足油田抽油機低沖次節拍的前提下，實現抽油機在更低的沖次上能夠平穩、勻速、安全、可靠地運行，達到降低沖次，提高電機負載率及系統效率，降低耗電量的目的。

新型抽油減速機由箱體、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、軸承端蓋及其他構件組成。撥叉同步器具備手動換檔調速功能，人為推動變速桿后，變速桿帶動撥叉軸，撥叉軸帶動撥叉，撥叉推動齒輪更換嚙合位置從而實現減速機的變速。通過齒輪間的嚙合可將電機動力傳輸到安裝在箱體上的撥叉軸、共用齒輪軸、中間軸、輸出軸，輸入的電機動力首先經過撥叉軸到共用一齒輪軸進行一級減速，然后經過共用二軸進行二級減速，經過中間軸的卵形齒輪時，上沖程速度加快，下沖程速度放慢，進而節能，此過程減速機不進行減速，最終再經過加速,從而輸出想要得到的轉速。

2 油田抽油減速機虛擬樣機建模

2.1 撥叉同步器的構建

根據汽車變速箱的變速原理，設計了可用于油田抽油減速機的撥叉同步器，以實現減速器的手動換檔。撥叉同步器的使用可令減速機根據油田的工況選擇合適的沖程，省去了以往依靠換電機或換皮帶輪等用于節能的繁雜步驟，使減速機輕松實現快、中、慢三級調速，操作更加安全方便。撥叉同步器的機械構造三維模型如圖1所示。

圖1 撥叉同步器三維模型

2.2 齒輪參數化建模

基于三維設計軟件CATIA構建五級齒輪減速器的實體模型。對直齒輪、斜齒輪、卵形齒輪以及撥叉同步器等零部件進行參數化設計，建立虛擬樣機模型。建立齒輪模型所需參數為齒輪模數m、螺旋角β、齒數z、壓力角α和分度圓直徑d，中心距a。其中各參數分別滿足以下公式：

齒數之比=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:

式中: Mt----端面模數；

Mn----法面模數；

β----螺旋角。

斜齒分度圓直徑：

斜齒中心軸距：

針對本五級齒輪減速器的各級齒輪參數見表1。

表1 齒輪幾何參數

此外，本五級齒輪減速器創新性地添加了卵形齒輪，卵形齒輪相對其他齒輪可以使傳動更加平穩，防止出現齒輪折斷現象。對于卵形齒輪的建模采用CAXA與CATIA相結合的方式。首先在CAXA中建立極坐標方程：

e=0.325(e≤1/3)

a=205

b=a(1+e)=271.625

c=a(1-e)=138.375

保存成.igs格式導入CATIA中，通過點線不同的結合方式實現齒形尺寸的確定。

齒數:

弧長:

S=Pi×m×z

變傳動比:

式中:α----主動輪旋轉角。

除卵形齒輪外，斜齒輪傳動與直齒輪傳動相比較，嚙合性能好，傳動平穩、噪音小、重合度大，降低了每對齒輪的載荷，提高了齒輪的承載能力，不產生根切的最少齒數少。

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

外嚙合:

內嚙合:

最終依據應有位置約束關系裝配得到五級齒輪減速器的裝配模型，具體機械結構如圖2所示。

圖2 五級齒輪減速機三維模型

2.3 虛擬樣機模型的建立

首先在CATIA中添加以下約束：設定各級齒輪軸與齒輪添加固定副，將各轉動軸與齒輪Add Moving Part，將模型導出.cmd格式文件，然后在ADAMS/View中import(導入)該.cmd格式文件，各齒輪軸與地面間添加旋轉副，從而建立五級齒輪減速器，如圖3所示。

圖3 減速器虛擬樣機模型

3 動力學仿真

3.1 虛擬樣機添加約束、驅動及負載

在輸入軸上添加Rotational Joint Motion，同時為了使負載不發生突變，分別給出參數，使用STEP函數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，在輸出軸添加負載torque，大小為486 000，齒輪材料取45#鋼，根據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----接觸強度系數;

R1、R2----分別為兩齒輪接觸半徑。

計算得到高、中、低各轉速級參數見表2。

表2 三級轉速軸參數表

3.2 虛擬樣機仿真

進行仿真準備，設定仿真Duration=0.3 s，Step Size=0.000 1 s開始進行動力學仿真，最終所得仿真效果分別如圖4～圖9所示。

圖4 高速級輸入軸轉速隨時間變化曲線

圖5 高速級輸出軸齒輪嚙合力隨時間變化曲線

圖6 中速級輸入軸轉速隨時間變化曲線

圖7 中速級輸出軸齒輪嚙合力隨時間變化曲線

圖8 低速級輸入軸轉速隨時間變化曲線

圖9 輸出軸齒輪嚙合力隨時間變化曲線

根據相關公式進行理論計算得到高、中、低速三級輸入軸轉速同為4 380 rad/s，而撥叉軸轉速分別為高速級3 824 rad/s，中速級2 162 rad/s，低速級1 177 rad/s。通過輸出軸齒輪嚙合力隨時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。但是由于齒輪傳動過程中存在振動和沖擊，使得曲線的波動性較大。造成波動性較大的原因有以下幾個方面:

1)模擬仿真過程中對參數的取值存在一定誤差，包括阻尼系數、摩擦系數等，并且理論值計算沒有考慮這些因素；

2)齒輪在裝配過程中沒有裝配好。

對于上述問題，通過在CATIA軟件完善實體模型，并作干涉和碰撞檢查；通過修正參數，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。

4 結 語

通過對油田抽油減速機結構的分析，應用三維造型軟件完成了油田抽油減速機的三維模型和虛擬裝配，為油田抽油減速機的仿真分析提供了樣機模型。并通過動力學仿真軟件ADAMS對其進行了仿真分析，發現齒輪嚙合狀態下存在的問題及解決方式，為抽油減速機有限元分析提供依據并為其動態優化提供指導。

[1] 沈兆奎,孫旭川.游梁式抽油機的節能研究[J].天津理工大學學報，2013,29(2):15-19.

[2] 武衛麗,焦培林,彭利果,等.抽油機節能技術研究綜述[J].重慶科技學院學報:自然科學版,2009，11(4)：111-113.

[3] 李紅才,秦德福,魚崗,等.節能型超低沖次抽油機技術研究[J].石油礦場機械,2010,39(5):49-51.

[4] 張彬,綦耀光,丁峰.游梁式抽油機實現低沖次的方法比較[J].現代制造技術與裝備,2010(4):42-44.

[5] 蘇德勝.游梁式抽油機節能機理綜述[J].石油機械，2001,29(5):49-53.

[6] 黃秀華，韓志昌，丁建國，等.游梁式抽油機[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，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

吉林省發改委產業技術研究與開發項目(2014Y132)

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