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摩擦换向抽油机柔性轮节能改造设计及其疲劳分析

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  • 发布时间:2014-10-07
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摩擦换向抽油机是-种新型机电-体化、高效节能的采油设备。该设备是由开关磁阻电机、摆线针轮减速机、摩擦传动机构组成,另设有控制柜。该工作系统装机容量低,机械效率高(可达 8O%以上)。有很高的经济性,可比普通游梁式抽油机节能 3O%以上。系统启动电流孝转矩大,适合频繁正反转的工作诚1。但由于摩擦换向抽油机的频繁换向,升降机械在正转-停车-反转”的变换时刻,加速度较大 ,加之较大的载荷,对工作系统中的各个机械零部件(如减速器轴上的针轮轴承、钢丝绳等)都有很大的冲击 ,使得系统的功率需求波动幅度很大,动力源- 直工作在不稳定状态下 ,影响电机的使用寿命及抽油机机械机构的使用寿命。

基于上述问题的存在,本文提出设计-种机构将螺旋弹簧引进摩擦轮,缓解抽油机在正反转时产生的冲击载荷,旨在减小电机的瞬间启动力矩,减缓速度突变 ,降低并稳定电机功率 ,最终达到减轻冲击 ,节能降耗 ,从而提高整个工作系统使用寿命的效果。

1 柔性摩擦轮的设计方法柔性摩擦轮是将螺旋弹簧装人摩擦轮中,利用弹簧的拉压变形将正反转时所产生的冲击能,存储到弹簧中,从而达到减小冲击 、降低电机功率、提高抽油机寿命的目的。柔性摩擦轮中弹簧的结构如图 1所示 。

图 1 柔性摩擦轮结构示意图1.1基本参数的确定摩擦轮外径D 852 mm;摩擦轮与牵引钢缆接触半径 R410 mm;悬点载荷f2 为 45 kN;配重为 45 kN。

柔性摩擦轮的摩擦圈的摩擦系数为厂0.5,则摩擦轮所受摩擦力为:F )0.5×(4545)45 kN摩擦轮因摩擦力所产生的力矩为:TFit45 000×0.41 18 450 kN取 T18 500 N·m。

1.2弹簧机构的设计(1)弹簧材料的选取根据工况条件可知,此处弹簧属于 Ⅱ类弹簧,材料选用 60Si2CrVA,其性能如表 l所示。

表 1 弹簧物理数列表性能参屈服极限l强度极限I仲长率I断面收缩串l许用切应力l许用弯曲应力l切变弹性模量I弹性模tit(M l O-b(M I 6lo≥ I ≥ l 删 I (MPa) G(G f (cPa)1 700 1 1 90O l 6% I 20% I 745 l 932 l 78.5 l 196(2)弹簧中心线分布圆直径: (1.9 2.2) :2.0× 丽 528.96 mm,取 D2529 mm收稿 日期 :2013-02-09作者简介:陆 荣(1978-),女,辽宁沈阳人,工程师,在读博士研究生,主要研究机械设备诊断维修及可靠性。

16《装备制造技术)2013年第5期(3)弹簧的受力分析与计算设每段弹簧受力为 共有 6段弹簧,则由力矩平衡可知:6 3 (3)由式(3)得: 击 57参照 GB2089-80标准设计弹簧尺寸3],计算结果列人表 2。

表 2 弹簧设计尺寸列表材料直径f中径l内径外径 变量l有效圈l总圈散I刚度II节距PI间距6 J螺旋角I自由高度J工作高度(mm1 Iv (mm (mml D0(r-吼 (-mnl教(圈)I(啊)l(N,n I(r-吼I姗l ·)l Ho(mm)I 衄l8 l 100 l 82 I 118 I 55 l 5 I 7 l 206 l 32 l 14 l 6 l 187 l 1322 节能分析2.1理论分析众所周知,当抽油机把液体从某-深度向上举升时,-部分输人能量转化成光杆的有效功,而另-部分以热损失的形式消耗掉了。显然,对于-定的有用功,热损失越小 ,则地面效率越高。摩擦换向抽油机总的热损失是电流和功率波动量的函数,而这种波动量又与抽油机扭矩的变化成-定的比例关系。

在其它条件相同时,抽油机扭矩变化越大,则电流的均方根值就越接近电流的平均值,能量损失就越小,抽油机的地面效率就越高[1。

1.常规型摩璨换向抽油机 2.柔性型摩擦换 向抽油机图 2 摩擦换向抽油机扭矩变化曲线从图 2可以看出,柔性型摩擦换向抽油机的最大扭矩明显下降,而最小扭矩却明显增大,此作用可归功于缓冲机构中弹簧的作用结果,所以柔性型摩擦换向抽油机的扭矩变化相对均匀得多,可以说它的热能损失较小,地面效率较高。

2.2 电机节能计算由前面计算可知悬点载荷为: 45 kN;电机的启动时间:t。0.2 S;抽油杆平稳上升速度:/:00.6 rids;抽油杆及油的加速度:口: : :3 m/s2to j。

抽油杆及油的附加惯性力 :: 旦 Ⅱ: ×3:13 775.5 N由以上数据可知:常规型摩擦换向抽油机所需功率:: ! ±2 95 50切-(45 00013 775.5)×O.41×1 0009 550×71×0.9238.63 kW柔性型摩擦换向抽油机所需功率:: : Q: Q95 5O 叼 9 550X 71 X0.9229.58 kW式中:为柔性摩擦轮半径,R41 mm;n 为电机转速,n日1 000 r/min;i为摆线针轮减速器传动比,i71;叼为摆线针轮减速器效率, 0.92。

由以上计算所得数据可知,加入缓冲机构后,大大地节省了电机的功率,提高了抽油系统的效率。

3 弹簧的有限元分析3.1实体模型的建立由于弹簧的疲劳破坏是发生在弹簧实体上,即需要对弹簧实体进行网格的划分与有限元计算从而确定其破坏点,故需要对弹簧进行三维实体建模。由于 ANSYS建模的能力较弱 ,虽然其能够与其他CAD/CAE软件进行接口处理,但出于对网格的划分质量与计算的精度考虑,本实体模型采用 APDL语言编程的方式,来完成模型的建立工作 。在建模过程中,通过综合考虑网格质量、边界条件的处理以及计算效率等因素,在局部区域做了网格细化,如图3所示。

l f图 3 弹 簧立体模型 图 4 弹簧应 力云图对弹簧-端进行全自由度约束,另-端加载面载荷,进行求解,通过后处理,显示出 von mises云图,如图 4所示。从云图中可以看到弹簧的内侧所受应力较大,而最大应力发生在靠近约束端与加载端,即靠近两端的位置,如图5所示。

3.2弹簧疲劳分析计算通过对应力云图的分析,可以得知应力最大点17Equipment Manufacturing Technology No.5,2013为 Node25 215,根据相应的技术指标要求,利用ANSYS的Fatigue进行疲劳分析,其结果如图6所示 ,从而得到弹簧的许用次数为 3 157 000次 ,按弹簧每分钟承受6次冲击计算,此弹簧可工作365天。

图 5 弹簧应力最大处云图PERFOlt' TlqlE 0RLC1JLRT啪 r LO∞ tl0N I HOnE 扭- POT$ Tl捌 E CnLCU l1ON - I0CAT1OH I 啪 E 2S215I Nt/hOgDg l l v1 Hn l 2 8uelpnOmICB kTEnH lIHG 81 (0 Lt' - .22696Ele kllTlf T/UIP - 日.∞ ∞ CYCLE8 USED/flLLOD - 口.Se蚺 ·口 口.3iS挂 ·神 - 册 l虬 USRGE · 1.gB374CU嘲 L-n Ut TI铷 E USRCE I.58374图 6 弹簧疲劳计算结果4 结束语鉴于上述分析得出以下结论:(1)利用螺旋弹簧构造缓冲机构,充分发挥了弹簧的缓冲功能,同时大大减小了电机的功率,降低了整个系统的功耗。

(2)对柔性摩擦轮进行了合理的结构参数的设计。通过结构设计,成功地将缓冲机构引入摩擦轮,在结构上实现了节能与减小冲击的要求。

(3)对主要缓冲部件--螺旋弹簧进行了有限元分析与疲劳计算,从得到的数据中可以看到,弹簧的各项性能能够满足工作环境的需要,为产品的优化设计提供了理论依据及参数指导。在进行 ANSYS有限元分析时,利用 APDL语言进行参数化编程分析可以大大地提高工作效率。

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