摩擦换向抽油机柔性轮节能改造设计及其疲劳分析

2013-01-07 05:37陆荣

装备制造技术 2013年5期

陆荣

（沈阳农业大学高等职业技术学院，辽宁沈阳 110122）

摩擦换向抽油机是一种新型机电一体化、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80%以上）。有很高的经济性，可比普通游梁式抽油机节能30%以上。系统启动电流小、转矩大，适合频繁正反转的工作场合[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，动力源一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，本文提出设计一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入摩擦轮中，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R=410 mm；

悬点载荷[2]为Px=45 kN；配重为P*=45 kN。

柔性摩擦轮的摩擦圈的摩擦系数为f=0.5，则摩擦轮所受摩擦力为：

F=f（Px+P*）=0.5×（45+45）=45 kN

摩擦轮因摩擦力所产生的力矩为：

T=FR=45 000×0.41=18 450 kN

取T=18 500 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1所示。

表1 弹簧物理数列表性能参

（2）弹簧中心线分布圆直径

（3）弹簧的受力分析与计算

设每段弹簧受力为Ft共有6段弹簧，则由力矩平衡可知：

由式（3）得：

参照GB2089-80标准设计弹簧尺寸[3]，计算结果列入表2。

表2 弹簧设计尺寸列表

2 节能分析

2.1 理论分析

众所周知，当抽油机把液体从某一深度向上举升时，一部分输入能量转化成光杆的有效功，而另一部分以热损失的形式消耗掉了。显然，对于一定的有用功，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一定的比例关系。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]。

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：Px=45 kN；

电机的启动时间：t0=0.2 s；

抽油杆平稳上升速度：ν0=0.6 m/s；

抽油杆及油的加速度：

抽油杆及油的附加惯性力：

由以上数据可知：

常规型摩擦换向抽油机所需功率：

柔性型摩擦换向抽油机所需功率：

式中：

R为柔性摩擦轮半径，R=41 mm；

nH为电机转速，nH=1 000 r/min；

i为摆线针轮减速器传动比，i=71；

η为摆线针轮减速器效率，η=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[4～5]。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。