牛曙光，薛　琳，季亞蕓

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110168）

鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)換向系統(tǒng)研究

牛曙光1，薛琳2，季亞蕓1

（1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110168）

摘要：作為一種長(zhǎng)沖程節(jié)能型抽油機(jī)，目前其核心結(jié)構(gòu)——換向系統(tǒng)故障率較高.本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)換向機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，提出用對(duì)稱式雙鏈條同步運(yùn)行機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單側(cè)鏈換向機(jī)構(gòu).為鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的制造提供更可靠的理論基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)；動(dòng)力學(xué)；換向系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)研究

針對(duì)油田對(duì)低沖次、高能源利用率抽油機(jī)的需求，研制長(zhǎng)沖程抽油機(jī)對(duì)緩解我國(guó)老油田產(chǎn)量過(guò)低、高含水開發(fā)有著非常重要的意義.其中的鏈條抽油機(jī)，在很多方面都具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、耗能少、沖次低、沖程長(zhǎng)、懸點(diǎn)加速度變化小、慣性載荷小、運(yùn)行平穩(wěn)、減速器額定扭矩小和易于安裝等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了普遍發(fā)展.但是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，存在著換向系統(tǒng)故障率較高的問(wèn)題.換向系統(tǒng)是整個(gè)鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的核心部分，換向架、軌跡鏈條、換向軸、鏈輪、鏈輪支撐機(jī)構(gòu)等是整個(gè)換向系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的優(yōu)劣直接決定著換向系統(tǒng)的使用壽命，乃至整臺(tái)抽油機(jī)的機(jī)械性能.

1　鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)動(dòng)力學(xué)分析及換向系統(tǒng)的改進(jìn)

1.1傳統(tǒng)鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)軌跡鏈條受力特點(diǎn)

鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的軌跡鏈條通過(guò)特殊鏈節(jié)和主軸銷與換向架相連，把電動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閼尹c(diǎn)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使得鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的沖程只與上下鏈輪中心距和半徑有關(guān)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程.傳統(tǒng)鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)軌跡鏈條受力如圖1所示.由于套筒滾子鏈的特殊結(jié)構(gòu)和要達(dá)到換向架換向的目的，使得軌跡鏈條運(yùn)行平面和換向架不在同一平面內(nèi)，其間有一定的偏心距e.這一偏心距的存在使軌跡鏈條的受力不甚合理.在鏈條運(yùn)行平面內(nèi)，由力平衡關(guān)系F = P + Q，得換向軸所受載荷：P = F - Q .

將P等效轉(zhuǎn)化到特殊鏈節(jié)上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力偶Mp，以下研究側(cè)向附加力偶Mp對(duì)鏈條的影響.根據(jù)靜力學(xué)公式計(jì)算鏈條所受附加彎矩為：

由上式可以看出，距特殊鏈節(jié)越近，鏈板所承受的附加彎矩越大，因此附加正應(yīng)力σP在各鏈節(jié)處是不相同的，且與特殊鏈節(jié)相連的鏈節(jié)處最大，取鏈條節(jié)距為P，則

在與鏈條運(yùn)動(dòng)相垂直的平面內(nèi)，距離彎曲中性面最遠(yuǎn)的是鏈條外鏈板，所以外鏈板上作用有最大附加正應(yīng)力σp max.外鏈板慣性矩J為

式中：Z——鏈板各平面到中性面的距離（mm），其中Zmax= 2δ+ h；

δ——鏈板厚度（mm）；

h——外連接內(nèi)寬（mm）；

b——截面處鏈板寬度（mm）.

故該截面上的最大附加正應(yīng)力為：

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷F（包括靜載荷和動(dòng)載荷）和平衡配重載荷Q（當(dāng)實(shí)現(xiàn)較好的平衡時(shí)，其值為最大懸點(diǎn)載荷與最小懸點(diǎn)載荷之和的一半）不是直接作用在軌跡鏈條上，而是由鋼絲繩傳至往返架，再由往返架通過(guò)特殊鏈節(jié)傳到軌跡鏈條上，這樣便產(chǎn)生一個(gè)由載荷所在平面到鏈條運(yùn)行平面的偏心距e.由于力偶的存在，使軌跡鏈條在一種既有軸向拉伸，又有側(cè)向彎曲的復(fù)雜受力狀態(tài)下工作，從而發(fā)生早期失效.

從以上的分析可以看出，鏈條抽油機(jī)軌跡鏈條的載荷偏心產(chǎn)生的附加力偶造成鏈條側(cè)向彎曲，這種側(cè)向彎曲是軌跡鏈條早期失效的主要原因.如果再考慮到換向沖擊和側(cè)向彎曲引起的鏈板局部磨損，造成鏈板強(qiáng)度減弱和疲勞等因素的綜合影響，可想而知鏈條抽油機(jī)的軌跡鏈條受力情況是十分惡劣的，鏈條發(fā)生早期失效是必然的.

1.2新式換向系統(tǒng)受力分析

為解決傳統(tǒng)鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)由于附加力偶導(dǎo)致軌跡鏈條早期失效的問(wèn)題，對(duì)換向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)（見圖2）.在換向系統(tǒng)中新增了一條主動(dòng)鏈，兩主傳動(dòng)鏈對(duì)稱安裝同步運(yùn)行.

圖2　新式換向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

在與鏈條運(yùn)行平面平行的平面內(nèi)，懸點(diǎn)載荷通過(guò)鋼絲繩作用于換向架的左右兩側(cè)，并保證兩股鋼絲繩的距離大于鏈輪直徑，這樣可以使主動(dòng)力F在兩懸點(diǎn)載荷之間，解決了因主動(dòng)力F與懸點(diǎn)載荷的偏距導(dǎo)致的換向架上的導(dǎo)輪承受的正壓力.在垂直于鏈條運(yùn)行平面內(nèi)，兩主動(dòng)鏈條分布在換向架的兩側(cè)，換向架在中間運(yùn)行，換向軸由單側(cè)與鏈條連接變?yōu)殡p側(cè)與鏈條連接，負(fù)載由作用于換向軸的一端變?yōu)樽饔迷趽Q向軸的中間.將換向軸看做梁，其形式由外伸梁變?yōu)楹?jiǎn)支梁，根據(jù)靜力學(xué)分析可知，新型換向軸鉸點(diǎn)處附加彎矩為0，即鏈條不再受附加力偶的影響，只承受正常的拉伸載荷，因此可以根據(jù)正常計(jì)算值選取鏈條型號(hào).同時(shí)，換向架導(dǎo)輪的側(cè)面也就不受力，大大減小了鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的故障率，提高了鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的可靠性，并減小了機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中的摩擦能耗.

1.3鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)樣機(jī)的制造

根據(jù)前述換向系統(tǒng)受力分析，總結(jié)了解前人對(duì)游梁式抽油機(jī)試驗(yàn)研究方法，制作了鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的樣機(jī)模型（見圖3），并且根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器儀表建立了鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng).利用本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)為下一步實(shí)際鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的制造和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供充足的數(shù)據(jù)支持.

2　鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)運(yùn)動(dòng)性能影響因素分析

取鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的最大沖次為6次/min，沖程S分別取6，4.5，3.5，3 m，鏈輪半徑R為144 mm，對(duì)鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的懸點(diǎn)位移、速度及加速度的變化進(jìn)行了分析，并借助于MATLAB進(jìn)行編程，得到懸點(diǎn)速度、加速度曲線如圖4～5所示.

圖4　懸點(diǎn)速度曲線

圖5　懸點(diǎn)加速度曲線

從圖4和圖5可以看出，新型鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)性能與沖程有密切關(guān)系.顯而易見，隨著時(shí)間的變化，懸點(diǎn)的速度、加速度、位移的變化趨勢(shì)并不因沖程不同而出現(xiàn)變化，在相同的時(shí)間點(diǎn)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨著沖程的增大而增大，反之亦然.懸點(diǎn)位移在抽油機(jī)上下沖程中都按照簡(jiǎn)諧規(guī)律變化，而速度及加速度僅在換向時(shí)間段內(nèi)按簡(jiǎn)諧規(guī)律變化.當(dāng)懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)時(shí)，速度為零，而加速度最大；反之，在上死點(diǎn)時(shí)，速度為零，而加速度最??；當(dāng)速度處于最大的時(shí)間段內(nèi)，加速度為零，與前面分析一致.

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)換向系統(tǒng)受力的理論分析，闡述了原有鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)換向系統(tǒng)易發(fā)生故障的原因，并提出采用雙鏈條同步運(yùn)行機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的單側(cè)鏈機(jī)構(gòu)，使換向軸和鏈條的受力更加合理，從而降低鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)的故障率.依據(jù)本文分析結(jié)果制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試.雖然測(cè)試環(huán)境與實(shí)際工況有所區(qū)別，但在測(cè)試過(guò)程中實(shí)驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，可以為后期整機(jī)的制造提供一定的參考.

參考文獻(xiàn)：

［1］張銀鴿.新型鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)研制與仿真研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

［2］申彥剛.抽油機(jī)在我國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)初探［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（1）：71.

［3］牛曙光，趙硯虹.長(zhǎng)沖程鏈?zhǔn)揭簤撼橛蜋C(jī)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2005（8）：45-46.

［4］俞慶，李仁興.基于MATLAB技術(shù)的后置型游梁式抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2010（2）：69-71.

［5］WEATHERFORD, Inc. Reciprocating Rod-lift System［J］. Pumping Units, 2009, 22：72-75.

［6］袁新梅，董小慶，施廷鋒，等.基于Workbench的鏈條抽油機(jī)鏈板疲勞壽命分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（3）：77-79.

A Research on the Revering System of Chain-driven Pumping Unite

NIU Shuguang1, XUE Lin2, JI Yayun1
（
1. School of Mechanical Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China；2. Siasun Robot & Automation Co., Ltd, Shenyang 110168, China）

Abstract：At present, as a kind of long stroke energy-saving pumping unit, the reversing system failure rate of its core structure is higher. Based on the analysis of the force of the reversing mechanism of the traditional chain pumping unit, this paper proposes the use of the symmetrical double chain synchronous operation mechanism to replace the traditional single side chain reversing mechanism to provide more reliable theoretical basis as well as a certain reference value for the chain pumping unit manufacturing research methods and achievements of the development of the chain pumping unit.

Key words：the chain pumping unit；dynamics；switching system；the experiment research

中圖分類號(hào)：TE933

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-2794（2016）02-0025-03

收稿日期：2015-12-26

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐項(xiàng)目“長(zhǎng)沖程鏈?zhǔn)匠橛蜋C(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”（BE2011096）

通信作者：牛曙光，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：石油機(jī)械、電梯工程和特種加工，E-mail：niushuguang2000@163.com.