三維設(shè)計(jì)在新型抽油機(jī)減速器開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

陳子洋　鄭倩　趙關(guān)一玲　崔雙　石成江　包瑞新

摘 要：針對(duì)油梁式抽油機(jī)系統(tǒng)存在的耗能高、效率低等情況，在現(xiàn)有常規(guī)圓柱齒輪減速器技術(shù)參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型封閉行星輪系節(jié)能減速器。該減速器采用齒輪、鏈條混合傳動(dòng)，其傳動(dòng)比、安裝尺寸及輸出轉(zhuǎn)矩與抽油機(jī)在用的一種減速器相吻合。確定了減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式并繪制了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，分配了齒輪、鏈輪的齒數(shù)，計(jì)算了傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。運(yùn)用SoildWorks對(duì)其各個(gè)零件進(jìn)行建模，并構(gòu)建裝配體模型，做相應(yīng)的干涉檢查。針對(duì)該減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討了其增加啟動(dòng)能力，消除抽油機(jī)“倒發(fā)電”現(xiàn)象的可行性。從而減小抽油機(jī)電機(jī)的功率配置，提高電機(jī)載荷率和效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

關(guān)鍵詞：減速器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；Soildworks三維繪圖

中圖分類號(hào)：TD214 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

游梁式抽油機(jī)是目前機(jī)械采油的一種主要設(shè)備，它具有歷史悠久、可靠性高、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，具有不可替代的地位。但是游梁式抽油機(jī)存在著工作效率低和耗能高問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的齒輪、鏈條混合傳動(dòng)行星減速器，其目的是替換抽油機(jī)中的圓柱齒輪減速器，在保證可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.齒輪、鏈條行星減速器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 齒輪/鏈條混合傳動(dòng)行星減速器設(shè)計(jì)參數(shù)

本減速器的傳動(dòng)比為i=29，允許的傳動(dòng)比誤差為Δi=0.05。

1.2 齒輪/鏈條混合傳動(dòng)行星減速器的基本結(jié)構(gòu)及原理

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)兩種原理混合應(yīng)用，構(gòu)成一個(gè)封閉行星輪系，實(shí)現(xiàn)平行三軸齒輪、鏈條混合傳動(dòng)，完成變速（降速）要求。減速器中的齒輪傳動(dòng)路徑和鏈條傳動(dòng)路徑分別傳遞功率，實(shí)現(xiàn)功率的分流和匯流。在設(shè)計(jì)中，合理進(jìn)行功率分配可充分發(fā)揮齒輪傳動(dòng)和鏈條傳動(dòng)的能力。

傳動(dòng)原理如下：

外部動(dòng)力由輸入軸13上的齒輪Z1、齒圈12上的齒輪Z2傳遞到齒圈上，齒圈圍繞中間軸回轉(zhuǎn)，齒圈12上的齒輪Z3帶動(dòng)行星齒輪Z4也圍繞中間軸14回轉(zhuǎn)；一部分動(dòng)力經(jīng)過(guò)行星架、鏈輪Z6、鏈條9、鏈輪Z10傳遞到輸出軸15上；另一部分動(dòng)力經(jīng)過(guò)行星齒輪Z4、中間軸14上的齒輪Z5和齒輪Z7、輸出軸15上的齒輪Z8傳遞到輸出軸15上；兩部分動(dòng)力在輸出軸15上合成后輸出到工作機(jī)械，如圖1所示。

1.3 傳動(dòng)比的計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的減速器既包含定軸輪系，又包含周轉(zhuǎn)輪系，是一個(gè)復(fù)合輪系。其傳動(dòng)比的正確計(jì)算方法是將其所包含的各部分周轉(zhuǎn)輪系和定軸輪系各自分開(kāi)，并分別列出其傳動(dòng)比計(jì)算式，再聯(lián)立求解。

2.用SoildWorks進(jìn)行零件的三維建模和模擬裝配

首先，通過(guò)計(jì)算設(shè)定好齒輪、鏈輪的齒數(shù)、模數(shù)和齒寬以及軸的直徑和軸距等參數(shù)，再進(jìn)行零件的三維建模用以裝配和干涉檢查。繪制的三維模型可為后續(xù)的有限元分析作準(zhǔn)備。

2.1 三維零件圖的繪制

在繪制減速器三維裝配圖時(shí)，首先進(jìn)行各個(gè)零件的建模，繪制各零件圖。然后根據(jù)各個(gè)零件尺寸關(guān)系及結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行裝配圖繪制。

繪制的齒輪、鏈輪和軸等典型零件圖如圖2所示。

2.2裝配圖繪制與干涉檢查

建立裝配圖并對(duì)各個(gè)零件間添加配合后便可得到減速器裝配圖如圖3所示。

SolidWorks裝配體中應(yīng)用干涉檢查命令，可以檢查出減速器各零件之間的干涉情況，經(jīng)檢查該減速器不存在干涉情況。

3.齒輪鏈條混合傳動(dòng)行星減速應(yīng)用可行性分析

游梁式抽油機(jī)耗能高的原因?yàn)椋阂皇菫楸ＷC抽油機(jī)重載啟動(dòng)，電機(jī)功率配置時(shí)留有很大余量，導(dǎo)致抽油機(jī)正常工作時(shí)電機(jī)負(fù)載率低，效率低下，耗能高；二是抽油機(jī)載荷是一種重力型負(fù)載，在下沖程時(shí)，存在著“倒發(fā)電”現(xiàn)象，也影響電機(jī)效率。

本文設(shè)計(jì)的減速器，由于有鏈條傳動(dòng)這個(gè)環(huán)節(jié)，利用鏈條傳動(dòng)反向間隙大的特點(diǎn)，解決上述兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)想如下：

（1）在抽油機(jī)重載啟動(dòng)時(shí)，可以先將電機(jī)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)，讓鏈條一側(cè)處于松弛狀態(tài)；然后再正向啟動(dòng)電機(jī)，拖動(dòng)負(fù)載。這樣電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)始暫短時(shí)間內(nèi)，減速器中的松弛一側(cè)鏈條會(huì)逐漸繃緊，而此時(shí)減速器輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，即外界負(fù)載未施加到電機(jī)上，電機(jī)只帶動(dòng)減速器中的部分零件回轉(zhuǎn)。這個(gè)暫短時(shí)間過(guò)后，繃緊的鏈條及齒輪開(kāi)始將電機(jī)能量及減速器中轉(zhuǎn)動(dòng)零件前期儲(chǔ)存的能量共同輸出到減速器的輸出軸，帶動(dòng)外界負(fù)載。

（2）當(dāng)抽油機(jī)下行時(shí)，重力載荷會(huì)反過(guò)來(lái)帶動(dòng)其輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入軸又經(jīng)過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)重力載荷繼續(xù)作用，就可能出現(xiàn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)速超過(guò)其理想空載轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于“倒發(fā)電”狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的減速器，當(dāng)其輸出軸反向帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用鏈條另一側(cè)間隙，就可以緩解電機(jī)的“倒發(fā)電”現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)測(cè)量，抽油機(jī)“倒發(fā)電”存在的時(shí)間很短，利用這種具有傳動(dòng)間隙的減速器，理論上可以緩解“倒發(fā)電”現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

文中完成了一種新型減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用SoildWorks完成了零件建模及裝配圖繪制，經(jīng)檢查無(wú)干涉現(xiàn)象，說(shuō)明該種減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是正確的。根據(jù)該種減速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能在一定程度上解決導(dǎo)致抽油機(jī)能耗高的兩個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

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