四连杆抽油机传动机构的运动学及动力学分析.pdf

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1、第11期．力．四连杆抽油机传动机构的运动学及动力学分析杨侠。，郭钊，张向明，岳曲(1．武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430073)(2．武汉明侠机电设备有限公司，湖北武汉430074)[摘要]抽油机是油田开采中用量最大的耗能设备。本文通过对新型的四连杆抽油机传动机构的解析，以牛顿力学为基础，建立了机构运动学、动力学方程，并在此基础上，对该传动机构进行实例验证，结果表明，该机构能大大降低运动能耗，达到节能的目的。[关键词]四连杆抽油机；传动机构；运动学；动力学；节能在油田开采中，抽油机使用量大，市场前景{Y=si∞nO02+Y+cXc：：=‘slrinc

2、o0s40+十,+Yc(、1)广阔。但抽油机是油田最大的耗能设备，能源浪费问题严重。现用新型抽油机大多仅仅通过优化{13。，-l,cosO3lc,(2)ty。=}lsinOy=!tsin03÷yY⋯四连杆机构的参数，效率提高幅度不大。通过改变结构，设计新型抽油机来提高其效率，达到节由(1)、(2)两式化简整理得：能目的具有远大发展前景[1】。本文以新型节能四f一c0e；=‘c。e～，5(3)连杆抽油机(专利号：ZL200820191342．6)的传12sin02：：‘sinO4+Y动机构为研究对象，旨在为该机构的进一步研究{／3cos0I一‘c0se(4)

3、提供基础。该四连杆变形比例机构是新型节能抽f1sin0l=‘sin03+YE油机的核心部件，文中通过对该四连杆变形比例机构的解析，以牛顿力学为基础，建立机构运动并根据图中几何、角度关系求得各角度0、02、03、04。学、动力学方程，并在此基础上，对该传动机构进行实例验证，充分肯定了该机构原理正确，体1．1．2速度分析现了其自身的节能优势，研究该种新型节能抽油对(3)、(4)中各式分别两边求导：机的传动机构，有重大的现实意义。{，f12cosez‘c0曲咄(5)sin02co2—‘sin040】4‘。1建立连杆机构的数学模型{，∞r／4cos0~o(6)．1

4、．1运动学分析一‘sinOltOl一／4sinO3‘。1．1．1位置分析便可求得各构件的角速度60、co：、c．o，、(1)4。杆件的位置关系如图1所示。建立直角坐标系，分析B、D位置关系可得出如下方程组。1．1．3加速度分析再对(5)、(6)中各式分别两边求导：f?2Jco。“。一伐(7)s

5、n02∞l2cos020c2=-／lsin0+Icos04(x4+ct∞’‘-l3sin0i0)厶c。s010cl=-t,sin0麓3+14c曲os0(】I3+口㈤‘。又可求得各构件的角加速度cx、伐、0c，、。1．2动力学分析由于在四根杆中，AF杆受载较大，且AF

6、杆为作者简介：杨侠(1978一)，男，博士，副教授，硕士生导图l运动分析图师，主要从事石油机械、化工机械、传热传质方向研究。12．■论文广场石20油11和年化第工1设备．4卷拉杆，由材料力学可知，杆件一般受压不受拉，因此四根杆中，作为拉杆的AF更容易损坏，对AF杆进行受力分析，是极其重要的。如图2所示，对其杆件进行力矩平衡分析，由于AF杆件是拉杆，主要承受弯矩作用，因此分析时主要考虑其所受。弯矩最大时刻及其受弯矩的最大点：图3悬点运动分析图如图3首先对E点进行几何分析，由四连杆变形比例得~I：IE点行程为lm，虽然上下死点并非完全对称，但是上下行程的上下限

7、位点并非上下死点，以C点为参考点，建立坐标轴，如图所示，取E点上下行程为0．5m，设E点运动速度曲线为余弦，运动，同时以上下行程的中点为起点，即令E点在图中G点处时，t=0，向上运动，速度v为正。设定E点速度为：图2AF杆受力分析图vE：Acos堡f：Acos旦z’10分别对A、B、F三点进行力矩平衡分析可由条件可以推导出：得：’+)=‘Il4r=-1sin080--0)：3cos0，’+z,)-G『5解得：根据AF杆受力平衡可得：7c7cV=——COS——t=+2010由于要求的径向载荷最大，即=FecosO最然后推导出位移公式为：大时，杆AF最危险，其

8、中A点载荷F载由悬点载荷fvdt=fcos-~o-tdt=豳分析得到。又可以推导出加速度公式为：对F载求导后，F~cos04最大点为当A点在最兀2上端时，其杆所受弯矩最大；．冗：～一Sin～t20010然后进行角度分析，由前面的运动学位置分由于三角形ABC和三角形CDE相似，且A、析求得0、0；由此得到AF杆所受力的大小。C、E三点总能保证共线，则：2实例验证一3SE=-，现根据一种lO型新型节能全平衡多杆机构抽油机的目标参数验证该四连杆抽油机的传动机构再根据已知条件，相应的求出：是否满足目标要求。目标参数为：冲程3m，(做掘7cj7c．7c一一面。o一1

9、0，aA一200n而实验时，取冲程为3m，实际应用时用手轮移位机构