王志达， 庞在祥

(1.长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012; 2.长春工业大学 工程训练中心， 吉林 长春 130012)



基于CATIA/ADAMS油田抽油减速机建模

王志达1， 庞在祥2*

(1.长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012; 2.长春工业大学 工程训练中心， 吉林 长春 130012)

分析游梁抽油减速机存在的问题，提出了一种新型含拨叉同步器的五级齿轮减速机构，应用CATIA三维造型软件对其进行三维参数化建模，然后利用ADAMS建立减速机的虚拟样机模型并进行了仿真分析。

油田； 抽油; 减速机； 建模

0 引 言

游梁式抽油机是目前油田应用最多的三抽采油方式中的主要设备，但随着油田的不断开发，不断进行加密调整，低产油井增多和含水量的增加使单位能耗上升趋势加快，系统节能问题日益突出。这就要求抽油机具有长冲程、大负荷、能耗低、体积小、重量轻等性能。然而游梁式抽油机的特点不能满足日益发展的油田开发需求[1-6]。为了解决油井生产动态中油液供不应抽的矛盾，文中设计了一款含拨叉同步器以及卵形齿轮的五级齿轮减速器。应用CATIA三维造型软件对其进行三维参数化建模，然后利用ADAMS建立减速机的虚拟样机模型，并对该机构进行仿真分析，为抽油减速机有限元分析提供依据,为其动态优化提供指导。

1 油田抽油减速机工作原理

我国油田普遍存在电机平均负荷率低的现象,即通常所说的“大马拉小车”现象。为了应对此现象，通过调小冲次,调小电机来解决。但每种型号的电机只有几种冲次可以调节(调速电机又不适合抽油机低冲次运行),在一些供液不足井没有足够小的冲次来满足要求。文中通过应用由拨叉同步器和卵形齿轮构成的新型五级齿轮减速器，通过“拨叉同步器”来实现减速器快、中、慢三级变速。根据油田的实际工况选择合适的冲程，手动调节拨叉同步器以更换档位变速，省去依靠换电机或换皮带轮等繁杂步骤，使减速机实现调速。并根据负载的情况调节电机运转速度，实现抽油机电机变频调速控制。在满足油田抽油机低冲次节拍的前提下，实现抽油机在更低的冲次上能够平稳、匀速、安全、可靠地运行，达到降低冲次，提高电机负载率及系统效率，降低耗电量的目的。

新型抽油减速机由箱体、拨叉同步器、直齿轮、直齿轮轴、斜齿轮、斜齿轮轴、卵形齿轮、平键、角接触球轴承、带轮、挡油环、轴承端盖及其他构件组成。拨叉同步器具备手动换档调速功能，人为推动变速杆后，变速杆带动拨叉轴，拨叉轴带动拨叉，拨叉推动齿轮更换啮合位置从而实现减速机的变速。通过齿轮间的啮合可将电机动力传输到安装在箱体上的拨叉轴、共用齿轮轴、中间轴、输出轴，输入的电机动力首先经过拨叉轴到共用一齿轮轴进行一级减速，然后经过共用二轴进行二级减速，经过中间轴的卵形齿轮时，上冲程速度加快，下冲程速度放慢，进而节能，此过程减速机不进行减速，最终再经过加速,从而输出想要得到的转速。

2 油田抽油减速机虚拟样机建模

2.1 拨叉同步器的构建

根据汽车变速箱的变速原理，设计了可用于油田抽油减速机的拨叉同步器，以实现减速器的手动换档。拨叉同步器的使用可令减速机根据油田的工况选择合适的冲程，省去了以往依靠换电机或换皮带轮等用于节能的繁杂步骤，使减速机轻松实现快、中、慢三级调速，操作更加安全方便。拨叉同步器的机械构造三维模型如图1所示。

图1 拨叉同步器三维模型

2.2 齿轮参数化建模

基于三维设计软件CATIA构建五级齿轮减速器的实体模型。对直齿轮、斜齿轮、卵形齿轮以及拨叉同步器等零部件进行参数化设计，建立虚拟样机模型。建立齿轮模型所需参数为齿轮模数m、螺旋角β、齿数z、压力角α和分度圆直径d，中心距a。其中各参数分别满足以下公式：

齿数之比=速度之比:

直齿分度圆直径：

d=mz

压力角：

直齿中心轴距：

斜齿模数:

式中: Mt----端面模数；

Mn----法面模数；

β----螺旋角。

斜齿分度圆直径：

斜齿中心轴距：

针对本五级齿轮减速器的各级齿轮参数见表1。

表1 齿轮几何参数

此外，本五级齿轮减速器创新性地添加了卵形齿轮，卵形齿轮相对其他齿轮可以使传动更加平稳，防止出现齿轮折断现象。对于卵形齿轮的建模采用CAXA与CATIA相结合的方式。首先在CAXA中建立极坐标方程：

e=0.325(e≤1/3)

a=205

b=a(1+e)=271.625

c=a(1-e)=138.375

保存成.igs格式导入CATIA中，通过点线不同的结合方式实现齿形尺寸的确定。

齿数:

弧长:

S=Pi×m×z

变传动比:

式中:α----主动轮旋转角。

除卵形齿轮外，斜齿轮传动与直齿轮传动相比较，啮合性能好，传动平稳、噪音小、重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力，不产生根切的最少齿数少。

斜齿轮的正确啮合条件除了模数及压力角分别相等(m1=m2,α1=α2)，它们的螺旋角还必须符合如下条件：

外啮合:

内啮合:

最终依据应有位置约束关系装配得到五级齿轮减速器的装配模型，具体机械结构如图2所示。

图2 五级齿轮减速机三维模型

2.3 虚拟样机模型的建立

首先在CATIA中添加以下约束：设定各级齿轮轴与齿轮添加固定副，将各转动轴与齿轮Add Moving Part，将模型导出.cmd格式文件，然后在ADAMS/View中import(导入)该.cmd格式文件，各齿轮轴与地面间添加旋转副，从而建立五级齿轮减速器，如图3所示。

图3 减速器虚拟样机模型

3 动力学仿真

3.1 虚拟样机添加约束、驱动及负载

在输入轴上添加Rotational Joint Motion，同时为了使负载不发生突变，分别给出参数，使用STEP函数STEP(time，0，0d，0.2，4380.00d)定义大小，类型选取Velocity；各轴添加约束Revolute；啮合的齿轮间添加Solid to Solid，在输出轴添加负载torque，大小为486 000，齿轮材料取45#钢，根据Herz碰撞理论公式：

其中

式中:V1、V2----两接触物体材料的泊松比；

E1、E2----两接触物体材料的弹性模量;

K----接触强度系数;

R1、R2----分别为两齿轮接触半径。

计算得到高、中、低各转速级参数见表2。

表2 三级转速轴参数表

3.2 虚拟样机仿真

进行仿真准备，设定仿真Duration=0.3 s，Step Size=0.000 1 s开始进行动力学仿真，最终所得仿真效果分别如图4～图9所示。

图4 高速级输入轴转速随时间变化曲线

图5 高速级输出轴齿轮啮合力随时间变化曲线

图6 中速级输入轴转速随时间变化曲线

图7 中速级输出轴齿轮啮合力随时间变化曲线

图8 低速级输入轴转速随时间变化曲线

图9 输出轴齿轮啮合力随时间变化曲线

根据相关公式进行理论计算得到高、中、低速三级输入轴转速同为4 380 rad/s，而拨叉轴转速分别为高速级3 824 rad/s，中速级2 162 rad/s，低速级1 177 rad/s。通过输出轴齿轮啮合力随时间变化曲线可以看出，曲线类似于正、余弦曲线，成周期性啮合。但是由于齿轮传动过程中存在振动和冲击，使得曲线的波动性较大。造成波动性较大的原因有以下几个方面:

1)模拟仿真过程中对参数的取值存在一定误差，包括阻尼系数、摩擦系数等，并且理论值计算没有考虑这些因素；

2)齿轮在装配过程中没有装配好。

对于上述问题，通过在CATIA软件完善实体模型，并作干涉和碰撞检查；通过修正参数，并作多次取值获取最佳解，减小仿真值与理论值之间的误差，从而减小波动。

4 结 语

通过对油田抽油减速机结构的分析，应用三维造型软件完成了油田抽油减速机的三维模型和虚拟装配，为油田抽油减速机的仿真分析提供了样机模型。并通过动力学仿真软件ADAMS对其进行了仿真分析，发现齿轮啮合状态下存在的问题及解决方式，为抽油减速机有限元分析提供依据并为其动态优化提供指导。

[1] 沈兆奎,孙旭川.游梁式抽油机的节能研究[J].天津理工大学学报，2013,29(2):15-19.

[2] 武卫丽,焦培林,彭利果,等.抽油机节能技术研究综述[J].重庆科技学院学报:自然科学版,2009，11(4)：111-113.

[3] 李红才,秦德福,鱼岗,等.节能型超低冲次抽油机技术研究[J].石油矿场机械,2010,39(5):49-51.

[4] 张彬,綦耀光,丁峰.游梁式抽油机实现低冲次的方法比较[J].现代制造技术与装备,2010(4):42-44.

[5] 苏德胜.游梁式抽油机节能机理综述[J].石油机械，2001,29(5):49-53.

[6] 黄秀华，韩志昌，丁建国，等.游梁式抽油机[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2001:18-19.

Modeling of oil field pumping speed reducer based on CATIA/ADAMS

WANG Zhida1, PANG Zaixiang2*

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China； 2.Engineering Training Centre, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

To solve the problems in the current beam pumping oil reducer, we offer a fork synchronizer 5-gear retarding structure. With CATIA/ADAMS simulation, both the 3D parametric model for the structure and virtual prototype model for the gear reducer are established.

oil field; pumping; fork synchronizer; modeling.

2017-03-12

吉林省发改委产业技术研究与开发项目(2014Y132)

王志达(1974-)，男，汉族，吉林松原人，长春工业大学讲师,硕士,主要从事电气自动化方向研究,E-mail:wangzhida@ccut.edu.cn. *通讯作者：庞在祥(1982-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学讲师，硕士，主要从事机械制造及自动化方向研究,E-mail:pangzaixiang@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.06

TG 659； TH 113.2

A

1674-1374(2017)03-0245-06