非圓齒輪自動換向立式節能抽氣機設計

張志遠，李晶晶，陳 珂，李恒睿，趙日贈，王博文

（中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州221116）

0 前言

我國各煤氣田在用的抽氣機仍以改進游梁式抽油機為主[1]，這種設備結構簡單、制造和維修成本低[2]、能夠適應惡劣的工況、可靠性高，無論在數量還是規模上都占有絕對的優勢。隨著對開采要求的提高，游梁式抽氣機效率低、不穩定、安全隱患大等問題日益突出，煤層氣開采成本居高不下，傳統的抽氣機面臨升級改造。立式電機換向抽油機顯著地改善了這些缺點[3]，但卻也帶來了新的問題：控制線路復雜、故障率高、能耗大、維護成本高[4]，有些油田安裝使用幾年后，將其淘汰。

因此，設計一種兼具立式和游梁式抽氣機優點，能夠實現平穩換向、提高抽采效率和減小安全隱患的抽氣機就具有現實意義和推廣前景。

1 立式抽油機的機械結構和工作原理

立式抽油機是鑒于游梁抽油機存在的問題而設計的一種抽油機，而非圓齒輪的設計既克服了立式電機換向抽油機電氣維護難度大等缺點，又兼具游梁式抽氣機換向可靠等優點，因此該設計具有很高的實用價值。

本文設計的非圓齒輪自動換向立式節能抽氣機，其機械系統結構如圖1所示。由永磁同步電動機經大小帶輪將運動傳遞到減速器上，減速器連接非圓齒輪換向箱，非圓齒輪換向箱內含有非圓齒輪組，換向箱的輸出軸連接變速箱，變速箱的輸出軸與滾筒連接，滾筒安置于機架內部的底端，兩天車輪固定于機架頂端，天車輪拖動抽油桿，抽油桿上下運動，傳送皮帶一端固定于主滾動輪，另一端經皮帶輪倒向后固定在抽油桿上，驅動井下抽油泵做固定周期的上下往復運動，把井下的油送到地面。

圖1 立式抽氣機總體結構簡圖

2 非圓齒輪的設計

2.1 機械結構和幾何參數的設計

本文設計的非圓齒輪，具有如圖2結構形式。

圖2 主動輪節曲線分配圖

根據這一結構形式，由于線速度v與傳動比i具有如下關系：

由于該齒輪的嚙合半徑r是變化的，因此傳動比具有瞬時性，對上式做如下變換：

為保持運動平穩，確定其加速度函數必須保證單調連續。

《摩西五經》嚴令禁止人祭：“凡把自家子實獻祭恥王者(禁迦南童子祭)，子民客籍克不論，一律處死：由當地民眾扔石頭砸死。”“耶和華最恨的惡行，他們一樣不缺，都給眾神干過；為了祭神，他們連親生兒女都敢放火里燒了！”

根據圖2所示主動輪節曲線的分配規律，以及傳動平穩的需求，確定傳動比i為均勻變化，結合目前油田傳動需求，將最大傳動比確定為2.81，最小傳動比設置為1/3，其變化規律如圖3所示。

圖3 單周期傳動比變化曲線

兩非圓齒輪傳動時，傳動軸的中心距保持一定，其半徑滿足如下關系：

因此：

其中：a為主動非圓齒輪與從動非圓齒輪的中心距；r1為主動輪半徑；r2為從動輪半徑；i為瞬時傳動比。

由于圖4中，瞬時傳動比在過度節點的變化率有明顯的突變，為改善這一問題。在過度區引入拋物線，使過度節點的變化率平滑過度。

圖4 修正版傳動比變化曲線

依據設計思路，推導出傳動比表達式如下：

式中：φ1為主動非圓齒輪節曲線對應的角度；β為勻速區的角度主動非圓齒輪取45°；A為最大傳動比；B為最小傳動比；m為傳動比過渡因子，表征雙曲線與一次曲線所占比例，這里取0.5。

式中：

對于從動非圓齒輪，根據兩傳動軸的半徑關系，即：

根據從動非圓齒輪與非圓齒輪在嚙合點的速度相等，即：v1=v2

式中：v1=r1× dφ1，v2＝ r2× dφ2可以主從動輪的轉角關系式：

將式（5）帶入（7）分段積分可得主動輪任意角度下對應的從動輪角度。

2.2 非圓齒輪建模與仿真

以上進行了非圓齒輪結構形式的數學建模，在Matlab中進行數值運算后，將計算結果導入到CAD中生成了兩對非圓齒輪結構圖，如圖5。

圖5 主動非圓齒輪（1）和從動非圓齒輪（2）

利用該節曲線，綜合利用CATIA和SOLIDWORKS生成3維模型，最終在ADAMS中進行了嚙合仿真，得到了如下曲線圖6所示。

圖6 嚙合點的角速度仿真曲線

2.3 非圓齒輪箱體結構設計

為了滿足運動傳遞關系，設計了如下的非圓齒輪換向箱圖7。

圖7 單層非圓齒輪換向機構

其運動原理為：主動非圓齒輪（5）從最上面順時針旋轉并開始與從動非圓齒輪（6）的有齒部分嚙合時，從動非圓齒輪（6）與同軸的圓柱齒輪（7）開始作逆時針旋轉，與圓柱齒輪（7）嚙合的圓柱齒輪（8）以及與圓柱齒輪（8）同軸的從動非圓齒輪（4）開始做順時針旋轉，當主動非圓齒輪（5）順時針旋轉了180°時，主動非圓齒輪（5）與從動非圓齒輪（6）恰好脫開，并與從動非圓齒輪（4）恰好進入嚙合，第二傳動軸（3）以及位于其上的從動非圓齒輪（6）和圓柱齒輪（7）逆時針旋轉了一次，第一傳動軸（2）以及位于其上的從動非圓齒輪（4）圓柱齒輪（8）則順時針旋轉了一次；當主動非圓齒輪（5）繼續順時針旋轉并開始與從動非圓齒輪（4）的有齒部分嚙合時，從動非圓齒輪（4）與同軸的圓柱齒輪（8）均作逆時針旋轉，與圓柱齒輪（8）嚙合的圓柱齒輪（7）以及與圓柱齒輪（7）同軸的從動非圓齒輪（6）做順時針旋轉，當主動非圓齒輪（5）繼續順時針旋轉至360°時，主動非圓齒輪（5）與從動非圓齒輪（4）恰好脫開，并與從動非圓齒輪（6）重新進入嚙合，第二傳動軸（3）以及位于其上的從動非圓齒輪（6）和圓柱齒輪（7）順時針旋轉了一次，第一傳動軸（2）以及位于其上的從動非圓齒輪（4）圓柱齒輪（8）則逆時針旋轉了一次。

3 四級變速器沖程調節裝置

針對現有抽油機調節沖程的操作規范比較復雜的情況，根據沖程調節的特點，擬設計了出一臺四級變速器。

3.1 四級變速器機械結構

四級變速器的箱體結構如圖8所示，結構為齒輪槽的應用。該結構主要由齒輪箱，角接觸球軸承，調心軸承，5個非標齒輪，3根傳動軸以及必要的固定零件組成，結構巧妙，使用簡單。

圖8 四級變速器的箱體結構

3.2 四級變速器工作原理

四級變速器具有四檔速度可調，其中齒輪1（13）和齒輪4（9）由導向平鍵進行徑向定位，通過調速桿進行軸向定位。在圖示位置的時，齒輪1（13）與齒輪3（10）嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 5（8）嚙合，齒輪 5（8）與齒輪4（9）相嚙合，從而將運動經過輸出軸傳遞出去；將齒輪 1（13）推向齒輪 2（11）內的齒輪槽（12）后，齒輪 1（13）與齒輪 2（11）內嚙合，齒輪 2（10）與齒輪 3（10）外嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 5（8）嚙合，齒輪5（8）與齒輪 4（9）嚙合，從而將運動經過輸出軸（5）傳遞出去；將齒輪 4（9）推向齒輪 3（10）內的齒輪槽，齒輪 1（13）未推向齒輪 2（10）內的齒輪槽時，齒輪 1（13）與齒輪 3（10）外嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 4（9）內嚙合，從而將運動經過輸出軸（5）傳遞出去。此時，齒輪 5（8）和過渡軸（7）不承擔傳動作用；將齒輪 4（9）推向齒輪3（10）內的齒輪槽，齒輪1（13）推向齒輪2內的齒輪槽時，齒輪 1（13）與齒輪 2（13）內嚙合，齒輪 2 與齒輪 3（10）外嚙合，齒輪 3（10）與齒輪 4（9）內嚙合，從而將運動經過輸出軸傳遞出去。此時，齒輪5（8）和過渡軸（7）不承擔傳動作用。

4 寶塔輪沖次調節裝置

沖次即單位時間內抽油桿往復循環的次數，影響著抽氣機的抽采效率[5]。由于不同工況下抽氣機的負載情況不同，如果僅在同一沖次下工作，將會造成電能的浪費。目前的沖次調節主要是通過更換皮帶輪以改變傳動比的方式進行，為了簡化操作規范，采用一對寶塔輪作為調節機構。

4.1 沖次調節結構

沖次調節結構如圖9所示，包括兩個寶塔輪和一根皮帶，兩寶塔輪由兩根傳動軸固定。該方法具有結構簡單，使用方便的特點。

圖9 寶塔輪沖次調節結構

4.2 沖次調節原理和方法

單位時間內抽油桿往復循環的次數非圓齒輪的輸入軸轉速有關，根據這一基本原理，在非圓齒輪的輸入軸前級進行變速調節。由于高速級采用帶傳動效率相對比較高，故使用寶塔輪這一方式是合理的。本文采用三槽寶塔輪，可以進行3級擋位的調節。調節方法為：停車后撥動皮帶，選擇合適的傳動比即可。

5 模型與實物

如圖10（a）為抽氣機的整機模型。在理論上驗證了方案的可行性后，采用線切割加工出等比縮小的金屬齒輪，并用鋁方管作為機架，進一步搭建出完整的抽氣機模型進行試驗和調試。最后，制造出如圖10（b）所示的抽氣機。

圖10 非圓齒輪自動換向立式節能抽氣機

6 結論

本文設計了一種改進后的立式節能抽氣機，針對換向效率低和沖擊大等問題，設計了一種非圓齒輪自動換向裝置。為適應不同工況下的抽采工作，采用四級變速箱調節沖程，采用多槽皮帶輪實現沖次的調節。其具體優勢表現在如下兩個方面：

（1）根據抽氣機換向要求，即在單向輸入運動的條件下，抽油桿在一個周期內實現自動上下往復運動，本設計通過對兩對非圓齒輪的設計，實現了抽氣機上下沖程平穩的自動換向。

（2）根據抽氣機為適應不同工況而變沖程和變沖次的要求[6]，本作品采用多槽皮帶輪結構來調節沖次，采用新型齒輪變速機構通過改變檔位來調節沖程，在不需要改變抽氣機整機大小的情況下，可以實現沖程和沖次的改變。