王帥帥，李殿起，張少華，汪鵬飛

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870)

0 前言

為了提高修井作業(yè)的工作效率和降低工人的勞動強度，使工作人員處于一個良好的工作環(huán)境，本人根據(jù)當前已有的修井作業(yè)的工作狀態(tài)，為了更好適應(yīng)油田中、小作業(yè)的需要，對原有的擺臂機構(gòu)進行了改良和設(shè)計[1]，。在原有的擺臂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)上進行改進，將外部的動力裝置設(shè)計在機構(gòu)的內(nèi)部。改進后的擺臂機構(gòu)不僅在外觀上結(jié)構(gòu)緊湊，而且可以間接提高其工作壽命。在擺臂機構(gòu)內(nèi)部的各部件通過斜齒連接，增加了其動力傳動的穩(wěn)定性。

1 新型擺臂機構(gòu)的設(shè)計

改進前的擺臂機構(gòu)如圖1所示，其主要是通過液壓伸縮桿帶動機械手的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)從水平狀態(tài)到豎直狀態(tài)[2]。

本文采用CAXA對裝置進行了二維的設(shè)計，如圖2所示。將擺臂機構(gòu)的主要部件設(shè)計在了裝置的內(nèi)部，使整個裝置外觀簡潔和緊湊，而且相對于暴露在外面的結(jié)構(gòu)部件，直接排除了外在因素對工作部件的損耗，間接地提高了工作部件的壽命液壓作為動力裝置[3,4]，也使裝置在運動的平穩(wěn)性方面有所改善。

圖1 改進前的擺臂機構(gòu)

圖2 新型擺臂機構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二維圖

1.1 擺臂機構(gòu)的工作原理

如圖2所示，在裝置內(nèi)部，擺動油缸與外部裝置為固定連接，芯軸的頂部與裝置的夾持裝置連接，擺動活塞與擺動油缸和芯軸通過斜齒嚙合。在液壓油的壓力作用下，擺動油缸會向上運動作直線和旋轉(zhuǎn)運動，由于擺動油缸是固定的，因此擺動油缸會給擺動活塞提供一個反向的作用力，而擺動活塞將帶動芯軸作旋轉(zhuǎn)運動從而實現(xiàn)裝置擺臂的運動。在整個裝置中，將采用液壓壓力作為動力，在斜齒的設(shè)計過程中要考慮到密封，以實現(xiàn)裝置穩(wěn)定的動力輸出。在圖2中，可以看出擺動油缸、芯軸和擺動活塞的斜齒部分的端口都采用密封墊進行密封，以便最大程度上實現(xiàn)裝置的密封。

1.2 擺臂機構(gòu)的主要尺寸計算

擺動活塞作為一個中間介質(zhì)，在液壓的推力下，活塞向上運動，活塞通過斜齒輪與油缸嚙合，因為油缸是固定的，在達到行程時，活塞相對于油缸旋轉(zhuǎn)α角度。當芯軸與活塞通過斜齒輪嚙合時，在達到行程時，芯軸相對于活塞也是旋轉(zhuǎn)α角度。在設(shè)計過程中，由于油缸與活塞的齒輪嚙合的螺旋方向和活塞與芯軸的嚙合的螺旋方向相反。因此，芯軸相對于油缸來說，在達到行程時，芯軸則旋轉(zhuǎn)了2α角度。所以，當要求芯軸旋轉(zhuǎn)90°，那么角度平均分配到螺旋角度上，應(yīng)該是內(nèi)外各45°。

S=Dπ

(1)

式中，S為分度圓周長；D為分度圓直徑。

分度圓周長S與導程L、螺旋角β三者關(guān)系為

(2)

假設(shè)芯軸旋轉(zhuǎn)90°，將角度分配到擺動活塞和擺動油缸上則各是45°。那么行程與螺旋角之間的關(guān)系為

(3)

式中，m為行程；β為螺旋角。

(4)

將行程設(shè)置成100 mm，則對于油缸來說，β1=16.62°，其中D1=304 mm。

對于擺動活塞來說，β2=13.26°，其中D2=240 mm。

2 采用ANSYS對斜齒部分進行強度分析

在已完成的三維模型的基礎(chǔ)上，需要對斜齒嚙合的部分進行有限元接觸強度分析，來確定斜齒部分是否符合設(shè)計要求[5]。

2.1 確定單元屬性

將模型導入ANSYS中之后，需要對模型進行屬性設(shè)定：材料設(shè)置為40Cr，其彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度為7 850 kg·m-3。

2.2 網(wǎng)格劃分

在有限元分析的過程中，網(wǎng)格的數(shù)量對計算結(jié)果有顯著的影響。一般來說，網(wǎng)格越密集，計算結(jié)果就會相對越精確，但是同時也增加了計算時長。因此，在網(wǎng)格劃分的過程中，要統(tǒng)籌兼顧到這兩個因素。為了保證計算結(jié)果收斂，需要改善網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，因此應(yīng)預先估計出大致的應(yīng)力變化范圍和趨勢，在應(yīng)力集中及應(yīng)力梯度變化較大的齒根以及齒面接觸區(qū)域進行網(wǎng)格細化，細化程度采用一級。為了保證力的收斂性，網(wǎng)格細化過程中要緩慢變化[6,7]。

圖3 模型的網(wǎng)格劃分圖

2.3 施加載荷與約束并求解

在Workbench中進行有限元分析時，為了降低計算時間，并沒有對整個斜齒進行分析，而是選擇了芯軸和擺動活塞的斜齒嚙合的部分。在芯軸上施加一個90 000 N·mm的力矩，并將擺動活塞設(shè)置為固定，檢測齒輪的斜齒部分的等效應(yīng)力的分布情況。

圖4 模型的等效應(yīng)力圖

如圖4所示，齒輪在齒頂部分的應(yīng)力集中，且承受的最大值為0.3 MPa。符合設(shè)計要求。

3 對整個裝置進行Adams運動仿真

3.1 將三維模型導入Adams中并添加約束

首先需要將UG中的三維模型以STEP的格式導入ADAMS軟件中如圖10所示。然后為裝置添加約束：擺動油缸為固定，在上、下端蓋和擺動油缸之間施加固定副，限制其運動；擺動油缸的內(nèi)部與擺動活塞的外部通過斜齒連接在一起，給其施加轉(zhuǎn)動副，使活塞可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。擺動活塞內(nèi)部和芯軸的外部也是通過齒輪連接，也給其施加轉(zhuǎn)動副，使芯軸和擺動活塞之間也能實現(xiàn)聯(lián)動[8]。因為擺動活塞在運動過程中，不僅會實現(xiàn)轉(zhuǎn)動還會實現(xiàn)移動，因此在擺動活塞上也要施加一個移動副，以確保其在直線上的運動。芯軸除了與擺動活塞連接之外，還和軸承接觸，在芯軸與軸承之間設(shè)置成轉(zhuǎn)動副。對芯軸施加一個水平的驅(qū)動力使其進行水平運動，從而帶動芯軸的旋轉(zhuǎn)運動并進行仿真[9]。

圖5 UG三維模型導入ADAMS生成圖

3.2 運動仿真

在擺臂機構(gòu)的各個部件之間的約束添加完成之后，給擺動活塞施加一個水平作用力來代替液壓作用，進行運動仿真。

將時間設(shè)置成10 s，步長設(shè)置成100步進行仿真[10]。

3.3 仿真結(jié)果的分析

芯軸作為核心部件，其旋轉(zhuǎn)角度直接關(guān)系到整個部件設(shè)計的正確與否。在ADAMS中的基礎(chǔ)設(shè)置完成之后，將整個部件進行運動仿真。針對擺動活塞的受力和芯軸的旋轉(zhuǎn)角度生成了整個裝置在運動過程中的規(guī)律曲線，如圖6～8所示。

從圖6中可以看出仿真過程中，擺動活塞所受到的最大力將近60 kN，最小力約為10 kN，在裝置的啟動和停止時受力較大，運動過程中受力較小，運動較為平穩(wěn)。

圖6 擺動活塞在仿真過程中的受力圖

圖7為芯軸的旋轉(zhuǎn)角度的規(guī)律曲線，從圖中可以看出，芯軸在啟動和停止時是有波動的，運動過程中相對平穩(wěn)，在整個裝置運動到接近并沒有到10 s時，芯軸的旋轉(zhuǎn)角度已經(jīng)達到了90°，說明該裝置的最終旋轉(zhuǎn)角度與理想的預期角度存在著一些誤差，根據(jù)曲線可以推斷出旋轉(zhuǎn)角度在95°左右，在允許誤差的范圍之內(nèi)。

圖7 芯軸在仿真過程中旋轉(zhuǎn)的角度

除了擺動活塞的受力情況，還需要考慮整個裝置在仿真過程中運動的平穩(wěn)性問題。因此，對芯軸的角加速度也生成了相應(yīng)的規(guī)律曲線。從規(guī)律曲線中可以看出，裝置在運動過程中存在著較小的波動，在起始階段的波動較大，整個裝置的運動過程中相對平穩(wěn)。

圖8 芯軸的角加速度圖

4 結(jié)論

新型擺臂機構(gòu)在整體上是符合設(shè)計要求的。在強度方面完全能滿足要求；在運動方面，雖然

和理想目標存在一些誤差，但是能夠達到預期目標的?？傮w而言，新型擺臂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的。