影响管杆输送机四连杆机构稳定性的原因分析

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  摘 要:修井作业使用的四连杆机构的油管、杆输送机运作时,起步和停止两个动作中出现一定频率的上下颤动,再加上钻具的自身的重量较大,颤动幅度也较大,很容易造成管、杆高空坠落的现象。本文针对其结构和功能做了详细的分析评估,为其稳定性做了有力的结构和力学数据依据。
  关键词:四连杆机构 油管、杆输送机 稳定性
  一、结构分析
  四连杆输送机在作业现场使用过程中,完全收回时,四个连杆状态为同一直线上,工作时能有一定倾斜角度送至井口。而此机构有两个固定铰链,运动时,一个主动杆带动其他从动杆运动,说明铰链四连杆机构具有曲柄结构,则证明此机构有两个必要条件:
  1.四连杆中其中必有一杆为最短杆和一杆为最长杆。
  2.最短杆与最长杆长度之和应小于等于其他两杆长度之和。
  由于曲柄结构的存在,所以四个连杆运动时就会产生一定的旋转角速度。
  二、急回运动和行程速比系数
  比如:AB杆为主动杆,在其旋转一周的过程中,有两次与连杆共线。此时从动杆CD分别位于极限位置C1D和C2D,曲柄与连杆两次共线位置之间的夹角ψ为极限夹角。当曲柄以角速度ω顺时针旋转α1=180°+θ,连杆由位置CD摆到CD,摆角为ψ,设所需时间t1,C点的平均速度为V1。当曲柄继续转过α2=180°-θ时,连杆又从位置C1D回到C2D,摆角仍然为ψ,设所需时间为t2,C点的平均速度为V2。由于连杆往复摆动和摆角虽然相同,但是相应的曲柄转角不等,即α1>α2,而曲柄又是等速运动的,所以t1>t2,V1>V2。连杆这种运动就是急回运动,用行程比系数K表示急回运动程度,则:
  上述分析表明:当曲柄连杆机构在运动过程中出现极限夹角θ时,则机构便具有急回运动特性。而且θ角越大,K值越大,机构的急回运动性质也就越显著。所以四连杆输送机在起步过程中θ角为零,主动杆和从动杆的平均速度不相等,才导致颤动现象发生。而输送机达到最大位置时是停止状态,此时θ角处于最大,急回运动就越大。主动杆的角速度瞬间消失,从动杆在主动杆急停后的短时间内还拥有一定角速度,致使从动杆少量的切线运动产生颤动。
  由于输送机在运送重量较大的工具时产生较大幅度的颤动,则说明四连杆机构还存在一定力学关系。
  三、四连杆机构的压力角、传动角
  例如一四连杆机构中,由主动杆AB经过连杆BC传递到从动杆CD上的C点的力P,可分解为沿点C速度方向的分力P1,及沿CD方向的分力P2,其中P2只能使铰链C、D产生径向压力,而P3才是推动从动杆运动的有效分力,力P与着力点的速度Vc方向所
  夹的角α即为压力角。则P3=Pcosα ;P2=Psinα。其中Vc方向的分分力P1是使从动杆转动的有效分力,对从动杆产生有效的回转力矩,而P2则是CD杆产生附加径向压力的分力,故只能增加摩擦力矩,而无助于从动杆的转动。而γ=90°-α是压力角的余角,为连杆机构在此位置的传动角,当γ角越大时,有效分力P1越大,而P2越小,因此对机构的传动越为有利。在机构的传动过程中,其传动角γ的大小是变化的,为了保证机构的良好传动效果,通常应使γmin≥40°,在传递力矩较大时,则应使γmin≥50°
  当曲柄AB转到AD重合的两个位置AB1和AB2时,传动角出现极限γ'和γ笗,即为输送机起步和停止的两个动作位置的状态。所以为保证输送机传动过程中较好的稳定性,则γ最小值可如下式计算:
  在上式中,当∠BCD=90°时,该角即等于传动角γ,而当∠BCD>90°时,传动角γ=180°-∠BCD。而此可见,最小传动角 γmin可能出现在以下两个位置。
  第一, 当点B到达AD连线中的B1处时,即ψ=0°时,此时
  第二, 当点B达到AD延长线上的B2处时,即ψ=180°时,此时
  比较(4)(5)这两个式中的传动角,即可求得最小传动角γmin。
  四、结论
  1.影响四连杆油管、杆输送机的在作业过程中产生一定幅度颤动的原因是,有曲柄机构存在的情况下,曲柄与连杆两次共线位置之间的极限位夹角的大小有关。为保证输送机的正常工作时,四个连杆运动不产生颤动,必须要将曲柄机构的极限位夹角θ设计越小越好,控制急回运动的程度。
  2.在力学性能上,四连杆输送机机构的压力角和传动角要体现出γ=90-α的关系式,来满足较大重量的工具输送,γmin≥50°,这样可以保证良好的传动效果,增加整体结构的稳定性。
  参考文献
  [1]成大先 王德夫.机械设计手册 [M] .北京.化学工业出版社.2008-01 第四卷19-8—19-14.
  [2]曹惟庆. 平面连杆机构分析与综合 [M] .北京.科学出版社.1989-04.
  作者简介:刘宏伟,毕业于吉林农业大学农业机械设计及自动化专业,主要研究方向井口操作全面自动化的研制。
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