抽油机电控刹车装置的设计

2021-03-18董鹏敏罗仕冲曾祥虎郭铅铅赵海空

机械工程与自动化 2021年1期

董鹏敏，罗仕冲，孙文，曾祥虎，郭铅铅，赵海空，王鹏

(西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065)

0 引言

随着科学技术的进步，石油机械正逐步迈向远程网络电脑自动控制阶段，部分油田的抽油机也实现了电脑联网、远程数据采集、工作运行全程自动控制。现阶段，我国油田中的抽油机大部分是采用机械式手刹车装置，虽然具有简单可靠等特点，但是不能与电脑自动控制系统进行配合。特别是在抽油机无人现场值守或运行的抽油机分布较广等情况下，都会发生不能及时刹车断电等问题，给安全运行带来隐患。因此，研制开发一套抽油机电控刹车装置迫在眉睫。该刹车装置应在可以保证抽油机安全稳定刹车的前提下，适用于油田全程电脑自动化控制，实现远程自动电控刹车，满足数字化油田建设的需要。

1 电控刹车装置的工作原理及结构特点

1.1 工作原理

电控刹车装置的结构如图1和图2所示，它利用弹簧蓄能，制动时，电磁制动器失电，弹簧瞬间张开，衔铁在弹簧的作用下挤压摩擦盘，进而摩擦盘挤压固定前端盖，三者之间的两片摩擦片在挤压力作用下产生摩擦阻力，实现抽油机快速制动停车；解除制动时，电磁制动器得电，在电磁吸力的作用下，衔铁克服弹簧阻力，压紧弹簧使得衔铁与摩擦盘之间的摩擦阻力消失，进而使得摩擦盘与固定前端盖之间的摩擦阻力也消失，三者处于相对自由状态，解除制动。

图2 刹车装置俯视图

1.2 结构特点

刹车装置采用摩擦制动原理，整体采用双摩擦片电磁制动器，增大了制动力，对花键套精度及强度要求降低；以电磁力为驱动力，保证了设备使用安全可靠。摩擦盘采用铝合金材料，有效地避免了剩磁问题，极大增加了刹车装置的安全可靠性。固定前端外部设计采用耳式结构，使得安装尺寸在一定范围具有弹性，有效避免产生安装干涉问题，增加了产品的市场适应性。

1-固定前端盖;2-摩擦片;3-摩擦盘;4-衔铁;5-电磁铁;6-弹簧图1 电控刹车装置结构

2 主要设计参数

2.1 制动力矩计算

刹车装置的停车功能主要取决于制动力矩的大小。抽油机由于型号不同，制动扭矩的计算方法也不相同。以常规(异相)抽油机为例，扭矩因数Tf的计算公式如下：

(1)

其中：A为游梁前臂长度，m；C为游梁后臂长度，m；R为曲柄半径，m；α为曲柄和连杆夹角，是一个周期变量；β为游梁和连杆夹角，是一个周期变量；Mt为减速器输出轴扭矩，N·m；Wt为悬点载荷，N。

可推出：

Mt=Tf·Wt.

(2)

根据减速器传动比i可得减速器输入轴扭矩M为(不考虑减速器传动效率和安全系数)：

(3)

因为扭矩因数Tf是一个周期变量，所以减速器输出轴扭矩Mt也是周期变量，即减速器输入轴扭矩M也为周期变量。显然，若采用这种计算方法，会给后续的设计带来诸多问题，因此本文采用一种更为简单、保守的计算方法。

每一台抽油机在投入使用前，都有由生产厂家配备的减速器。以减速器额定输出扭矩Me为最大输出扭矩，则可得减速器输入轴最大扭矩Mmax：

(4)

以CYJ6-2.5-18HY(SW)抽油机为例，减速器额定输出扭矩Me=18 000 N·m，传动比i=42，则减速器输入轴最大扭矩Mmax=428.57 N·m。取安全系数S=1.2,那么6型刹车装置的额定制动扭矩M6为：

M6=S·Mmax=514.29 N·m.

(5)

根据油田现场测量数据，刹车装置摩擦盘内、外直径分别设计为D1=255 mm、D2=305 mm，所以等效直径D为：

(6)

额定制动力为：

(7)

额定制动正压力为：

(8)

其中：μ为静摩擦因数，2μ为两片摩擦片的摩擦因数，本文设计μ=0.5。

2.2 弹簧的设计计算

刹车装置主要利用弹簧进行蓄能，需要制动时，弹簧会瞬间张开致使衔铁压紧摩擦盘完成制动，因此对于弹簧的选型设计非常重要。此刹车装置选用圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧材料为65Mn油淬火-退火弹簧钢丝，许用切应力τp=570 MPa。由于刹车装置工作过程中制动行程很小，且工作面做特殊处理，所以在计算弹簧制动力时忽略滑动摩擦力。刹车装置实现制动应满足以下条件：

Ft≥P.

(9)

其中：Ft为弹簧组的弹力，其值由下式计算：

Ft=nF1.

(10)

其中：F1为每根弹簧的弹力；n为弹簧组中弹簧的个数，n=6。

F1=Δx·k.

(11)

其中：Δx为弹簧形变量；k为弹簧弹性系数(定值)。

制动时，每根弹簧的弹力F2为：

F2=Δx0·k.

(12)

其中：Δx0为制动时弹簧形变量，本文设计Δx0=10 mm。

解除制动时，每根弹簧的弹力F3为：

F3=Δx1·k.

(13)

其中：Δx1为解除制动时弹簧形变量，本文设计Δx1=10.5 mm。

弹簧曲度系数为：

(14)

其中：C为弹簧旋绕比，本文设计C=5。经计算K=1.31。

弹簧材料直径为：

(15)

圆整d0=5.00 mm，由此可得弹簧中径D0=Cd0=25 mm。

3 花键套有限元分析

抽油机停车制动时，刹车装置产生制动动作，弹簧弹力通过衔铁传递给摩擦盘和固定前端，三者相互压紧，最终摩擦盘与固定在减速器输入轴上的花键套产生阻力，完成制动。图3为刹车装置的三维爆炸图，在制动过程中，花键套传递制动力矩，且摩擦盘与花键套为花键配合。因此，花键套的力学性能和变形量对刹车装置的整体稳定性有巨大影响。花键套材料为45钢调质。将花键套3D建模后，利用NX Nastran进行有限元分析。在NX Nastran软件中，对花键套3D模型进行网格划分并施加载荷为514.29 N·m的扭矩，其仿真分析结果如图4、图5所示。