» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
» Все публикации автора
Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»
Январь, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №1 (10) 2018
Автор: Острицов Иван Владимирович, Магистрант
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Алгоритм построения кинематической схемы станка-качалки в параметрическом режиме в системе автоматизированного проектирования (САПР) Компас 3-D
УДК
622.276:004.94
АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СТАНКА-КАЧАЛКИ В
ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ В
СИСТЕМЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР) КОМПАС 3-D
Острицов Иван Владимирович, магистрант
2 курса
Оселедец Виктор Александрович, магистрант 2 курса
Кадеров Хайдярь
Кадерович
кандидат технических
наук, доцент, доцент
Киреев
Сергей Олегович
доктор технических
наук, профессор
Донской государственный технический
университет (ДГТУ), г. Ростов-на-Дону
Аннотация.
В
статье описывается алгоритм построения кинематической схемы станка-качалки в
системе автоматизированного проектирования (САПР). Основное внимание любого
инженера-конструктора разрабатывающего кинематическую схему станка-качалки
должно быть обращено на правильность проектирования шарнирного четырехзвенного
механизма, чтобы движение точки подвеса штанг происходило по определенному
закону, обеспечивающему нормальную и заданную работу глубинного насоса, колонны
насосных штанг и т.д. Конструирование штанговых скважинных насосных установок
ШСНУ является очень сложной задачей, которая с применением компьютерных
вычислений может быть упрощена, а при помощи САПР можно добиться ещё более
значительного упрощения. Предлагаемый алгоритм построения кинематической схемы
станка-качалки позволяет проводить автоматические перестроения кинематической
схемы СК согласно проведенным расчетам основных длин звеньев механизма, а так
же необходим для правильности проектирования шарнирного четырехзвенного
механизма станка-качалки.
Ключевые
слова: Алгоритм построения, Компас 3-D, кинематическая схема СК, станок-качалка,
СК, четырехзвенный механизм, проектирование станка-качалки, параметрический
режим.
Станки-качалки
предназначены для передачи поступательного
движения глубинному штанговому насосу, расположенному на дне скважины.
Кинематическая
схема преобразующего механизма балансирного станка-качалки представляет
четырехзвенный механизм, преобразующий вращательное движение электродвигателя в
возвратно-поступательное движение колонны штанг. Кинематическая схема такого
механизма представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Шарнирный четырехзвенных механизм станка-качалки.
Правильность
проектирования четырехзвенного шарнирного механизма – главная задача любого
инженера-конструктора проектирующего кинематическую схему СК. Правильное проектирование
позволяет достичь закона движения точки подвеса штанг, близкого к идеальному - гармоническому [1]. При проектировании так же
следует учитывать что, для уменьшения затрат на энергию оборудование должно
обладать рациональной кинематической схемой.
Конструирование
СК является не простой задачей. Однако, с развитием
технологий и вычислительных способностей подобная задача упрощается. В
машиностроении и приборостроении возникают специализированные программы для
проектирования, так называемые САПР – системы автоматизированного
проектирования [2]. Такие системы позволят не просто провести необходимый
расчет с помощью компьютерных мощностей, что является более быстрым и точным
способом, но и позволят автоматически выполнить необходимые построения механизма.
Целью
данной статьи является – описать предложенный алгоритм построения
кинематической схемы СК, при помощи параметрического режима в САПР.
Для
решения задачи по созданию алгоритма построения параметризированной
кинематической схемы СК, а так же расчета основных размеров станка-качалки с
помощью САПР необходимо для начала определиться в какой системе
автоматизированного проектирования будет вестись дальнейшая работа. В данной
статье выбрана программа отечественного производства – Компас 3-D, которая обладает всеми необходимыми
инструментами для создания расчета, такими инструментами являются:
параметрический режим, интерфейс позволяющий проводить сложные математические
вычисления внутри самой программы. Сам расчет будем проводить по методике
расчета описанной в статье [3].
Поскольку привод ШСНУ является простым, в кинематическом
понимании, механизмом с одной степенью свободы, то построение такого механизма
можно начать с выходного звена. Выходным звеном механизма станка качалки
является передняя часть балансира. Построения будем проводить в крайних
положениях четырехзвенного механизма, которые позволят провести расчеты для
определения основных размеров механизма, а так же наглядно увидеть диапазон
движения звеньев механизма.
В
программе Комапас 3-D в верхней вкладке меню нажимаем кнопку
«Файл» открываем пункты – «Создать» \
«Фрагмент», начинаем построения с центра оси координат. В верхней панели
инструментов включаем «параметрический режим», затем в боковой панели
инструментов выбираем «Параметризация» \ «Отображать ограничения». Далее
выбираем на боковой панели инструментов «Геометрия» / «Отрезок» и начинаем
построения с центра координат. Строим 4 отрезка, которые будут являться крайним
верхним и крайним нижним положениями плеч балансира, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. Начало построения
кинематической схемы СК.
Далее
выбираем «Параметризация» / «Коллинеарность» в
боковой панели инструментов и устанавливаем коллинеарность
двух отрезков, которые впоследствии будут являться балансиром, его передним и
задним плечом. Так же поступаем и с другим крайним положением балансира. Затем,
в боковой панели инструментов выбираем «Геометрия» / «Отрезок» и с зажатой
клавишей Shift
(горячая клавиша для операции «горизонтальность») на клавиатуре проводим
отрезок через центр координат. В выплывающем меню выбираем тип линии – тонкая. Этот отрезок является вспомогательным построением, а
так же покажет горизонталь. Далее в боковой панели инструментов выбираем
«Параметризация» / «Биссектриса» и указываем крайние положения балансира и
горизонтальный отрезок. В итоге получаем равные углы от горизонтального отрезка
до плеча балансира. После задаем размеры для плеч, указывая в выплывающем меню
не числовое значения а буквенное – k1 и k, для переднего и заднего плеча балансира
соответственно. Числовые значения для переменных k1 и k будут присвоены позже. Присвоение буквенных
переменных выполняем для обоих положений балансира, по итогу получается такое
построение, как показано на рисунке 3.
Рис. 3. Крайние положения плеч
балансира СК.
После
этого у нас создались переменные k1 и k, задать их значения нужно в верхней панели
инструментов, кнопка «Переменные». В открывшемся меню вводим все остальные
переменные, согласно методике расчета описанной в статье [ссылка на первую
статью]. Внесенные переменные и их формулы представлены на рисунке 4.
Рис. 4. Меню «переменные» с
внесенными переменными и формулами.
Далее крайние правые точки на задних плечах балансира
соединяем горизонтальным отрезком – «Геометрия» / «Отрезок». В
выплывающем меню выбираем тип линии – тонкая. Это
будут точки В1 и В2. Затем из этих точек строим
отрезки произвольной длины и направления, и при указании размера задаем
переменную QUOTE
(рис.5).
Рис. 5. Крайние положения
звеньев: балансира и шатуна.
Вносим в меню «Переменные» формулу размаха балансира.
Буквенного обозначения греческого алфавита в программе Компас 3-D нет, поэтому
записываем переменную как delta0 . Затем переводим полученные
радианы в градусы, задав имя переменной delta_grad (рис.
6) и присваиваем угловому размеру эту переменную (рис. 7).
Рис. 6. Получившиеся формулы для расчета угла размаха и перевод их
в градусы.
Рис. 7. Кинематическое построение СК с углом размаха балансира.
Поскольку кинематическая схема станка-качалки симметричная,
то центр вращения кривошипа находится на вспомогательной вертикальной прямой,
проходящей через точки B1 и B2. Чтобы
определить местоположение центра вращения кривошипа необходимо от конца длины
шатуна
Затем при помощи команды «Параметризация» / «Объеденить
точки» объединяем кривошип и шатун для верхнего крайнего положения, предворительно отложив отрезок равный r от центра
окружности вверх (рис. 8).
Рис. 8. Объединение кривошипа и шатуна.
Далее, для удобства, помещаем одно крайнее положение в слой 1, а
другое крайнее положение в слой 2 (рис.9).
Рис. 9. Созданный слой 1 и слой 2.
По итогу получена кинематическая схема четырехзвенного шарнирного
механизма в САПР, программе Компас 3-D, а также автоматизированные расчеты по
вычислению длин основных звеньев. За счет режима параметризации в программе
Компас 3-D при
изменении переменных в окне «переменные» изменяются и длины звеньев механизма,
что отображается на схеме. Это позволяет, изменив численные значения переменных
перестроить кинематическую схему автоматически.
В ходе работы был показан алгоритм построения кинематической схемы
СК в параметрическом режиме САПР – Компас 3-D. Разработана
кинематическая схема станка-качалки, при помощи режима параметризации
интегрирован расчет по методу описанному в статье
[ссылка на первую статью]. Использование возможностей автоматизированного
проектирования позволит систематизировать наработки за все годы производства
станков-качалок в нашей стране. Использование такой базы позволит проектировать
и создавать станки-качалки любых модификаций, разрабатывать новые модификации,
разработать новые методы расчета.
Список литературы:
- Чичеров, Л.Г. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования / Л.Г. Чичеров, Г.В. Молчанов, А.М. Рабинович и др. – М: Педра, 1987. – 422 с.
- Мищенко, И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов / Мищенко И.Т. – М: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – 816с.
- Острицов И.В. Методика расчета основных размеров станка-качалки // Наука через призму времени. – 2017. – № 8. – С. 23–27.
Комментарии:
