抽油杆随动转向步进输送装置的设计与分析

1 引言

    抽油杆是机械采油中连接地面抽油机和井下抽油泵的动力部件，是采油系统中的关键零件之一。受其使用寿命的限制，抽油杆属于消耗品，需求量很大，因此其产品质量和生产效率对整个系统的动力与功能影响很大。当前我国抽油杆生产多采用传统平锻机锻造，依靠人工操作，自动化水平和生产效率低，质量不稳定。开发新型抽油杆锻造机械化自动生产线，已成为我国采油行业发展的迫切要求。在锻造成形过程中，由于抽油杆杆头形状复杂，锻造比大，要达到比较理想的锻造工艺，应采用7-8个工位，完成镦粗、打方、打标、切边等工序。其中，工件需2次旋转90°以实现打方、1次旋转45°以实现打标记。由于生产线是连续工作的，即各个工位同时有工件在加工，因此要求设计一套机械装置同时完成步进输送和多次旋转。为实现步进、夹紧和转向动作的同步，还要求使用同一动力源驱动。为此，设计了一种杆件随动多角度转向的步进输送装置，实现了抽油杆自动化生产中狭窄工位间的步进传输和旋转问题。

2 步进装置的组成和工作原理

    传输过程中除了要保证工件水平位移为工位间距100mm，还要考虑步进传输装置的干涉与复位问题，从而得出步进传输装置应做近似椭圆的整周周期运动。单一的铰链连杆机构和单一的凸轮机构所能实现的运动轨迹都具有一定的局限性。为了满足运动要求，采用了一种结构较为简单的双凸轮一连杆机构，它综合了二者各自优点，能够实现特定要求的运动轨迹，如图1所示。

图1 步进装置结构示意图

    步进传输装置工作时，由电机驱动同轴连接的两组凸轮一连杆机构，带动与之对应的两组曲柄滑块传动组件，分别控制带有多个V形槽的支撑体X、Y方向的运动，实现步进装置的近似椭圆运动；支撑体上方设压紧部件，通过卡板与气缸实现步进装置的压紧和复位。

3 双凸轮一连杆机构设计

    3.1 基于Motion的凸轮轮廓反向合成

    传统凸轮轮廓设计的主要方法中，图解法绘图难度大、存在较大误差，解析法涉及参数多、计算繁杂。采用了一种在Motion环境下，通过所需的运动驱动从动件，利用反向操作，将从动件的运动结合Excel数据生成凸轮轮廓。此方法简便、直观，设计的凸轮精度高、所需时间短。

    3.2 从动件的运动规律

    在中，根据实际工作要求绘制步进传输装置的实体零件和装配体模型（凸轮除外），并添加相应的约束和配合。在COSMOS Motion环境下生成运动算例，使用路径运动法驱动步进传输装置支撑体V型槽上的一点沿着最优近似椭圆形轨迹运动，从而生成前后两摆杆滚子质量中心的运动轨迹。将其导入MATLAB中，得到推进滚子和升降滚子质量中心的位移曲线，如图2所示。由于与凸轮连接的摆杆在循环运动中只来回摆动很小的—个角度，滚子在x方向的位移很小，几乎可以忽略。因此，可将滚子质量中心的圆弧运动简化为尖顶从动件在凸轮的驱动下沿着y方向上下往复移动，建立简化模型，即一个未定义的凸轮和—个尖顶从动件。将与推进凸轮配合的滚子质量中心的运动轨迹信息导人Excel，生成相应的坐标数据。