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。