劉　峰，林超群，李占勇，王太星

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)設(shè)計

劉峰，林超群，李占勇，王太星

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

隨著油田開采的持續(xù)，游梁式抽油機(jī)暴露出功耗高、沖程沖次調(diào)節(jié)困難、不適應(yīng)稠油開采等問題。針對游梁式抽油機(jī)的缺點，設(shè)計了一種長沖程、低沖次且沖程沖次無級可調(diào)的復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)，并利用ANSYS軟件對液壓抽油機(jī)機(jī)架進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析，結(jié)果滿足要求。

液壓抽油機(jī)；滑輪增程；ANSYS

目前，游梁抽油機(jī)在我國油田采油作業(yè)中是有桿采油機(jī)械的主力軍，但隨著油田開采的持續(xù)，游梁式抽油機(jī)暴露出功耗高、沖程沖次調(diào)節(jié)困難、不適應(yīng)稠油開采等問題［1］。本文結(jié)合國內(nèi)外抽油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，設(shè)計了一種長沖程、低沖數(shù)且沖程沖次無級可調(diào)的復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)。

1　方案設(shè)計

設(shè)計的復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)的原理為：①利用液壓活塞桿的往復(fù)直線運動帶動抽油桿做往復(fù)直線運動［2］，從而實現(xiàn)抽油機(jī)抽油過程的上下往復(fù)運動；②利用動滑輪的增程作用，使抽油機(jī)的沖程長度是液壓缸行程的2倍，從而實現(xiàn)長沖程；③利用機(jī)械配重和蓄能器復(fù)合平衡，將與機(jī)械配重相等的懸點載荷轉(zhuǎn)移到機(jī)架上，可以有效地減小液壓平衡蓄能器的容量。

復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)的原理如圖1所示。

1） 上行程。在液壓力的作用下復(fù)合液壓缸活塞向上運動，從而帶動動滑輪向上運動，動滑輪的向上運動通過高強(qiáng)度皮帶來驅(qū)動懸點載荷向上運動，同時機(jī)械配重塊在自重作用下也向下運動，通過皮帶作用于懸點，也對懸點載荷有向上的作用力，復(fù)合液壓缸和機(jī)械平衡塊共同來提升懸點載荷，從而使抽油機(jī)上行抽油。

2） 下行程。下行程過程與上行程相同，也主要由2部分作用力來共同作用：一部分為復(fù)合液壓缸的作用力；另一部分為機(jī)械平衡重的自身重力。當(dāng)懸點到達(dá)上死點時，在復(fù)合液壓缸液壓力和機(jī)械平衡重力的共同作用下，復(fù)合液壓缸的活塞桿下行，帶動動滑輪下行，從而使連接懸點以活塞桿2倍的速度下行。同時復(fù)合液壓缸的活塞下行將復(fù)合液壓缸下腔中的油液壓入液壓系統(tǒng)中的蓄能器，從而將下行程中懸點載荷和液壓系統(tǒng)所做的功儲存在蓄能器中。

圖1　復(fù)合式滑輪增程式液壓抽油機(jī)原理

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)的原理，抽油機(jī)的設(shè)計參數(shù)選擇直徑為25 mm的抽油桿，70筒式泵，油液密度取為950 kg/m3，下泵深度1 900 m，額定載荷120 k N，最大沖程6.4 m，進(jìn)行滑輪增程式液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其結(jié)構(gòu)主要由復(fù)合液壓缸、機(jī)械平衡系統(tǒng)、機(jī)架、底座、懸掛系統(tǒng)組成，其中懸掛系統(tǒng)又包括高強(qiáng)度皮帶、固定天輪總成、動滑輪總成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 復(fù)合液壓缸設(shè)計

滑輪增程式液壓抽油機(jī)的懸點由復(fù)合液壓缸的活塞桿驅(qū)動，懸點的運動規(guī)律與活塞桿的運動規(guī)律直接相關(guān)。

2.1.1 工作原理

復(fù)合液壓缸采用的是B油口和C油口不同時接液壓泵的出口，而是B油口連接蓄能器組，C油口連接液壓泵出口。這樣復(fù)合缸的b腔室作為1個壓力轉(zhuǎn)換器，在抽油機(jī)下行程時將抽油桿柱的重力勢能轉(zhuǎn)化為液壓能存儲在蓄能器中，等上行程時用來舉升懸點載荷，其原理如圖3所示。

圖2　復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)三維結(jié)構(gòu)

圖3　復(fù)合液壓缸的原理

2.1.2 設(shè)計計算

復(fù)合液壓缸的活塞桿受軸向壓力大和長徑比大等因素的影響，活塞桿易因失穩(wěn)而失效，因此在設(shè)計計算液壓缸的尺寸時依據(jù)壓桿穩(wěn)定失效準(zhǔn)則進(jìn)行。

1） 液壓缸的計算長度L與活塞桿的最大計算長度LK的確定。

復(fù)合液壓缸的安裝方式為一端固定一端自由。根據(jù)液壓缸的安裝形式，查閱機(jī)械設(shè)計手冊確定末端載荷條件數(shù)n（歐拉載荷條件系數(shù)），n選為0.25，液壓缸的計算長度L與活塞桿的最大計算長度LK的關(guān)系為

根據(jù)液壓缸的行程和液壓缸的外形尺寸，L取3.2 m，則Lk＝6.4 m［3］。

2） 活塞桿直徑的計算。

根據(jù)工程情況，參考機(jī)械設(shè)計手冊初選活塞桿臨界失穩(wěn)安全系數(shù)為n＝3.5，則活塞桿的彎曲失穩(wěn)臨界壓力Fk為

懸點載荷為120 k N，選F為最大懸點載荷的2倍，即F＝240 k N。

則：Fk＝n·F＝3.5×240＝840 k N

由壓桿穩(wěn)定的歐拉公式得

將活塞桿的截面慣性矩帶入式（3）整理得活塞桿的直徑d為

選α＝0.75，把數(shù)據(jù)帶入式（4）得

則活塞桿孔的直徑dI為

在保證活塞桿壓桿穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，將活塞桿直徑向液壓缸尺寸系列圓整，選活塞桿直徑為d＝160 mm，選d1＝120 mm［4］。

3） 液壓缸缸筒內(nèi)徑計算。

考慮上下行程流量相等或相近的原則來確定液壓缸缸筒外徑，即令外缸活塞桿側(cè)截面積等于內(nèi)缸截面積解出外缸筒內(nèi)徑。

內(nèi)缸截面積為

外液壓缸有桿腔截面積為

令A(yù)n＝Aw，則解出外液壓缸徑為D＝200 mm，根據(jù)液壓缸缸徑系列，選缸徑為D＝200 mm。

根據(jù)計算數(shù)據(jù)，對復(fù)合液壓缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　復(fù)合液壓缸的結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)架作為抽油機(jī)的支撐部件，所有的其他零部件都安裝在機(jī)架上。機(jī)架的高度直接決定了抽油機(jī)的最大沖程長度，機(jī)架高度設(shè)計為8.16 m，寬度設(shè)計為1.49 m，機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖5所示。機(jī)架由垂直支撐、水平加強(qiáng)筋、斜加強(qiáng)筋等幾種型號的角鋼焊接而成。機(jī)架垂直支撐采用12.5 mm×14.0 mm的熱軋等邊角鋼，水平加強(qiáng)筋和斜加強(qiáng)筋均采用10.0 mm×6.3 mm×6.0 mm的熱軋不等邊角鋼。機(jī)架底部支撐采用200 mm×204 mm的HW型H型鋼和20a的工字鋼焊接而成。

圖5　機(jī)架整體結(jié)構(gòu)

3　機(jī)架強(qiáng)度和剛度分析

機(jī)架是抽油機(jī)的關(guān)鍵部件，因此必須對機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。下面利用ANSYS軟件對機(jī)架進(jìn)行建模和分析。

3.1 建立有限元模型

根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點，選用BEAM188單元對機(jī)架進(jìn)行建模。BEAM188是一種基于鐵木辛柯梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形影響的梁單元，適用于分析從細(xì)長到中等短粗梁的結(jié)構(gòu)［5］。將機(jī)架各桿件之間的焊接等效為剛性連接，將機(jī)架簡化為空間桁架結(jié)構(gòu)。將抽油機(jī)所受載荷等效為集中載荷。利用ANSYS的Apdl命令語言對機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模，建立的有限元模型如圖6所示。

圖6　機(jī)架有限元模型

3.2 施加位移約束和載荷

機(jī)架主要受到配重箱懸掛系統(tǒng)通過固定天輪總成作用的垂直載荷、抽油桿提升載荷和作用在迎風(fēng)面的風(fēng)載。根據(jù)機(jī)架與底座的連接方式以及機(jī)架的受力特點在有限元模型中施加以下載荷：在機(jī)架底部節(jié)點施加全位移約束，在固定天輪軸承座處施加集中力載荷，并施加系統(tǒng)自重載荷，結(jié)果如圖7所示。

圖7　施加約束和載荷后機(jī)架的有限元模型

3.3 有限元分析結(jié)果

利用圖7模型進(jìn)行求解，可得機(jī)架的有限元分析結(jié)果如圖8～15所示。

圖8　機(jī)架總位移云圖

圖9　機(jī)架x向位移云圖

圖10　機(jī)架y向位移云圖

圖11　機(jī)架z向位移云圖

圖12　機(jī)架x向應(yīng)力云圖

圖13　機(jī)架xy向剪應(yīng)力云圖

圖14　機(jī)架xz向剪應(yīng)力云圖

圖15　機(jī)架等效應(yīng)力云圖

由圖8可以看出：機(jī)架結(jié)構(gòu)向前傾斜，機(jī)架的最大位移1.135 mm。由圖9～11可以看出：機(jī)架的x向最大位移0.037 mm，y向最大位移0.017 mmz向最大位移0.003 mm。

由圖12～15可以得出：機(jī)架的最大x向應(yīng)力為12.4 MPa；機(jī)架的xy向的最大剪切應(yīng)力為36.6 MPa；機(jī)架的xz向最大剪切應(yīng)力為40.8 MPa；機(jī)架的最大等效應(yīng)力為70 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在機(jī)架頂部橫角鋼與前側(cè)豎直角鋼的焊接點處；機(jī)架其他位置處的等效應(yīng)力較均勻且較小，在0～7.8 MPa。型鋼的最低屈服強(qiáng)度極限235 MPa，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為3.0，許用應(yīng)力為78.3 MPa，因此機(jī)架結(jié)構(gòu)是安全的。

4　結(jié)語

本文完成了復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)的方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其復(fù)合液壓缸和機(jī)架進(jìn)行了詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用ANSYS軟件對關(guān)鍵零部件之一的機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，分析結(jié)果表明設(shè)計的復(fù)合式滑輪增程液壓抽油機(jī)的機(jī)架強(qiáng)度和剛度滿足要求。

［1］ 方仁杰，朱維兵.抽油機(jī)歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析［J］.鉆采工藝，2011（3）：60-63.

［2］ 薄濤.中國液壓抽油機(jī)的發(fā)展概況與技術(shù)水平［J］.鉆采工藝，2002，25（2）：60-62.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊：液壓傳動［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：20-286.

［4］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004：303-305.

［5］ 王新敏，李義強(qiáng)，許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2011：89-97.

design of Complex Pulley Increasing Stroke Hydraulic Pumping Unit

LIU Feng，LIN Chaoqun，LI Zhanyong，WANG Taixing
（College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

With the continuous exploitation of oil field，beam pumping unit is exposed to high pow-er consumption，length of stroke adjustment difficulties and cannot be used for heavy oil recovery.Considering such weaknesses，the complex pulley increasing stroke hydraulic pumping unit is de-signed，which has a long stroke and a low stroke number that can be adjustable steplessly.Espe-cially，a detailed structural design was carried out for composite cylinders and rack.Using ANSYS software，strength and stiffness analysis for racks were made and the results meet the require-ments.

hydraulic pumping unit；pulley increasing stroke；ANSYS

TE933.1

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.010

1001-3482（2015）07-0039-05

①2015-01-17

劉 峰（1964-），男，山東東營人，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計及制造和液壓傳動的教學(xué)和科研工作，E-mail：LiuF＠upc.edu.cn。