摘 要：雙驢頭抽油機(jī)在現(xiàn)場使用時，經(jīng)常出現(xiàn)驢頭開裂現(xiàn)象，針對這一問題，對驢頭和游梁進(jìn)行三維建模，用有限元分析軟件對驢頭進(jìn)行分析，確定驢頭強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：雙驢頭抽油機(jī)；驢頭；游梁；三維建模；有限元；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.080

雙驢頭抽油機(jī)有別于游梁式抽油機(jī)，它是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，雙驢頭抽油機(jī)是在游梁后臂加裝后驢頭，用吊繩替代連桿連接。這種設(shè)計(jì)改變了游梁與連桿之間的連接方式，改變了傳力特性，改善了抽油機(jī)的性能。它除了具有結(jié)構(gòu)簡單，適用性強(qiáng)，運(yùn)行可靠，工作壽命長，維護(hù)方便等常規(guī)游梁式機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時還具有附加動載荷小，有較好的節(jié)能效果等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用于油田的節(jié)能型地面采油設(shè)備。

雙驢頭抽油機(jī)在現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)了一些問題，針對出現(xiàn)的問題，我們在現(xiàn)場實(shí)地考察，將常出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸類，驢頭游梁在使用中多次出現(xiàn)開裂的情況，針對這種情況，我們選擇常用的抽油機(jī)型號進(jìn)行研究。在研究中對抽油機(jī)出現(xiàn)故障的部件做三維建模，進(jìn)行有限元分析和疲勞壽命計(jì)算，依據(jù)理論分析和計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)現(xiàn)場使用情況提出改進(jìn)措施。

1 模型

1.1 建立三維模型

依據(jù)圖紙建三維模型。游梁主體是方箱形結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，在游梁中間焊接支有支架，與支架上的軸承座相連。前驢頭和后驢頭均為鋼板焊接而成。前驢頭在驢頭兩側(cè)有調(diào)節(jié)螺栓，用來調(diào)節(jié)驢頭左右對稱情況。后驢頭在側(cè)板上有連接孔，用銷軸來連接游梁，銷軸用壓板固定。

用CATIA軟件建立雙驢頭抽油機(jī)前、后驢頭和游梁的三維模型。材料使用鋼材Q235-B，鋼材的彈性模量值取210×106Pa，泊松比值取0.3。

1.2 確定邊界條件

依據(jù)前、后驢頭和游梁的結(jié)構(gòu)確定邊界條件，前驢頭與游梁是固定約束，使用軟件的固結(jié)聯(lián)接，后驢頭與游梁是接觸約束，使用軟件的接觸聯(lián)結(jié)。游梁與固定支架連接的軸是故支約束。在理想狀態(tài)下，前、后驢頭和游梁受三個載荷：前、后驢頭吊繩拉力和部件的自重載荷。

根據(jù)示功圖，前驢頭在最大及最小工作載荷時受力情況見下表。

對最大載荷和最小載荷位置分別進(jìn)行有限元計(jì)算。

1.3 有限元網(wǎng)格

有限元網(wǎng)格采用四面體單元，采用catia軟件內(nèi)的有限元分析功能，自動劃分有限元網(wǎng)格。由于自動劃分的網(wǎng)格在處理固結(jié)聯(lián)接時，可能不匹配，在計(jì)算過程中，對不匹配的零件進(jìn)行了手動單元劃分。模型網(wǎng)格及所受載荷條件如圖1所示。

2 對部件進(jìn)行應(yīng)力分析

2.1 最大載荷時的應(yīng)力分布

根據(jù)示功圖，前驢頭在最大工作載荷為64kN時，曲柄轉(zhuǎn)角為25?，連桿長3121mm，后臂長2299mm。

圖2為最大載荷時的應(yīng)力分布圖，前、后驢頭上的應(yīng)力最大值區(qū)域位于驢頭與游梁的連接處。游梁上在游梁與支架的連接位置處應(yīng)力最大值。除局部應(yīng)力稍大外，模型大部分區(qū)域的應(yīng)力值都不高，低于50MPa。

從部件承受最大載荷時的應(yīng)力分析中可以得知，承受最大載荷時，應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生在驢頭與游梁連接處，應(yīng)力值為168MPa，這部分結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)。

2.2 最小載荷工況時的應(yīng)力分布

根據(jù)示功圖，在懸點(diǎn)最小工作載荷為11.2KN時，曲柄轉(zhuǎn)角為220?，連桿長為5899mm，后臂長為1601mm。

對驢頭和游梁組合的部件進(jìn)行應(yīng)力分析時，在最小載荷時部件的應(yīng)力分布圖上可以看到，部件最大應(yīng)力為96MPa。從分析得到的總體應(yīng)力圖上看，應(yīng)力值最大的部位在前驢頭與游梁的連接處。游梁上應(yīng)力最大值區(qū)域在游梁與支架連接處。部件大部分區(qū)域的應(yīng)力值較低，小于20MP。

從上述結(jié)構(gòu)及各部件的應(yīng)力分布圖中可以看出，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在驢頭與游梁的連接部位，這也是受力較大的部位，有局部的應(yīng)力集中，這應(yīng)該是連接部位容易出現(xiàn)故障的主要原因。

3 疲勞壽命計(jì)算

此次選用的雙驢頭抽油機(jī)的沖次為4、6、8次/分，在計(jì)算時按最大沖次8次/分計(jì)算，那么一年的沖次為8×60×24×365=4204800次（一年按365天計(jì)算）。驢頭和游梁的材料選用Q235-B，抗拉強(qiáng)度Su=375MPa.

疲勞壽命計(jì)算公式為N=10（1.3-s/375） ×7.5

通過計(jì)算得到部件疲勞壽命如下表：

4 結(jié)論

上述應(yīng)力分析和計(jì)算都是在理想狀態(tài)下得到的。實(shí)際工作中會有多種情況出現(xiàn)。根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場出現(xiàn)的問題得到如下結(jié)論及改進(jìn)措施：

（1）后驢頭在模型應(yīng)力分析中最大應(yīng)力值為91MPa，位于游梁與后驢頭的聯(lián)接處，在此處有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在使用過程中，游梁與后驢頭連接處出現(xiàn)過開裂現(xiàn)象，此處開裂現(xiàn)象很可能是應(yīng)力集中引起的。因此在設(shè)計(jì)中提高這個連接部位的整體強(qiáng)度，減輕應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）在后驢頭與游梁結(jié)構(gòu)中，聯(lián)接處應(yīng)力值較高，其它地方應(yīng)力值不高。在后驢頭和游梁結(jié)構(gòu)中聯(lián)接處應(yīng)力值較大是此處產(chǎn)生開裂的主要原因，在設(shè)計(jì)時要對聯(lián)結(jié)處提高強(qiáng)度。

（3）在其他焊接部位，也有應(yīng)力集中現(xiàn)象。但應(yīng)力值不大，應(yīng)力集中度不高。通過計(jì)算得出的零件疲勞壽命也較高。這些焊接部位在使用時產(chǎn)生的開裂故障，不是由疲勞造成的開裂，很可能是焊接質(zhì)量不高產(chǎn)生的問題。

（4）改進(jìn)措施：驢頭和游梁連接部位在設(shè)計(jì)時增加強(qiáng)度，補(bǔ)焊加強(qiáng)板；提高焊接部位的焊接質(zhì)量，質(zhì)量監(jiān)督部門應(yīng)將焊縫檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提高；在安裝時注意對中，安裝不對中會使驢頭所受載荷發(fā)生改變，從而引起驢頭開裂。

改進(jìn)后，驢頭的使用壽命顯著提高。

作者簡介：楊曉蘭（1972-），女，江蘇東臺人，碩士，高級工程師，教師，研究方向：油田設(shè)備維護(hù)。