CYJS10-5-37HB型雙驢頭抽油機支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

于興峰， 付海龍， 馮志鵬， 張潔娜

( 1. 玉門煉油化工總廠 機動部，甘肅 玉門 735200; 2. 東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318； 3. 大慶油田有限責任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163414 )

0 引言

雙驢頭抽油機與常規(guī)游梁式抽油機不同之處在于游梁體前后安裝2個驢頭，驢頭弧面圓心與游梁擺動中心重合，且后驢頭懸掛平衡塊，使懸點的部分載荷及驢頭的質(zhì)量由結(jié)構(gòu)件游梁和軸承承受，減小減速器、曲柄、連桿、橫梁等傳動部件所受載荷，使得該類機型可靠性強、平衡效果好和操作方便等而被廣泛使用[1-8].這種結(jié)構(gòu)幾乎將全部載荷通過游梁體作用在支架上，而且在抽油機工作時支架還得承受懸點載荷和連桿拉力等循環(huán)載荷作用，因此對支架在強度和剛度設(shè)計上有較高的要求[9].針對抽油機支架承載問題，劉小鵬[10]利用短斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計；郭登明等[11]通過反復試算的方式確定橫梁和斜撐結(jié)構(gòu)，在保證支架強度的同時節(jié)省鋼材用量等.這些研究主要以傳統(tǒng)的試算方法為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，考慮的影響參數(shù)有限，且只能針對個別機型進行.

筆者對CYJS10-5-37HB型抽油機支架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，改變傳統(tǒng)上只對局部尺寸進行修改或多次試算的優(yōu)化方法，利用ANSYS有限元軟件的優(yōu)化模塊，通過定義目標函數(shù)和優(yōu)化變量，實現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)的程序優(yōu)化設(shè)計，為類似剛架結(jié)構(gòu)承載力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計思路與優(yōu)化依據(jù).

1 機架損壞形式

統(tǒng)計大慶油田某采油廠雙驢頭抽油機應用情況，其中支架彎曲和底座損壞屬于典型的機架損壞形式.支架彎曲主要是支架后腿彎曲，加工裝配誤差、焊接殘余應力、壓桿失穩(wěn)是造成支架彎曲的主要原因.底座損壞包括底座疲勞開裂和底座變形，主要原因是基礎(chǔ)不良或焊接殘余應力的影響.同時，在較長的服役期內(nèi)，部分抽油機支架前腿與底座連接處、后腿與減速器筒體連接處，以及游梁支架下部斜拉筋等多次發(fā)生開焊和斷裂現(xiàn)象.這與使用工況、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和制造及安裝工藝等因素有關(guān).若暫不考慮使用、制造和安裝工藝因素影響，只從設(shè)計角度考慮故障原因，需要對雙驢頭抽油機支架進行強度、剛度計算，找到抽油機零部件設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，利用優(yōu)化設(shè)計方法提高支架和抽油機整機的可靠性.

圖1 CYJS10-5-37HB抽油機支架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 有限元模型

CYJS10-5-37HB型雙驢頭抽油機采用角鋼型鋼截面梁焊接成塔式結(jié)構(gòu)，采用四腿支承形式安放，為抽油機游梁總成、驢頭總成等主體結(jié)構(gòu)提供支承.支架立腿截面為等邊角鋼(125 mm×10 mm)，主體橫拉筋為等邊角鋼(100 mm×10 mm)，主體材料為Q235B，結(jié)構(gòu)見圖1.

利用ANSYS有限元軟件前處理模塊，建立抽油機支架的幾何模型.采用角鋼截面形式、beam189單元類型進行單元網(wǎng)格劃分，共獲得1 335個節(jié)點、457個單元，網(wǎng)格劃分后的有限元離散模型見圖2.

在施加載荷時，計算支架所受作用力，考慮包括橫梁、驢頭、游梁等在內(nèi)的質(zhì)量及連桿拉力、游梁擺動時附加慣性力的影響.

若定義支架等效作用力的垂直分量為Ry，則有：

Ry=W+Q+Ply+Pdy,

(1)

式中：W為懸點瞬時載荷；Q為游梁(含橫梁、驢頭)總質(zhì)量；Ply為連桿拉力垂直分量；Pdy為慣性力垂直分量.

圖2 抽油機支架ANSYS有限元模型

水平分量Rx為

Rx=Plx+Pdx,

(2)

式中：Plx，Pdx分別為連桿和慣性力的水平分量.

3 靜強度計算

根據(jù)CYJS10-5-37HB型抽油機支架的安裝情況，將支架下端4個支點固定，在支架頂部4個端點施加等效載荷，進入Solution模塊，考慮支架模型定義材料屬性及其相關(guān)參數(shù)，取彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.28，材料密度為7 800 kg/m3，進行靜強度計算.

其中支架最大節(jié)點應力為12.5 MPa，位于2個后支腿第一小節(jié)焊接節(jié)點位置(見圖3)；最大位移為0.44 mm，位于支架頂部框架上(見圖4).y向(豎向)位移變形較大，說明支架在承載過程中以受壓為主，表明在抽油機驢頭上下往復過程中，支架也受循環(huán)載荷作用，最大應力集中在支架后腿下部.

圖3 抽油機支架靜力計算應力云圖

圖4 抽油機支架靜力計算位移云圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在滿足工作條件下，耗用鋼材盡可能少的支架結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)實的意義[12].傳統(tǒng)的優(yōu)化方法只是進行局部尺寸改變和采用試算方法進行，或者在優(yōu)化過程中只考慮某一種變量的影響.利用ANSYS有限元軟件的優(yōu)化模塊，對CYJS10-5-37HB型雙驢頭抽油機支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，充分考慮結(jié)構(gòu)應力、變形、體積(質(zhì)量)、截面形狀和尺寸等變量影響[13-14]，較之傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法更加科學、高效.

4.1 參數(shù)設(shè)定

在ANSYS有限元軟件優(yōu)化設(shè)計中需要定義優(yōu)化目標變量即優(yōu)化目標函數(shù)、設(shè)計變量和狀態(tài)變量[15].支架優(yōu)化目標函數(shù)確定在滿足強度條件下，選取整個支架體積最小(Volume變量).在剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要選擇合適的桿件截面，以保證在整個結(jié)構(gòu)消耗鋼材最少的情況下滿足應力和撓度的限制，以支架桿件截面(Area變量)為設(shè)計變量.狀態(tài)變量選取節(jié)點豎向位移(dymax)和各個截面梁應力(Smaxe).由于支架在豎向剛度有嚴格要求，且材料選擇使用Q235B鋼，所以選取頂部節(jié)點豎向位移不超過10.0 mm，各個梁截面應力不超過235.0 MPa為約束條件.

4.2 優(yōu)化計算

在ANSYS有限元軟件優(yōu)化模塊中采用GUI方式進行參數(shù)初始化設(shè)定，指定狀態(tài)變量和優(yōu)化目標函數(shù)等，進入優(yōu)化處理器，執(zhí)行優(yōu)化計算程序.

4.3 結(jié)果分析

優(yōu)化計算結(jié)果顯示，4個立腿截面保持不變，斜拉筋截面(角鋼)面積為0.001 2 m3，支架整體桿件體積為0.137 5 m3，較之優(yōu)化前的面積和體積變小.

利用優(yōu)化計算結(jié)果，更改支架桿件截面尺寸，并對其進行相同載荷條件下的有限元計算，支架最大應力為11.7 MPa，最大位移為0.455 mm，滿足約束條件，且達到體積最小優(yōu)化目標.

支架優(yōu)化計算前后截面面積及支架應力等見表1.在保證滿足約束條件的前提下，優(yōu)化計算后的結(jié)果不僅實現(xiàn)體積的減小，同時支架最大節(jié)點應力從原來的12.5 MPa減小到11.7 MPa，在此過程中支架最大位移變化微小.

表1 支架優(yōu)化計算前后截面面積及支架應力結(jié)果

5 結(jié)論

(1)利用ANSYS有限元軟件，建立CYJS10-5-37HB抽油機支架有限元模型，通過模擬抽油機工作時支架最大載荷，完成支架的靜強度計算，表明該雙驢頭抽油機支架最大應力出現(xiàn)在后立腿的下部，最大應力為12.5 MPa.支架在循環(huán)載荷作用下整體受壓，且頂部變形較大.

(2)以支架桿系總體積最小為目標函數(shù)，以節(jié)點最大位移和桿系軸向最大應力為約束條件，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，克服傳統(tǒng)試算優(yōu)化方法的不足，提高優(yōu)化效率.該方法可以推廣至其他類型抽油機支架結(jié)構(gòu)的多變量優(yōu)化設(shè)計.

(3)在保證支架有效承載能力的前提下，優(yōu)化結(jié)果使抽油機支架總體積減小0.012 9 m3，支架整體最大應力減小0.8 MPa，即在實現(xiàn)優(yōu)化目標的同時保證支架的有效承載力.