基于下偏杠鈴式抽油機(jī)驢頭的力學(xué)性能研究

王鈺文 侯勇俊 鄧長(zhǎng)飛

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500

0 前言

下偏杠鈴式抽油機(jī)是基于常規(guī)型抽油機(jī)而開發(fā)的一種新型有桿采油設(shè)備，其性能保留了常規(guī)型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備了雙驢頭抽油機(jī)節(jié)能高效的特點(diǎn)，是繼雙驢頭抽油機(jī)后又一節(jié)能效果明顯的游梁式抽油機(jī)。

在工作過程中，抽油機(jī)的下偏杠鈴抽平衡重較大，由此產(chǎn)生的慣性載荷和交變載荷使驢頭在喉口處受到較大的局部應(yīng)力。據(jù)研究［1-3］，由于持續(xù)工作，因局部應(yīng)力集中造成的微小裂紋將逐步擴(kuò)大，并最終導(dǎo)致驢頭撕裂損壞。針對(duì)該型號(hào)抽油機(jī)驢頭喉口處開裂問題，利用數(shù)值模擬方法，在ANSYS 仿真環(huán)境下對(duì)驢頭進(jìn)行有限元分析。通過分析結(jié)果尋找模型中的薄弱位置，按照設(shè)計(jì)思路提出驢頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案［2-3］，對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。比較優(yōu)化前后的模型仿真結(jié)果可得：按優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的驢頭能滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度及靜力穩(wěn)定性要求，仿真結(jié)果對(duì)該型號(hào)抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。

1 抽油機(jī)驢頭基本情況

驢頭安裝在游梁前端，游梁前臂為1 650 mm，游梁后臂為2 000 mm。設(shè)計(jì)中的驢頭寬度為280 mm，回轉(zhuǎn)半徑r 為2 120 mm，驢頭弧長(zhǎng)LEI為1 800 mm，驢頭擺角θ 為48.64°。驢頭主要由Q235 型號(hào)的鋼板和角鋼焊接而成。通過懸繩器，將兩根鋼絲繩懸掛在驢頭弧面上部，保證抽油時(shí)光桿與井口中心位置始終保持對(duì)準(zhǔn)。驢頭設(shè)計(jì)過程中，驢頭弧面半徑應(yīng)等于游梁軸承中心到驢頭弧面上任意一點(diǎn)的長(zhǎng)度，弧面長(zhǎng)度應(yīng)為抽油機(jī)最大光桿沖程Smax的1.2～1.3 倍。驢頭工作平面簡(jiǎn)化示意圖見圖1。圖1 中，BF、CD 和AG 段均采用28a 型號(hào)槽鋼，KE、JH、AI 為L(zhǎng)60×8 的等邊角鋼，在BC、CD、AD 兩側(cè)添加δ12 的C 型加強(qiáng)鋼板，驢頭弧面兩側(cè)采用L60×8 的等邊角鋼焊接成。

2 力學(xué)模型

參考繩輪機(jī)構(gòu)的受載情況［4］，認(rèn)為驢頭與吊繩之間的接觸以滾動(dòng)為主。由于忽略了吊繩對(duì)驢頭存在摩擦力等因素，所以吊繩對(duì)驢頭的作用力沿軸徑圓周方向按余弦分布：

根據(jù)法線方向的平衡方程得：

圖1 驢頭工作平面簡(jiǎn)化示意圖

整理后得：

式中：2ζ 為吊繩包絡(luò)角，（°）；γ 為任意位置的吊繩與驢頭接觸范圍內(nèi)中法線的夾角，（°）；w 為吊繩懸點(diǎn)載荷，kN；R 為杠鈴質(zhì)量中心至中央軸承座中心的距離，mm。

由式（3）可見，吊繩對(duì)驢頭的作用載荷的大小隨吊繩懸點(diǎn)載荷的變化而變化，且吊繩的作用位置、最大載荷值及作用范圍均在不斷變化中。因此，對(duì)驢頭作靜力學(xué)受載分析，只需要分析工作上下沖程的最大載荷，即驢頭在全過程中的最大作用力即可，仿真結(jié)果則可大致滿足實(shí)際工況的要求。在驢頭上沖程中，當(dāng)達(dá)到上死點(diǎn)時(shí)吊繩最大載荷P上=50 kN，驢頭在下沖程時(shí)吊繩最大載荷為P下=30 kN，考慮驢頭自重PZ=5 kN。結(jié)合式（4）～（7）可了解驢頭的最大受載工況。

整理后得出驢頭上、下沖程最大受載，

3 有限元仿真及分析

下偏杠鈴式抽油機(jī)驢頭模型由兩個(gè)較大的弧面鋼板和角鋼焊接組成，根據(jù)有限元理論［5］，驢頭的應(yīng)力和位移可對(duì)應(yīng)方程［k］{u}={p}，［k］為結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣，{u}為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的位移向量，{p}為節(jié)點(diǎn)的載荷向量。因此，在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分析時(shí)，對(duì)驢頭整體結(jié)構(gòu)采用板單元分析，并對(duì)喉口處加以處理。驢頭所受載荷為周期性變化的交變載荷，所以分析問題時(shí)必須確定其載荷譜，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況相符。據(jù)文獻(xiàn)［6］，實(shí)際允許的最大載荷可能等于額定懸點(diǎn)載荷，也可能低于額定懸點(diǎn)載荷。總之，正常工況下的抽油機(jī)最大載荷應(yīng)該總是不大于其相應(yīng)的額定懸點(diǎn)載荷。所以當(dāng)驢頭處于上沖程上死點(diǎn)P上=50 kN 時(shí)，抽油機(jī)處于承受最大載荷的工作工況，載荷相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 驢頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后分析結(jié)果

驢頭喉口處改進(jìn)前后有限元分析的網(wǎng)格劃分見圖2～3。圖4 為原設(shè)計(jì)驢頭的有限元應(yīng)力圖，從圖4 中可知：驢頭與游梁連接部分受力狀況最惡劣時(shí)，最大應(yīng)力為144.96 MPa，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在喉口處附近。優(yōu)化后的驢頭模型有限元分析，應(yīng)力圖見圖5。圖5 表明，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的驢頭在L 型板加強(qiáng)處的應(yīng)力值由144.96 MPa 降至89.409 MPa，應(yīng)力值迅速降低至安全范圍。考慮到驢頭整體結(jié)構(gòu)的安全性，采用S-N 疲勞壽命曲線評(píng)價(jià)方法對(duì)驢頭疲勞壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)疲勞壽命計(jì)算沿用鋼材疲勞和材料的拉伸特性之間的經(jīng)驗(yàn)公式［7］。

圖2 原設(shè)計(jì)驢頭有限元模型

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后驢頭有限元模型

圖4 原設(shè)計(jì)驢頭有限元應(yīng)力圖

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后驢頭有限元應(yīng)力圖

式中：S 為名義應(yīng)力值，MPa；Su為抗拉極限強(qiáng)度，MPa；N 為材料疲勞壽命，次；K、b 為材料常數(shù)。當(dāng)Su＜1 400 MPa 時(shí)，循環(huán)次數(shù)采用106，S6=0.5Su，S3=0.9Su?？傻茫篕=-2/15，b=13/10，即N=10（13/10-S/Su）·15/2，而 驢 頭 材 料 為Q235，其材料抗拉應(yīng)力值Su=375 MPa，名義應(yīng)力值S=144.96-46.82=108.14 MPa，由此N=63 095 734 次，折算后為30 a。根據(jù)SY/T 5044-2003《石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，游梁式抽油機(jī)總使用時(shí)間不低于15 a，相比改進(jìn)前的使用年限19 a，改進(jìn)后效果較好。

假設(shè)在抽油機(jī)受載最大情況時(shí)，是否存在大面積應(yīng)力集中，優(yōu)化方案能否提高驢頭整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在驢頭側(cè)板處選擇多點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)。應(yīng)力對(duì)比曲線見圖6，觀察應(yīng)力曲線對(duì)比結(jié)果：在原結(jié)構(gòu)測(cè)試點(diǎn)上所選擇的測(cè)試值中最大應(yīng)力為121.73 MPa，優(yōu)化后測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力值為67.809 MPa，最大應(yīng)力降低44.3%。因此，可以認(rèn)為在相同設(shè)計(jì)條件下，改進(jìn)后的驢頭應(yīng)力集中現(xiàn)象大大減少，局部應(yīng)變比起之前也有減少。該改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求，即使在惡劣的工況下，驢頭的使用依然安全。

圖6 結(jié)構(gòu)多點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比

4 應(yīng)對(duì)措施及改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后實(shí)物見圖7，為解決抽油機(jī)驢頭開裂問題，在驢頭與游梁連接的喉口處做以下處理［8-9］：

a）對(duì)驢頭裂紋處進(jìn)行清理，在裂紋尾端打Φ=5 mm 止裂孔；用碳弧氣刨將＜8 角鋼與28＃ 槽鋼的焊縫吹開，并將原焊物全部吹盡；同時(shí)將L 型兩側(cè)板裂紋吹開，并在裂紋延伸頭部打Φ=10 mm 的止裂孔。

b）重新將＜8 角鋼與28＃ 槽鋼焊接好。為增加垂直方向的強(qiáng)度，在兩個(gè)28＃ 槽鋼上各加16 mm 厚的墊板；在每個(gè)墊板上鉆兩個(gè)Φ=30 mm 的通孔，并保證通孔的位置精度。槽鋼相對(duì)應(yīng)位置用樣板劃線后吹開Φ=30 mm 的孔。將兩條在預(yù)應(yīng)力加熱爐內(nèi)加熱達(dá)到預(yù)設(shè)變形量的M30×1.5 雙頭螺栓穿過兩孔，用M30×1.5的圓螺母背緊，使螺栓與工件在溫度相同后產(chǎn)生10%～13%的預(yù)緊力，并將圓螺母與螺栓焊牢。

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比實(shí)物

c）將兩側(cè)L 型加強(qiáng)板重新焊好，為對(duì)接焊縫，應(yīng)先做打底小參數(shù)焊接，其后才可做封口焊接；在打磨平整后的加強(qiáng)板上加貼兩塊厚12 mm 的月牙板，以增強(qiáng)驢頭上連接板處的強(qiáng)度；最后對(duì)驢頭原有焊縫、新焊縫進(jìn)行無損探傷檢測(cè)，確保修復(fù)后的驢頭質(zhì)量合格。

5 結(jié)論

a）抽油機(jī)的下偏杠鈴處于自由狀態(tài)，且平衡重較大。在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性載荷，使驢頭局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，這是造成驢頭局部撕裂的主要原因。

b）改進(jìn)驢頭與游梁連接處的結(jié)構(gòu)后，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力狀況大為改善，局部最大應(yīng)力由144.96 MPa 降至89.409 MPa。

c）在實(shí)施應(yīng)用措施和局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意各個(gè)連接處的焊縫形式，提高驢頭焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生新的應(yīng)力集中；同時(shí)，注意連接板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能減少不必要的連接，以確保抽油機(jī)安全運(yùn)行。

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