抽油機(jī)數(shù)字樣機(jī)建立與關(guān)鍵部件數(shù)值仿真分析?

王小明，朱 穎，袁 亮，吳 強(qiáng)，李智鐘

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)揉合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體機(jī)能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。

在國(guó)際上數(shù)字樣機(jī)技術(shù)很早就應(yīng)用到抽油機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。國(guó)內(nèi)對(duì)抽油機(jī)的的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特性、平衡技術(shù)、節(jié)能技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)展了多方面的研究［1］，但在虛擬技術(shù)上很少有人涉及，僅僅停留在模型的建立方面，運(yùn)動(dòng)仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)和有限元分析技術(shù)的應(yīng)用還限于初級(jí)階段。為了達(dá)到節(jié)能降耗的要求，只有從抽油機(jī)結(jié)構(gòu)本身下手，利用計(jì)算機(jī)建模軟件，將現(xiàn)實(shí)中的東西虛擬化，虛實(shí)結(jié)合對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)、動(dòng)力性能等方面進(jìn)行改善，才能從根本上解決抽油機(jī)的節(jié)能化問(wèn)題。本文以調(diào)徑變矩抽油機(jī)為研究對(duì)象，建立節(jié)能抽油機(jī)的數(shù)字樣機(jī)，利用有限元分析軟件對(duì)其各部件進(jìn)行數(shù)值分析，為關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 抽油機(jī)數(shù)字樣機(jī)的建立

1.1 建立抽油機(jī)三維模型

本文選擇UG 軟件作為抽油機(jī)三維模型建模平臺(tái)。UG 不僅具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配和創(chuàng)建工程圖等設(shè)計(jì)功能，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬。抽油機(jī)整機(jī)采用自底向上層次化的建模方法，包含零件可視化模型、物理屬性模型以及幾何拓?fù)淠Ｐ?，以滿足對(duì)節(jié)能抽油機(jī)的不同分析要求。首先建立所有零件的三維實(shí)體模型，其次建立各個(gè)零部件的裝配模型，最后進(jìn)行總裝配，建立完整的抽油機(jī)裝配模型［2］。

1.2 抽油機(jī)數(shù)字樣機(jī)虛擬裝配

游梁式調(diào)徑變矩抽油機(jī)是在常規(guī)游梁式抽油機(jī)基礎(chǔ)上演化而成，其主體部分與前置式游梁抽油機(jī)基本相同。它是從改變平衡方式入手，將曲柄平衡改為游梁平衡，通過(guò)改善動(dòng)態(tài)平衡效果實(shí)現(xiàn)節(jié)能。抽油機(jī)主機(jī)由底座、減速箱、曲柄、平衡塊、連桿、橫梁、支架、驢頭、懸繩器、剎車裝置組成，輔機(jī)由電動(dòng)機(jī)、電路控制裝置組成。抽油機(jī)采用自底向上裝配，先設(shè)計(jì)單個(gè)零部件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配生成總體設(shè)計(jì)。所創(chuàng)建的裝配體將按照組件、子裝配體和總裝配的順序進(jìn)行排列，并利用約束條件進(jìn)行逐級(jí)裝配，從而形成裝配模型。在整機(jī)裝配時(shí)，以游梁回轉(zhuǎn)中心和支架中心為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配可以有效地提高裝配精度［3］。建好的抽油機(jī)數(shù)字樣機(jī)如圖1所示。

2 抽油機(jī)關(guān)鍵部件數(shù)值仿真分析

利用UG 和ANSYS之間的接口，將UG 中建立的單個(gè)零部件模型導(dǎo)入ANSYS中，通過(guò)網(wǎng)格劃分、有限元求解生成系統(tǒng)所需要的模態(tài)中性文件。

對(duì)節(jié)能抽油機(jī)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，找出其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)上的一般性規(guī)律；得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中零部件的實(shí)時(shí)受力情況，利用ANSYS進(jìn)行具體的應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)力集中分析，得出運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)規(guī)律，對(duì)抽油機(jī)性能做出評(píng)價(jià)分析，對(duì)抽油機(jī)設(shè)計(jì)、使用提出建議。

圖1 調(diào)徑變矩游梁式抽油機(jī)的數(shù)字樣機(jī)

由新疆第三機(jī)床廠調(diào)研數(shù)據(jù)得知：抽油機(jī)鉸鏈結(jié)構(gòu)在整個(gè)周期均受力，為周期性交變應(yīng)力，在抽油機(jī)下死點(diǎn)位置，此力達(dá)到第一個(gè)波峰，抽油機(jī)運(yùn)行至上死點(diǎn)位置時(shí)，所受載荷最大，故對(duì)其驢頭部分選取上死點(diǎn)位置進(jìn)行靜力學(xué)分析。

驢頭是抽油機(jī)受力的關(guān)鍵部件，用來(lái)將游梁前段的往復(fù)圓弧運(yùn)動(dòng)變成抽油桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是抽油機(jī)的主要承載部件，抽油機(jī)工作載荷全部由驢頭承擔(dān)，它直接承受鋼絲繩傳來(lái)的懸點(diǎn)載荷和自身重力。對(duì)輻板式驢頭的分析主要集中在驢頭等效應(yīng)力、應(yīng)變以及總變形等幾個(gè)方面。

2.1 網(wǎng)格的劃分

將UG 所繪制的驢頭部分以IGMS格式導(dǎo)出，用ANSYS打開(kāi)并劃分網(wǎng)格，采用六面體網(wǎng)格，單元格尺寸為50mm，得出驢頭的有限元模型，如圖2所示。

圖2 驢頭的有限元模型

2.2 加載載荷

在驢頭與游梁前臂連接部分施加固定載荷約束，在驢頭與抽油桿接觸部分施加一個(gè)向下大小為270 kN 的力，如圖3和圖4所示。

2.3 分析結(jié)果

分析結(jié)果如圖5～圖7 所示。由圖5 可以看出，在驢頭與游梁前臂連接點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)63.476 MPa；由圖7可以看出，在驢頭最下端變形量最大，為0.279 94mm。

圖3 加載固定載荷

圖4 加載切向力

圖5 等效應(yīng)力

圖6 等效彈性應(yīng)變

圖7 總變形

驢頭應(yīng)力主要集中在最上兩個(gè)鉸鏈連接處，抽油機(jī)運(yùn)行至上死點(diǎn)時(shí)，所受載荷最大，驢頭在上支撐板的內(nèi)側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)裂紋［4］。裂紋逐步向上延伸，繼續(xù)延伸的結(jié)果是驢頭落地。

圖7顯示了驢頭在載荷反復(fù)作用下，發(fā)生了橫向變形，說(shuō)明驢頭的橫向剛度較低［5］，建議在驢頭內(nèi)部方型框架內(nèi)加一斜撐，使其由方框型變?yōu)閮蓚€(gè)三角形，從而大大增加其穩(wěn)定性，也可提高其橫向剛度。

3 結(jié)論

本文以游梁式調(diào)徑變矩抽油機(jī)為研究對(duì)象，將三維建模軟件和有限元分析軟件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行建模和有限元分析。先利用UG 三維建模軟件對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行完整建模，實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字樣機(jī)的建立，然后利用ANSYS分析軟件對(duì)抽油機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，為關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］ 劉克旺，張彥廷，魏遼，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的游梁式抽油機(jī)參數(shù)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010（7）：19－22.

［2］ 孫文磊，王新，海幾哲.虛擬樣機(jī)技術(shù)在油田抽油機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［C］／／全國(guó)高等學(xué)校制造自動(dòng)化研究會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：1－6.

［3］ 滕明燕，何連英，張東芹.虛擬裝配技術(shù)在節(jié)能抽油機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)床與液壓，2011（9）：126－128.

［4］ 羅仁全，張學(xué)魯，于勝存，等.游梁式抽油機(jī)節(jié)能機(jī)理及其典型構(gòu)件分析［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2007.

［5］ 王新.虛擬樣機(jī)技術(shù)在抽油機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［D］.烏魯木齊：新疆大學(xué)，2006：68－69.