雙驢頭抽油機柔性連桿斷裂機理分析

許馮平，周 延，趙志聰

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318）①

雙驢頭抽油機有很好的節(jié)能效果，尤其是后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機，在大慶油田和勝利油田得到了較廣泛的應用［1－8］，但在應用中也發(fā)現了一些問題。根據雙驢頭抽油機在大慶油田等單位使用數據的統(tǒng)計分析發(fā)現，后驢頭柔性連桿破壞的概率非常大［9］，如表1。

影響柔性連桿使用壽命的因素有多種，如使用安裝問題、柔性連桿性能和材質問題以及疲勞等。本文針對后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機，從后驢頭型面尺寸參數的角度分析柔性連桿的斷裂機理。

為此，首先應完成后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機的位置分析；其次對發(fā)生故障的雙驢頭抽油機進行改進設計，完成后驢頭型面參數的優(yōu)化設計。

表1 柔性連桿失效統(tǒng)計

1 變尺度連桿機構位置分析模型

如圖1，后驢頭型面O2T為阿基米德螺線，游梁支點設置為坐標系原點O，O1為曲柄旋轉中心，O2為后驢頭型面曲線極點，O2A為阿基米德螺線O2T的極軸。

后驢頭阿基米德螺旋線型面參數為：OO2為極心距b；阿基米德螺旋線常數為e；O2A與OO2的夾角為ε。

抽油機結構參數：R為曲柄半徑，mm；I為機架OO1水平投影，mm；H為機架垂直投影，mm；C為游梁后臂長，mm；L為游梁前臂長，mm；Lmin為最小連桿長，mm；θo為上沖程初始角，（°）；λ為極位夾角，（°）；γo為游梁最大擺角的1/2，（°）。

圖1 后驢頭型面為阿基米德螺旋線雙驢頭抽油機模型

當曲柄為任意轉角θ時，有

式中：

由式（1）～（2）可解得該位置時的ξ，ξ為此時阿基米德螺線與連桿BT切點處的極角。

上述模型中的ξb由以下模型求得（如圖1），處于下死點位置時游梁后臂長處于最大值，有

其中

同時

由式（3）～（4）可解得ξb，ξb為游梁處于下死點位置時阿基米德螺線與連桿BT切點處的極角。

在求得以上參數后，則任意瞬時∠2可按以下模型求得，由圖中的各角度關系得

則，任意θ時刻，B、T點坐標分別為

據此可以得到任意曲柄轉角θ時，變尺度曲柄搖桿機構的位置關系，即柔性連桿BT與后驢頭型面OO2T的位置關系。

2 變尺度連桿機構優(yōu)化設計模型

優(yōu)化設計是針對原設計后驢頭型面驢嘴磕咬柔性連桿缺陷的技術改進措施，即在保證原結構尺寸不變或較小變化的條件下，優(yōu)化后驢頭阿基米德螺旋線型面參數，而使最大轉矩因數最小為優(yōu)化的目標函數，其模型為

式中：X＝（x1，x2，…，x8）T＝（R，I，H，A，b，e，ε，L）T，各變量意義同前。

模型中的約束條件主要包括：

1） 結構性干涉條件 例如橫梁與曲柄平衡塊的干涉、橫梁和后驢頭的干涉、后驢頭和支架的干涉、前驢頭和支架的干涉等。

2） 各參量界限的約束 例如極位夾角、初始角、游梁擺角、柔性連桿長度、沖程長度等。

3） 協(xié)調性約束 例如柔性連桿與后驢頭型面曲線（阿基米德螺旋線）總是相切關系、曲柄搖桿機構四邊形總是存在等，該部分內容已有較多的研究［1，7－9］，在此不贅述。

3 實例分析

以某10型抽油機為例，分析其柔性連桿斷裂的原因，原設計參數和優(yōu)化后的參數如表2。

表2 某10型抽油機設計參數

按上述模型繪制的柔性連桿機構處于（含后驢頭型面曲線）上下死點位置時各構件位置關系如圖2。

圖2 柔性連桿機構處于上下死點位置時各構件位置關系

由圖2可見：當處于下死點位置時，原設計柔性連桿與后驢頭型面不相切。且柔性連桿處于后驢頭驢嘴里，這就造成連續(xù)工作時，后驢頭驢嘴總是磕咬柔性連桿，從而造成柔性連桿斷裂；當處于上死點位置時，兩者也不相切，這時柔性連桿與后驢頭型面干涉，只造成柔性連桿受力變惡劣，不會發(fā)生磕咬現象；在其他位置時，兩者都是相切的，為節(jié)省篇幅，沒有列出其位置圖。

優(yōu)化設計后，情況得到了極大改善，當處于上、下死點位置時，柔性連桿與后驢頭型面都幾乎相切，且在下死點位置時，柔性連桿位于后驢頭驢嘴外，不會發(fā)生磕咬現象，柔性連桿受力也不會變惡劣。分析表明：發(fā)生磕咬現象的主要原因是ξb過小造成的；同理，在其他時刻柔性連桿都能與后驢頭相切；除此以外，應盡量增加后驢頭型面曲線的曲率半徑，以降低柔性連桿的彎曲應力。優(yōu)化設計后的機型很好地做到了這一點。

4 結論

根據油田現場調研的統(tǒng)計資料，雙驢頭抽油機柔性連桿經常發(fā)生磕咬斷裂的現象。本文建立了針對后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機柔性連桿斷裂機理分析模型。通過實例分析，給出了原設計機型柔性連桿經常發(fā)生斷裂的原因，在不發(fā)生結構尺寸較大變化的基礎上，給出了改進設計。分析結果表明，改進后的機型可以避免該斷裂現象的發(fā)生。該研究成果已經應用到油田實際生產中。

［1］ 劉健，綦耀光，肖世宏，等.阿基米德螺線雙驢頭抽油機優(yōu)化設計［J］.石油礦場機械，2001，30（3）：14－17.

［2］ 綦耀光，劉健，肖世宏，等.后驢頭為圓弧的雙驢頭抽油機運動與動力分析［J］.石油礦場機械，2001，30（增刊）：24－28.

［3］ 高鳳云.常規(guī)抽油機改造為雙驢頭抽油機的設計與實踐［J］.石油機械，2002（7）：50－52.

［4］ 綦耀升.雙驢頭抽油機現場使用中存在問題的改進［J］.石油機械，2004（7）：46－48.

［5］ 戴楊，陸玲，高學仕.雙驢頭抽油機的運動與動力特性分析［J］.機械設計，2004（1）：26－28.

［6］ 劉華博，劉嬌霞，孫鶴，等.常規(guī)機、雙驢頭抽油機運動動力特性對比分析［C］.北京：力學學會第19屆學術年會論文集，2013：577－579.

［7］ 鄒龍慶，宋振華.雙驢頭抽油機優(yōu)化設計與運動學仿真分析［J］.石油礦場機械，2012，41（6）：21－25.

［8］ 崔曉華，梁柱，鄒龍慶，等.基于Solid Works的雙驢頭抽油機支架三維建模及結構優(yōu)化［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：42－44.

［9］ 大慶市科學技術委員會.雙驢頭抽油機可靠性研究報告［Z］.2007.