游梁式抽油機(jī)曲柄銷結(jié)構(gòu)與工藝改進(jìn)研究

王曉方

(沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧撫順 113122)

游梁式抽油機(jī)是開(kāi)采原油的主要設(shè)備，抽油機(jī)性能的可靠性不但影響采油量和采油成本，而且對(duì)井口裝置和人的生命安全意義重大。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)得知，曲柄銷過(guò)早損壞占抽油機(jī)故障總數(shù)的30%以上。

采用常規(guī)的分析方法，即從強(qiáng)度、疲勞破壞等常用的力學(xué)方法來(lái)分析曲柄銷損壞的原因，并將這些研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際后，人們發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。利用微動(dòng)磨損理論，對(duì)曲柄銷的工作狀態(tài)和損壞特征進(jìn)行分析，提出了對(duì)曲柄銷結(jié)構(gòu)和加工工藝進(jìn)行改進(jìn)的新方法。

1 曲柄銷損壞機(jī)制分析

在采油現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)際的曲柄銷斷裂面通常發(fā)生在曲柄銷的錐面上。利用微動(dòng)磨損理論，分析曲柄銷的工作狀態(tài)和損壞特征如下:

(1)在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，連桿對(duì)曲柄的拉力大小和方向都是變化的，曲柄銷所處的工作環(huán)境，存在引起微動(dòng)的振動(dòng)源或交變運(yùn)動(dòng)。

(2)觀察損壞的曲柄銷與錐套配合面磨損照片(圖1)可見(jiàn):其表面存在明顯的壓痕接觸區(qū)，即存在微動(dòng)破壞的表面形貌。

圖1 曲柄銷和錐套配合面磨損照片

(3)觀察錐套上的磨屑，發(fā)現(xiàn)其顏色為紅棕色，這是判定微動(dòng)磨損的最好依據(jù)。

(4)觀察錐套磨損面裂紋照片(圖2)可見(jiàn)，錐套上的主裂紋方向和曲柄銷軸線方向(水平方向)一致，即生成垂直于滑動(dòng)方向的疲勞裂紋，這是微動(dòng)磨損的突出特點(diǎn)。

圖2 錐套磨損面裂紋照片

由此可見(jiàn)，曲柄銷和錐套之間確實(shí)存在微動(dòng)磨損，這種微動(dòng)磨損一旦形成疲勞裂紋，在交變應(yīng)力的作用下裂紋逐漸擴(kuò)展，達(dá)到一定程度時(shí)就必然發(fā)生曲柄銷斷裂事故。這才是曲柄銷損壞的根本原因。

2 曲柄銷結(jié)構(gòu)及參數(shù)的合理選擇

在曲柄銷的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，有些參數(shù)是根據(jù)曲柄銷所傳動(dòng)的功率和扭矩，通過(guò)強(qiáng)度和剛度計(jì)算，并結(jié)合結(jié)構(gòu)需要來(lái)確定的，如曲柄銷各部分直徑、各部分長(zhǎng)度、螺紋螺距等，這些參數(shù)通過(guò)力學(xué)計(jì)算可以很方便得出結(jié)果。

現(xiàn)討論上述參數(shù)以外其他參數(shù)的確定問(wèn)題。它們雖然是細(xì)小部分參數(shù)，但對(duì)微動(dòng)影響較大，極易造成曲柄銷斷裂。

2.1 合理確定錐面上空刀槽的位置和尺寸

圖3 曲柄銷結(jié)構(gòu)示意圖

由于曲柄銷錐面較長(zhǎng)，為了提高曲柄銷錐面與錐套的接觸性能，通常在曲柄銷錐面上加工出空刀槽，如圖3中間段錐面凹入部分所示。

由于曲柄銷錐面與錐套是一個(gè)微動(dòng)幅，為使接觸面間不產(chǎn)生滑動(dòng)，就必須滿足條件:

p·μ＞τ式中:p為表面間的正壓力;μ為摩擦因數(shù);τ為表面間的剪應(yīng)力。

該式為曲柄銷空刀槽尺寸設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過(guò)該式還可看出，空刀槽還具有提高接觸壓力、增加抗微動(dòng)的能力。

空刀槽的位置應(yīng)設(shè)置在錐面全長(zhǎng)的中間，空刀槽的寬度為錐面全長(zhǎng)的1/3左右，空刀槽的深度一般為5 mm。

2.2 改變空刀槽與錐面間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)

以往曲柄銷空刀槽與錐面之間均采用倒角過(guò)渡。由于微動(dòng)的存在，造成該過(guò)渡處應(yīng)力集中大大增加。為了解決這一問(wèn)題，采用圓弧代替倒角的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，如圖3中間段錐面凹入部分兩側(cè)圓角所示。

2.3 錐面錐度的合理選擇

根據(jù)曲柄銷的工作特點(diǎn)，參照其使用、安裝要求，通常選擇曲柄銷錐面錐度為1∶8、1∶10、1∶12等。通過(guò)分析不同錐度時(shí)錐面上最大工作壓力的特點(diǎn)，最后確認(rèn)最佳錐度為1∶8。

2.4 螺紋退刀槽過(guò)渡圓角半徑的合理選擇

由于螺紋退刀槽處直徑最小，是曲柄銷最薄弱的環(huán)節(jié)，該處過(guò)渡圓角過(guò)大將造成直徑減少和曲柄銷長(zhǎng)度增加;過(guò)小將產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。綜合上述觀點(diǎn)并考慮曲柄銷的尺寸大小，一般選擇圓角半徑為5 mm。

3 曲柄銷加工工藝的改進(jìn)

在加工曲柄銷時(shí)，除應(yīng)滿足一般零件對(duì)尺寸、公差、表面粗糙度、形位公差等要求外，還應(yīng)特別重視如下要求:

3.1 材料和硬度要求

由于微動(dòng)磨損既是機(jī)械作用，又是化學(xué)作用，曲柄銷表面性能對(duì)微動(dòng)影響尤為突出，為此，曲柄銷材料一般選40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB250～280，且要求同一零件上不同點(diǎn)的硬度差小于5 HB。同時(shí)，要對(duì)零件整體進(jìn)行無(wú)損探傷檢驗(yàn)，確保材料內(nèi)部無(wú)缺陷。

3.2 嚴(yán)把錐面磨削關(guān)

曲柄銷錐面磨削加工時(shí)，砂輪硬度、進(jìn)給量要合適，冷卻要充分，砂輪不能太鈍，否則將產(chǎn)生過(guò)大的表面應(yīng)力。1∶8錐體上要求涂色檢驗(yàn)，其接觸斑點(diǎn)在圓周和長(zhǎng)度方向應(yīng)均勻分布，且接觸面積不小于80%。

3.3 螺紋退刀槽過(guò)渡圓角加工與檢驗(yàn)

螺紋退刀槽過(guò)渡圓角最終采用滾壓加工，用樣板檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

由于采用常規(guī)的分析方法對(duì)曲柄銷損壞機(jī)制進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)工藝改進(jìn)，不能解決曲柄銷過(guò)早損壞問(wèn)題。利用微動(dòng)磨損的基本理論，通過(guò)對(duì)曲柄銷的工作狀態(tài)和損壞特征進(jìn)行分析，得出了曲柄銷過(guò)早損壞和微動(dòng)有關(guān)。根據(jù)這一結(jié)論，提出了在結(jié)構(gòu)和加工工藝等方面改進(jìn)曲柄銷的方法。

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