游梁式抽油機(jī)支架的有限元模態(tài)分析

游梁式抽油機(jī)支架的有限元模態(tài)分析

潘小兵1董小慶2宋治國(guó)3

(1.大慶油田試油試采分公司試油大隊(duì)，黑龍江 大慶 163412；2.中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024；

3.中石油鉆井院江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000)

摘要：支架是游梁式抽油機(jī)的主要承載部件，其振動(dòng)特性對(duì)抽油機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性有重要影響?，F(xiàn)以C-228D-173-74抽油機(jī)支架為例進(jìn)行模態(tài)分析，得到預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下支架前6階的振型和固有頻率。模態(tài)分析結(jié)果表明：該抽油機(jī)支架最低頻率為22.39 Hz，工作中發(fā)生與電機(jī)諧振的可能性較大，可適當(dāng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速以避開(kāi)共振頻率；前支撐腿剛度不足，應(yīng)采取適當(dāng)措施加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；支架；SolidWorks Simulation；模態(tài)分析

收稿日期：2015-06-26

作者簡(jiǎn)介：潘小兵(1979—)，男，甘肅靈臺(tái)人，工程師，從事石油、天然氣勘探開(kāi)發(fā)工作。

0引言

游梁式抽油機(jī)是一種機(jī)械采油裝置，是我國(guó)各大陸上油田的主力采油設(shè)備[1-2]，其主體結(jié)構(gòu)由曲柄、連桿、游梁、橫梁、驢頭、支架等部件組成。游梁安裝在支架的軸承座上，以軸承座中心為支點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。作為抽油機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)件之一，支架既為游梁的擺動(dòng)提供支點(diǎn)，又承受著抽油機(jī)工作中懸點(diǎn)載荷和連桿力傳遞給游梁的巨大載荷，其振動(dòng)特性關(guān)系到抽油機(jī)穩(wěn)定性及整個(gè)機(jī)采系統(tǒng)的可靠性。

有限元模態(tài)分析是一種用數(shù)值模擬方法確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的技術(shù)，可克服實(shí)際模態(tài)測(cè)試中的諸多限制[3]，在石油裝備行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為石油裝備零部件乃至整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的分析提供了有效手段。本文基于SolidWorks的Simulation工程分析模塊對(duì)API C-228D-173-74抽油機(jī)支架進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了支架各階模態(tài)的固有頻率及其振型，為抽油機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了有意義的理論指導(dǎo)。

1模態(tài)分析的數(shù)學(xué)方法

抽油機(jī)支架可簡(jiǎn)化為一個(gè)多自由度線性定常系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程可描述為[4]：

(1)

若系統(tǒng)無(wú)外力作用，則F={0}，可得到系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程。在求結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的頻率和振型即求結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型時(shí)，阻尼對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。因此，阻尼項(xiàng)可以忽略，這時(shí)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

其對(duì)應(yīng)的特征方程為：

(K-ω2M)X=0

(3)

式中，ω為系統(tǒng)的固有頻率。

解方程組(3)可得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

2抽油機(jī)支架的模態(tài)分析

2.1模型建立

API C-228D-173-74抽油機(jī)是油田使用較多的一種輕型抽油機(jī)，其支架主要由支撐腿、支撐板、夾板、加強(qiáng)板、調(diào)整座、軸承座、調(diào)整螺栓等零部件組成。其中支撐腿由H型鋼制成，支撐板為角鋼，加強(qiáng)板則為一定厚度的鋼板。支撐腿數(shù)量為3條，是整個(gè)抽油機(jī)支架的主體，支撐板和加強(qiáng)板焊接在支撐腿上，軸承座用墊圈和螺栓安裝在支架頂端。

利用SolidWorks基于特征的建模功能建立支架的實(shí)體模型，假設(shè)所有焊縫均沒(méi)有問(wèn)題，故將整個(gè)支架建立為一個(gè)實(shí)體。建模時(shí)省略了軸承座、螺栓螺母等細(xì)小結(jié)構(gòu)。所建立的三維實(shí)體模型如圖1所示。

2.2有限元網(wǎng)格劃分

在Simulation模塊下進(jìn)行支架的網(wǎng)格劃分。鑒于抽油機(jī)支架的支撐腿、支撐板、加強(qiáng)板間長(zhǎng)度尺寸相差較大，故分別對(duì)各零件應(yīng)用不同的網(wǎng)格精度控制參數(shù)，以獲得較均勻的網(wǎng)格分布。為增加網(wǎng)格劃分的成功率，網(wǎng)格類型選擇為“基于曲率的網(wǎng)格”[5]，支架的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，共103 494個(gè)節(jié)點(diǎn)，52 671個(gè)單元，經(jīng)檢查無(wú)扭曲單元存在，說(shuō)明網(wǎng)格劃分的質(zhì)量較高。根據(jù)支架的設(shè)計(jì)要求，在網(wǎng)格劃分完畢后統(tǒng)一設(shè)定材料為“普通碳鋼”。

圖1　抽油機(jī)支架三維實(shí)體模型　　圖2　抽油機(jī)支架的有限元網(wǎng)格

2.3載荷及約束施加

抽油機(jī)支架在工作過(guò)程中受到一定的載荷，因此預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析比自由模態(tài)分析更能準(zhǔn)確反映支架實(shí)際振動(dòng)特性。因驢頭懸點(diǎn)的載荷隨著曲柄轉(zhuǎn)角的變化而變化，是時(shí)間的函數(shù)，在軟件中不便施加動(dòng)態(tài)載荷，故本分析根據(jù)最惡劣的工況施加載荷，以驢頭位于下死點(diǎn)并即將開(kāi)始上沖程運(yùn)動(dòng)為最大受力位置。依據(jù)API規(guī)范[6]和該抽油機(jī)型號(hào)，可計(jì)算出此時(shí)支架水平和豎直方向受力分別為FX=28.95 kN、方向向右，F(xiàn)Y=201.78 kN、方向豎直向下，將這兩個(gè)力分別施加于支架頂板上部和側(cè)面。

支架的3條支撐腿分別由螺栓固定在基座上，根據(jù)其實(shí)際安裝狀態(tài)，分別在3條支腿的螺栓安裝板上施加“固定”約束。

2.4結(jié)果分析

選擇Direct sparse解算器進(jìn)行求解，可得到支架的各階模態(tài)振型和參數(shù)。圖3為前6階振型，表1列出了前6階振型所對(duì)應(yīng)的固有頻率和最大振幅。

圖3　抽油機(jī)支架的前6階振型

階數(shù)振動(dòng)頻率/Hz最大位移/mm122.397.18242.505.30345.338.11465.597.17587.409.34694.7411.39

由表1知，支架的1階固有頻率為22.39 Hz，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)驢頭上下運(yùn)動(dòng)的頻率，因此在抽油機(jī)工作過(guò)程中支架不會(huì)與游梁運(yùn)動(dòng)頻率耦合而產(chǎn)生共振。但由于該抽油機(jī)的電機(jī)、減速器和后支撐腿安裝在同一基座上，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min左右時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)作為激勵(lì)源，可能激起支架的1階模態(tài)。其余各階模態(tài)頻率均在40 Hz以上，通常不會(huì)被抽油機(jī)本身的激勵(lì)源激發(fā)。

由圖3可知，1、3、5階振型主要表現(xiàn)為兩條前支撐腿的彎曲，第2階振型主要為后支撐腿的彎曲，第4、6階振型主要是前支撐腿的彎曲及扭轉(zhuǎn)。

觀察模態(tài)發(fā)現(xiàn)最大振幅發(fā)生在第6階，前支撐腿中部位移為11.39 mm，最小振幅發(fā)生在第2階，后支撐腿上部位移為5.30 mm，而可能被激起的第1階模態(tài)位移發(fā)生在前支撐腿的中上部，為7.18 mm。

總體而言，除了第2階模態(tài)振型以外，前支撐腿在其余各階振型中都發(fā)生了最大模態(tài)位移，說(shuō)明支架的后支撐腿、支撐板和加強(qiáng)板具有足夠的剛度，而前支撐腿剛度不足?？刹扇∵m當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)避開(kāi)共振頻率，或?qū)η爸瓮炔扇〖訌?qiáng)措施，如在最大模態(tài)位移部位焊接加強(qiáng)板或?qū)⑶爸瓮雀鼡Q為截面積較大的H型鋼。

3結(jié)論

本文以API C-228D-173-74抽油機(jī)支架為研究對(duì)象，在SolidWorks環(huán)境下建立其三維實(shí)體模型，并利用Simulation模塊進(jìn)行了有限元仿真，經(jīng)模態(tài)分析得到支架的前6階振型，得出以下結(jié)論：(1) 該支架的第1階模態(tài)較容易被電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)激起，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速以避開(kāi)共振頻率；(2) 支架前支撐腿模態(tài)位移較大，剛度不足，應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

[參考文獻(xiàn)]

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[4]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[5]葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation高級(jí)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]API SPEC 11E—2008抽油機(jī)規(guī)范[S].