抽油機(jī)主要零部件設(shè)計(jì)

張悅 高琪琪 王艷成

【摘要】本文主要針對(duì)抽油機(jī)的游梁、橫梁、連桿、曲柄銷(xiāo)以及減速器等主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在為抽油機(jī)提供重要部件支持。

【關(guān)鍵詞】游梁 ?橫梁 ?連桿 ?曲柄銷(xiāo) ?減速器

一、游梁

（一）游梁截面

游梁是連桿機(jī)構(gòu)中直接承受油井載荷的重要部件，必須保證足夠的強(qiáng)度和剛度。美國(guó)抽油機(jī)的游梁本體一般采用寬翼工字鋼。由于缺少這種型鋼，中、小型抽油機(jī)常用普通工字鋼，大、中型抽油機(jī)常用鋼板焊接而成，焊接游梁有單腹板和雙腹板兩種。CYJY6-2.5-26HF抽油機(jī)屬小型機(jī)，采用寬翼工字鋼焊接游梁。

（二）游梁危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度校核

游梁危險(xiǎn)截面內(nèi)的正應(yīng)力隨著懸點(diǎn)載荷W作周期性的變化。但由于бmin/max一般大于0.25，應(yīng)力幅бa比較小，應(yīng)力集中系數(shù)也比較小，故可不作疲勞強(qiáng)度校核，只作靜強(qiáng)度校核。游梁材料為Q235-B，游梁的бs=235MPa。游梁危險(xiǎn)截面1在游梁主軸承中部，游梁的計(jì)算高度為475毫米，結(jié)構(gòu)為450×300寬翼工字鋼加下加強(qiáng)板。游梁危險(xiǎn)截面2在游梁主軸承加強(qiáng)板的前側(cè)，游梁的計(jì)算高度為450毫米，結(jié)構(gòu)為寬翼450×300工字鋼。

二、橫梁

（1）橫梁截面。橫梁采用25a工字鋼與鋼板的組焊件。

（2）橫梁危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度校核。對(duì)于截面，如果只考慮工字鋼主體的承載，可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。對(duì)于截面，如果不僅考慮工字鋼主體的承載，又考慮加強(qiáng)板的加強(qiáng)作用，尚有一定的強(qiáng)度余量?？梢?jiàn)，橫梁結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。從以上分析可知，CYJY6-3.0-26（18）HF型抽油機(jī)的連桿受力較小，可考慮使用與5型機(jī)統(tǒng)一的橫梁、尾軸承和連桿結(jié)構(gòu)。

三、連桿

（1）連桿截面。連桿采用熱軋無(wú)縫鋼管制成。曲柄平衡的異相型游梁抽油機(jī)的連桿只承受拉力，只需進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。雖然拉力也是變化的，但應(yīng)力幅不大，按照標(biāo)準(zhǔn)，可以只作靜強(qiáng)度校核，不作疲勞強(qiáng)度校核。

（2）連桿抗拉強(qiáng)度校核。連桿材料為20#鋼，бs=250MPa。計(jì)算表明：連桿本體設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。連桿與接頭的焊縫采用腰高為8mm的滿(mǎn)焊縫，共4條，長(zhǎng)度為300毫米，按照剪切許用應(yīng)力為50～100MPa計(jì)算，有足夠的強(qiáng)度。

四、曲柄銷(xiāo)

曲柄銷(xiāo)是游梁抽油機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵零件，一旦損壞斷脫，抽油機(jī)就不能工作，嚴(yán)重影響油井生產(chǎn)，甚至?xí)l(fā)生重大設(shè)備故障，所以應(yīng)精心設(shè)計(jì)。由于曲柄銷(xiāo)的工作特點(diǎn)，要求它和曲柄體之間的連接既要十分牢固可靠、又要便于拆裝以便調(diào)整沖程，一般采用錐面配合、螺栓拉緊的連接結(jié)構(gòu)。我國(guó)抽油機(jī)往往在曲柄體的銷(xiāo)孔中鑲裝錐套，其優(yōu)點(diǎn)是加工方便、曲柄體不宜損壞。

在我國(guó)油田上，曲柄銷(xiāo)的斷脫情況曾一度比較嚴(yán)重、曲柄銷(xiāo)的主要失效形式有：在螺紋及其退刀槽處、圓錐面退刀槽以及凸肩兩側(cè)處斷裂，圓錐配合面損壞或錐套被擠碎，螺母松動(dòng)或脫落。其斷裂大多屬于產(chǎn)生于上述幾個(gè)應(yīng)力集中部位的疲勞破壞。在交變的橫向載荷作用下，曲柄銷(xiāo)在孔中可能松動(dòng)，這將會(huì)增大曲柄銷(xiāo)懸臂的長(zhǎng)度，使危險(xiǎn)截面移到螺紋退刀槽等薄弱部位，增加了疲勞破壞的可能性。

為了減少曲柄銷(xiāo)的斷脫事故，提高其工作可靠性，應(yīng)從兩方面考慮。一是注意曲柄銷(xiāo)的配合質(zhì)量和連接可靠性，盡力防止曲柄銷(xiāo)的松動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng);二是保證曲柄銷(xiāo)本身有足夠的強(qiáng)度特別是疲勞強(qiáng)度。

（一）防止曲柄銷(xiāo)配合的松動(dòng)

在擰緊螺母以后，若曲柄銷(xiāo)內(nèi)產(chǎn)生的軸向拉力為S0，則當(dāng)尚未有外載荷作用時(shí)，在錐套與曲柄孔的接觸面上將產(chǎn)生均勻的壓力q0。當(dāng)曲柄銷(xiāo)懸臂端作用有連桿力時(shí)，接觸面上的壓力將重新分布。在原來(lái)均布?jí)毫0的基礎(chǔ)上，又產(chǎn)生了附加應(yīng)力△q;

為保證結(jié)合面之間不致產(chǎn)生松動(dòng)和避免結(jié)合面過(guò)早損壞，必需滿(mǎn)足：

式中△qmax - 在原來(lái)均布?jí)毫0的基礎(chǔ)上，由于曲柄銷(xiāo)懸臂端作用有連桿力時(shí)，又產(chǎn)生的附加應(yīng)力△q的最大值;[q]-許用壓力，對(duì)于鋼錐套和鑄鐵曲柄，[q]=140MPa;Lp-曲柄銷(xiāo)懸臂長(zhǎng)度，m; L0-錐套與曲柄孔的配合長(zhǎng)度，m;d0-錐套外徑，m。計(jì)算結(jié)果為：△qmax=28.70Mpα<0.5[q]=70Mpα，可見(jiàn)滿(mǎn)足擠壓強(qiáng)度要求。

（二）曲柄銷(xiāo)的強(qiáng)度計(jì)算

1.彎曲靜強(qiáng)度

假設(shè)曲柄銷(xiāo)與錐套的配合是緊密配合，接觸良好，則將其看成為一端固定的懸臂梁。

2.抗拉靜強(qiáng)度

在曲柄銷(xiāo)螺紋退刀槽處承受相當(dāng)大的軸向拉力以及擰緊螺母時(shí)的扭矩（不包括螺母支撐面上的摩擦力矩）。

五、減速器

以減速器輸出軸最大扭矩匹配抽油機(jī)。按照上述分析，該抽油機(jī)減速器輸出軸當(dāng)量扭矩為：Mmax=23.40kN.m ，可見(jiàn)，選26型雙圓弧齒輪減速器可滿(mǎn)足抽油機(jī)的要求。有關(guān)減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算請(qǐng)參看減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。選配額定扭矩為26kN.m的減速箱，輸出軸最大轉(zhuǎn)速不大于12轉(zhuǎn)/分，有足夠的余量。減速箱上所受的載荷是變化的。按照累計(jì)損傷原理，應(yīng)該按照當(dāng)量扭矩選擇減速箱的長(zhǎng)期工作扭矩，按照最大扭矩選擇減速箱的靜承載扭矩。如果按照當(dāng)量載荷選擇減速箱，按照計(jì)算，該減速箱所承受的當(dāng)量載荷為18～19kN.m，可見(jiàn)，該抽油機(jī)選擇18型減速箱，也能滿(mǎn)足抽油機(jī)長(zhǎng)期工作扭矩的需要。選擇26型減速箱，主要是考慮到抽油機(jī)啟動(dòng)等特殊工況的需要。

作者簡(jiǎn)介：張悅（1990-），山東濱州市鄒平市人，大學(xué)本科，助級(jí)工程師。