基于ANSYS的抽油機(jī)游梁支承結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

謝 俊 郭登明 賀聰聰

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

游梁式抽油機(jī)作為油田現(xiàn)場(chǎng)使用最廣泛的石油開(kāi)采設(shè)備，對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)能提高抽油機(jī)工作過(guò)程的安全性、可靠性及零部件的使用壽命。軸承座不僅為游梁提供支撐，還要承受游梁傳遞來(lái)的各種載荷。一種可靠的游梁軸承座對(duì)減輕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中懸點(diǎn)的偏心振動(dòng)，保證機(jī)械設(shè)備正常工作具有重要意義。

本研究采用有限元分析法對(duì)抽油機(jī)軸承座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)提高軸承座的局部強(qiáng)度，從而提高軸承座的使用壽命［1-3］。筆者以抽油機(jī)計(jì)算軟件得到的力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)三維軟件Pro/E 5.0來(lái)建立軸承座的三維模型，并將分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行有限元分析，從而模擬出軸承座的應(yīng)力、位移變化分布情況。此外，對(duì)模型進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)前后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較與分析，從而驗(yàn)證局部改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性與合理性，為抽油機(jī)設(shè)計(jì)人員對(duì)軸承座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

1 抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

1.1 抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

常規(guī)的游梁式抽油機(jī)包括底座、減速器、曲柄、連桿、吊繩、懸繩器、驢頭、橫梁、游梁、平衡臂、支架、電動(dòng)機(jī)、剎車機(jī)構(gòu)等。

1.2 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

本研究對(duì)CYJW10-3.6-26HP 型抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可將其簡(jiǎn)化為四桿機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析與計(jì)算［4-5］，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，R為曲柄半徑（mm），P為連桿長(zhǎng)度（mm），C為游梁后臂長(zhǎng)度（mm），A為游梁前臂長(zhǎng)度（mm），I為減速器輸出軸中心到支架軸承中心的水平距離（mm），W為懸點(diǎn)載荷（t），WQ為平衡重（t），O、O1分別為減速器輸出軸的中心與支架軸承的中心，其余變量均為輔助計(jì)算變量。

圖1 CYJW10-3.6-26HP型抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.3 抽油機(jī)四桿結(jié)構(gòu)尺寸

簡(jiǎn)化后的抽油機(jī)四桿結(jié)構(gòu)尺寸詳見(jiàn)表1。

表1 CYJW10-3.6-26HP型抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)尺寸單位：mm

1.4 有限元分析計(jì)算數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

利用機(jī)械原理對(duì)CYJW10-3.6-26HP 型抽油機(jī)的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，包括幾何計(jì)算分析、運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析、工藝分析、受力計(jì)算分析，再利用抽油機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法［5-6］，通過(guò)計(jì)算軟件得到受力計(jì)算的結(jié)果，從而得到抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的受力情況，并確定不同工況下機(jī)構(gòu)承受的最大載荷，將其作為有限元分析的基本計(jì)算數(shù)據(jù)［7］。

2 抽油機(jī)游梁支承結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

軸承座的受力模型采用軸承載荷模型，作用面的載荷不是均勻分布的，其受力形式如圖2所示。

圖2 呈余弦分布的圓柱內(nèi)表面應(yīng)力

基于軸承載荷，在此作出以下假設(shè)。

①受力后的圓柱，其徑向面仍然為圓形面，半徑大小不變，最大受力點(diǎn)O 處的變形量為d（mm）。因此，任一圓心角α（°）處的表面徑向變形見(jiàn)式（1）。

②圓柱表面各點(diǎn)受力處的縫補(bǔ)壓力的方向垂直于所在點(diǎn)的表面，且與該點(diǎn)處的徑向變形成正比。因此，設(shè)材料的應(yīng)變系數(shù)為K，則O點(diǎn)處的分布?jí)毫的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

將公式（2）變形為余弦分布的形式，應(yīng)力也呈余弦分布，見(jiàn)式（3）。

沿載荷分布進(jìn)行積分，載荷分布弧面所對(duì)應(yīng)的圓心角為180°，見(jiàn)式（4）。

計(jì)算得出，載荷分布的計(jì)算公式見(jiàn)式（5）。

式中：L為接觸面的寬度，mm；F為弧面受力大小，N；R為內(nèi)徑，mm；Pmax為最大壓力，MPa。

3 軸承座有限元分析

3.1 軸承座三維模型

根據(jù)有限元建模的兩個(gè)基本原則，即保證精度和控制模型規(guī)模。在三維軟件Pro/E 5.0 中建立軸承座的簡(jiǎn)化模型，忽略軸承端蓋和溢流螺塞的一系列螺紋孔，并對(duì)現(xiàn)有的軸承座結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改進(jìn)優(yōu)化，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，從而提高結(jié)構(gòu)的使用壽命［8］。改進(jìn)前與改進(jìn)后的三維簡(jiǎn)化模型如圖3、圖4所示。

圖3 現(xiàn)有的三維簡(jiǎn)化模型

圖4 改進(jìn)后的三維簡(jiǎn)化模型

3.2 有限元分析

本研究使用ANSYS Workbench 軟件對(duì)軸承座進(jìn)行有限元分析，零件材料為ZG270—500。通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，屈服強(qiáng)度為270 MPa，彈性模量為200 GPa，泊松比取0.3，網(wǎng)格采用體網(wǎng)格的劃分方式，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm。

3.2.1 施加載荷。由于該抽油機(jī)的游梁軸承座是座動(dòng)式的，軸承座與游梁一起進(jìn)行擺動(dòng)，抽油機(jī)沖次為4～5 次/min，且承載受力部分在軸承座頂部59.661 7°范圍內(nèi)。根據(jù)Excel 軟件計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)選取軸承座受力最大的位置，當(dāng)抽油機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角為300°時(shí)，軸承座的受力最大，合力為F=208 862.2 N，F(xiàn)X=-13 611.8 N、FY=208 418.2 N。此位置合力F的方向與軸承頂部成3.7°角。該抽油機(jī)選用兩個(gè)NJ2326 圓柱滾子軸承，其接觸面寬L為93 mm，所以軸承載荷按正弦分布在以F所在直線為中心面的180°范圍內(nèi)，寬度為93 mm 的圓弧面上。代入前面數(shù)據(jù)，見(jiàn)式（6）。

3.2.2 施加約束。由于軸承座始終承受壓力，對(duì)底面施加Z方向的位移約束。由于軸承座通過(guò)四個(gè)螺栓連接在游梁上，對(duì)四個(gè)螺栓孔施加X(jué)、Y方向的位移約束。最后，通過(guò)有限元分析進(jìn)行求解，得到的結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)總變形云圖

圖6 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

由圖5 與圖6 可以看出，現(xiàn)有的軸承座受到的最大等效應(yīng)力為54.754 MPa，最大的總變形為0.065 635 mm。

3.3 局部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與比較

從前面的分析結(jié)果可以看出，軸承座在工作過(guò)程中，最大的應(yīng)力和位移都發(fā)生在加強(qiáng)筋的周圍，考慮到加強(qiáng)筋對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，可對(duì)加強(qiáng)筋部位進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)。抽油機(jī)在工作過(guò)程中，軸承座內(nèi)孔主要與兩個(gè)圓柱滾子軸承面接觸。所以，改進(jìn)方案為有兩種，一是調(diào)整加強(qiáng)筋的寬度，使其與軸承寬度一致，二是使加強(qiáng)筋前后表面的位置與軸承安裝后的前后表面位置一致。在其他分析條件均不變的前提下，以此來(lái)驗(yàn)證局部改進(jìn)結(jié)構(gòu)的合理性與有效性，求解的結(jié)果如圖7、圖8 所示。改進(jìn)后的軸承座的最大總變形量下降為0.048 966 mm，最大等效應(yīng)力下降為38.686 MPa。對(duì)兩組結(jié)果進(jìn)行比較可知，最大總變形量降低了25.4%,最大等效應(yīng)力下降了29.3%。從應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)構(gòu)局部改進(jìn)后的軸承座加強(qiáng)筋周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象也有了一定的緩解，增強(qiáng)軸承座的強(qiáng)度和剛度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而驗(yàn)證局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性。

圖7 改進(jìn)后的總變形云圖

圖8 改進(jìn)后的等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

游梁軸承座是游梁式抽油機(jī)最重要的一個(gè)承載零件，因此對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析是非常有必要的。在對(duì)軸承座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與改進(jìn)過(guò)程中，使用ANSYSWorkbench 2020 軟件進(jìn)行仿真與分析。在對(duì)現(xiàn)有軸承座分析的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)方案，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析比較，結(jié)果表明，本研究的改進(jìn)方案提高了軸承座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，驗(yàn)證了模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性與合理性。