郭登明 (長江大學機械工程學院,湖北荊州434023)

謝光偉,戴志剛 (渤海石油裝備(天津)中成機械制造有限公司,天津大港300280)

隨著國內外油田原油含水率的不斷上升,油井動液面逐漸下降,下泵深度越來越深,抽油機的懸點載荷需要不斷上升,因而所用抽油機的型號、規(guī)格也越來越大[1]。為了滿足國內油田及出口企業(yè)的需要,筆者按照API標準[2]開發(fā)了C1280-427-240型 (注:相當于國標型號CYJ19-6.0-146HB型常規(guī)抽油機)抽油機,該型抽油機是國內出口抽油機中型號最大的一種,也是國內目前生產的最大游梁式抽油機。該機于2007年底由大港油田集團中成機械有限責任公司試制成功[3]。筆者通過進行該型抽油機底座的有限元分析,進一步研究了該抽油機主要承載構件的受力狀況,以此供相關研究者參考。

1 底座設計方法

該型抽油機的底座采用T形結構,其座體主梁和橫梁均用窄型的 H型鋼,具體規(guī)格為H506×201的型鋼,橫撐用320×90的槽鋼,與支架前腿相聯(lián)的部分采用自制的506×400焊接工字鋼,筒體左右側板和前后側板均使用14mm鋼板,所有加強筋均使用12mm鋼板。減速器座板采用30mm鋼板。電動機座采用高機座,主梁用250×80的槽鋼,橫撐用200×73的槽鋼。

2 底座有限元分析

根據(jù)底座的結構特點,在ANSYS分析過程中,采用Solid95單元進行分析。Solid95單元屬于六面體8節(jié)點單元,主要用于三維實體結構模型,具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變的特征。

2.1 網格劃分及單元建模

Solid 95單元由 8個節(jié)點結合而成,節(jié)點號分別為 I、J、K 、L、M、N 、O和P,每個節(jié)點有 X 、Y 、Z 3個方向的自由度,每個單元有24個自由度,Solid95的幾何形狀圖如圖1所示。底座網格劃分圖如圖2所示。

整體平衡方程為:

式中,[K]為支架結構的總體剛度矩陣,由單元剛度矩陣組合而成;{u}為結構點的位移列向量;{P}為結構結點的外載荷列向量。

2.2 有限元分析

在進行底座有限元分析時,根據(jù)該抽油機的設計計算結果[2],曲柄在角度分別為0、105、150和285°時底座受力最大,故選取該4個關鍵點進行有限元分析。

圖1 Solid95的幾何形狀圖

圖2 底座網格劃分圖

由于底座與支架相聯(lián),其受力主要來自于支架,具體位置在支架與底座的聯(lián)結部位,但該處的接觸力不能用簡單的方法進行計算。文獻 [1]及文獻 [3]分別對該型抽油機的支架和減速器進行了有限元計算,因而引用其相關計算結果作為載荷數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 底座上的載荷表

2.3 計算結果及處理

加載力后,由于底座底部已被約束,使底座產生變形,可以求解出每個節(jié)點的應力和應變,并通過不同的顏色反映在實體模型上。

圖3、圖4和圖5分別為支架在X、Y和Z方向上的位移云圖,圖6為支架Von-Mises應力云圖。從圖6可以看出,底座的最大應力位于與支架聯(lián)接部分附近。表2、表3、表4和表5分別顯示底座4個關鍵點的有限元分析結果。

圖3 X方向位移云圖

圖4 Y方向位移云圖

圖5 Z方向位移云圖

圖6 Von-Mises應力云圖

表2 曲柄角度為285°時有限元分析結果

表3 曲柄角度為0°時有限元分析結果

表4 曲柄角度為105°時有限元分析結果

表5 曲柄角度為150°時有限元分析結果

2.4 強度計算

由上述有限元計算結果可知,底座的最大應力在節(jié)點號為25275處,最大受力為113.97MPa。查機械設計手冊可知,碳素結構鋼Q235的屈服應力為:[σ]=235MPa,故有靜安全系數(shù)nσ=2.06。由此可見,底座在工作過程中滿足靜強度要求。另外,根據(jù)該底座的結構特點可知,其疲勞強度也滿足工作要求。

2.5 剛度分析

由上述有限元計算結果可知,最大位移在節(jié)點號為26091處,且最大位移為1.287mm,根據(jù)SY/T5044-2003《游梁式抽油機》標準,當型鋼長度小于3m時,底座的最大彎曲度為3mm。由此可見,該底座具有較好的剛度。

3 結 語

通過對C1280-427-240型抽油機的T型底座進行有限元分析,發(fā)現(xiàn)該型抽油機底座具有足夠的強度和較好的剛度,能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。因此,對該型抽油機底座的有限元分析為超重型抽油機的底座設計提供了依據(jù),對抽油機制造廠家和油田用戶具有重要指導意義。

[1]郭登明,謝光偉,戴志剛,等.C1280-427-240型抽油機支架有限元分析 [J].石油天然氣學報 (江漢石油學院學報),2009,31(6):158～160.

[2]郭登明,李全,姚高祥.C1280-427-240型抽油機的研制及性能測試 [J].長江大學學報 (自科版),2008,5(4):105～107.

[3]郭登明,黃朝兵,謝光偉,等.C1280D雙圓弧齒輪減速器設計及有限元分析 [J].長江大學學報 (自科版),2009,6(4):80～82.