孫新國(guó)，孫亮，王二化

(1.南陽理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南南陽473004;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473000)

碳纖維連續(xù)抽油桿采油系統(tǒng)在我國(guó)油田的應(yīng)用獲得了初步的成功，尤其是產(chǎn)品性能和節(jié)能效果，均超過了國(guó)外的技術(shù)水平，顯示出大面積推廣的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是，該采油系統(tǒng)的相關(guān)配套技術(shù)研究尚未深入開展，應(yīng)用中尚未充分發(fā)揮出該產(chǎn)品的潛力［1－3］。

由某大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制的連續(xù)抽油桿作業(yè)車創(chuàng)新性地提出將碳纖維桿的起下桿裝置由纏繞式驅(qū)動(dòng)改為夾緊摩擦式驅(qū)動(dòng)的新穎方案，解決了第一代碳纖維桿專用作業(yè)車?yán)p繞盤驅(qū)動(dòng)扭矩過大的問題，同時(shí)大大改善了碳纖維桿在起下過程中的受力狀態(tài)。其主要特點(diǎn)是:起升(下放)載荷能力大，起升(下放)作業(yè)時(shí)桿柱受力狀況改善，桿柱纏繞盤負(fù)載扭矩大幅降低;作業(yè)過程自動(dòng)化程度高、速度快、設(shè)備對(duì)井場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，易損件少，便于維修;兼顧桿的運(yùn)輸和作業(yè)兩項(xiàng)功能，減少設(shè)備投資;持續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，為碳纖維桿在國(guó)內(nèi)油井大面積推廣應(yīng)用提供高效、可靠的作業(yè)配套設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白［2］。碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車示意圖見圖1。

圖1 碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車示意圖

為防止該作業(yè)車側(cè)翻，文中利用ANSYS 有限元軟件，對(duì)所研究作業(yè)車進(jìn)行了4 種工況下的有限元計(jì)算，得出了作業(yè)車在水平工作狀態(tài)和3 種傾斜工作狀態(tài)下的支反力，根據(jù)支反力方向判斷有沒有側(cè)翻，并求出傾斜狀態(tài)下側(cè)翻穩(wěn)定角，完成了作業(yè)車的可靠性評(píng)價(jià)，并為現(xiàn)場(chǎng)工作人員安全操作提供可靠數(shù)據(jù)。

1 碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車有限元模型的建立［4－5］

建模時(shí)將車體簡(jiǎn)化為板單元Shell63，支撐簡(jiǎn)化為三維彈性梁?jiǎn)卧狟eam4，支撐與地面通過彈簧元連接起來。各連接處均為焊接剛性節(jié)點(diǎn)。整個(gè)作業(yè)車共242 個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分228 個(gè)單元。由于文中分析是建立在作業(yè)車各部件都滿足其強(qiáng)度和剛度要求的基礎(chǔ)上，所以，把作業(yè)車各部件都看成剛性部件，對(duì)分析結(jié)果不會(huì)有太大影響。假設(shè)板單元厚度為0.1 m，彈性模量E 為2.1 ×1020N/m2，泊松比為0.3。用三維CAD設(shè)計(jì)繪圖軟件Solid Edge 計(jì)算出作業(yè)車載質(zhì)量和質(zhì)心位置，并轉(zhuǎn)化為集中力通過剛性梁加到其質(zhì)心上。車體質(zhì)心水平位置已經(jīng)確定，假設(shè)車體質(zhì)心高度在0.1～0.5 m 之間，將其均分4 段，并分別對(duì)5 個(gè)高度值進(jìn)行計(jì)算。所建模型如圖2所示。

圖2 碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車有限元模型

2 求解及結(jié)果分析

如前所述，車體4 個(gè)液壓缸支撐通過彈簧元固定在地面上，約束點(diǎn)共有8 個(gè)，其中支撐與彈簧元連接處限制2 個(gè)自由度，即水平X、Y 方向的移動(dòng)，彈簧元與地面連接處限制6 個(gè)自由度。車體不傾斜時(shí)，過輪上沿X、Z 軸上的載荷、車體自重和車載載荷均直接加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。車體傾斜時(shí)，模型不變，把各個(gè)載荷按傾斜角度進(jìn)行正交分解，將計(jì)算出的載荷分別施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。如果作業(yè)車側(cè)翻了，必定存在某一個(gè)或幾個(gè)固定鉸支點(diǎn)支反力表現(xiàn)為拉力。所以，文中根據(jù)作業(yè)車4 個(gè)鉸支點(diǎn)的支反力情況，判斷作業(yè)車會(huì)不會(huì)側(cè)翻。

(1)作業(yè)車不傾斜時(shí)，車體質(zhì)心高度對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響，求出其工作過程中彈簧元與地面連接處的支反力分析結(jié)果，見表1。

表1 作業(yè)車不傾斜時(shí)支反力 N

結(jié)果顯示:沒有反方向的支反力存在且最小支反力并不接近于零，說明作業(yè)車不傾斜工作時(shí)不僅不會(huì)側(cè)翻，還具有相當(dāng)大的安全系數(shù)。

(2)作業(yè)車傾斜狀態(tài)分為3 種:向右、向左和向后傾斜。計(jì)算出作業(yè)車在傾斜到何種程度才會(huì)側(cè)翻，表2所示作業(yè)車在各種狀態(tài)下的側(cè)翻穩(wěn)定角。

表2 作業(yè)車向各個(gè)方向傾斜時(shí)的側(cè)翻穩(wěn)定角(°)

為確保安全，此模型將抽油桿起升裝置置于作業(yè)車右側(cè)，所以，如果車工作時(shí)往右傾斜，就比較容易側(cè)翻，如表2所示，其側(cè)翻穩(wěn)定角大致在14°左右。向左傾斜，角度較小時(shí)，還能起到穩(wěn)定作用，所以，只有傾斜角度很大，作業(yè)車才能側(cè)翻，其側(cè)翻穩(wěn)定角大致在26°左右。由于作業(yè)車工作時(shí)，車尾部(即抽油桿起升裝置處)要緊貼井口，因此，要對(duì)向后傾斜作分析，由于車尾部載荷較大，其側(cè)翻穩(wěn)定角度也相當(dāng)大，大致在32°左右。由表2 還可以看出:車體質(zhì)心越低，越不易側(cè)翻。

3 結(jié)論

(1)由計(jì)算結(jié)果可以看出:作業(yè)車工作時(shí)，如不傾斜，Z 方向支反力方向一致并遠(yuǎn)大于0，說明作業(yè)車不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，并且相當(dāng)安全。

(2)如果該作業(yè)車向左或向后傾斜，側(cè)翻穩(wěn)定角都大于25°，偏于安全。作業(yè)車向右傾斜，側(cè)翻穩(wěn)定角14°左右，偏于危險(xiǎn)。

(3)車體質(zhì)心越低，越不易側(cè)翻。

(4)綜上所述，該作業(yè)車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在平衡方面是合理的。

［1］彭勇，閆文輝，職黎光，等.碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車的研制［J］.鉆采工藝，2006，29(4):81－82.

［2］高軍.碳纖維連續(xù)抽油桿失效分析及對(duì)策［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009(3):45－47.

［3］劉亞靜，周艷麗.連續(xù)抽油桿的研究與油田應(yīng)用［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(5):140.

［4］張洪才，何波.有限元分析——ANSYS 13.0 從入門到實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］張洪才.ANSYS 14.0 理論解析與工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.