李 楓，孟慶超，任立俠，劉洪俊

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶163318；2.渤海裝備制造有限公司 石油機(jī)械廠，河北 任丘062552；3.大慶油田有限責(zé)任公司 第八采油廠，黑龍江 大慶163514）①

近年來，大慶油田含水量上升，大直徑有桿泵抽油成為一種提高原油產(chǎn)量的重要工藝措施［1］。隨著同井注采技術(shù)的研究及應(yīng)用，東北石油大學(xué)設(shè)計(jì)出雙螺桿泵井下油水分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)將分離裝置安裝在2個(gè)螺桿泵之間，在地面驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，帶動(dòng)雙螺桿泵進(jìn)行抽汲，高含水采出液經(jīng)篩管除砂后進(jìn)入井下旋分器入口，在分離裝置中高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)油水分離。分離出的輕相介質(zhì)（原油）被上端的采出螺桿泵舉升至地面，分離出的重相介質(zhì)（水）被下端的注入螺桿泵回注到注入層。

在同井注采工藝管柱中，為實(shí)現(xiàn)采出螺桿泵轉(zhuǎn)子與井下旋分器的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)矩的功能，設(shè)計(jì)制造了鍵式脫接器，它對(duì)大泵井的生產(chǎn)效果起到很重要的作用。

1 結(jié)構(gòu)組成

脫接器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

圖1 脫接器整體結(jié)構(gòu)

脫接器安裝在整套分離系統(tǒng)的最上部，主要由上接頭和下接頭2部分組成。其中：上接頭與抽油桿連接，包括帶導(dǎo)向鍵槽的導(dǎo)向接頭和與之通過螺紋連接的彈簧爪；下接頭與螺桿泵轉(zhuǎn)子相連接，包括中心桿、鎖套及鎖緊螺母和彈簧等。

導(dǎo)向接頭的主要作用是引導(dǎo)中心桿進(jìn)入鍵槽和傳遞轉(zhuǎn)矩，在脫接器正常工作中起重要作用［3］。導(dǎo)向接頭上部與抽油桿連接，其下部加工有鍵槽，鍵槽貫通整個(gè)導(dǎo)向接頭的橫截面，使得導(dǎo)向接頭下部被分成2個(gè)條體，由完整的圓筒結(jié)構(gòu)變成開口結(jié)構(gòu)。正常工作狀態(tài)下，導(dǎo)向接頭上的鍵槽與中心桿上的鍵槽配合傳遞轉(zhuǎn)矩。為了使上、下接頭對(duì)接時(shí)中心桿兩側(cè)的鍵能順利進(jìn)入導(dǎo)向接頭上的鍵槽內(nèi)，導(dǎo)向接頭下部的2個(gè)條體端部兩側(cè)都加工有螺旋狀的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使中心桿沿軸線無論旋轉(zhuǎn)多少度，兩側(cè)的鍵都能沿著導(dǎo)向結(jié)構(gòu)順利進(jìn)入鍵槽，完成傳遞轉(zhuǎn)矩［4－6］。導(dǎo)向接頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 導(dǎo)向接頭結(jié)構(gòu)尺寸

2 導(dǎo)向接頭有限元分析

2.1 模型簡化及網(wǎng)格劃分

導(dǎo)向接頭在工作過程中，由上部的鍵槽部分承受轉(zhuǎn)矩，彈簧爪可以認(rèn)為是固定在導(dǎo)向接頭上。因此，導(dǎo)向接頭鍵槽端部的螺旋狀導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可以簡化，對(duì)分析沒有影響，而且導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的頭部尖角部位只有2 mm，且角度較小，在劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)使該部位網(wǎng)格質(zhì)量較差。由于導(dǎo)向接頭中部和彈簧爪連接的螺紋部分不是關(guān)注的部位，所以可以簡化去掉。簡化后的導(dǎo)向接頭模型如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向接頭簡化模型

導(dǎo)向接頭材料為35Cr Mo，彈性模量E＝217 GPa，切變模量G＝84 GPa，在850℃淬火和550℃回火情況下，屈服強(qiáng)度σs＝835 MPa，抗拉強(qiáng)度σb＝980 MPa，硬度≤229 HBS。

簡化處理后，就可以對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格離散。本文采用Altair Hyper Works軟件中的有限元前后處理器Hyper Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主節(jié)點(diǎn)上沿z軸負(fù)方向加載2 300 N·m的轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)向接頭單元數(shù)17 148，節(jié)點(diǎn)數(shù)4 602。圖4為導(dǎo)向接頭有限元模型。

圖4 導(dǎo)向接頭有限元模型

2.2 分析結(jié)果

通過有限元分析得到導(dǎo)向接頭的應(yīng)力分布，如圖5所示?？梢钥闯觯簩?dǎo)向接頭的2個(gè)鍵槽條體靠近根部與中心桿上兩鍵頭部接觸處的應(yīng)力值較大，達(dá)到691.77 MPa；同樣，由于是中心桿上兩鍵的3個(gè)面交界形成的尖角與2個(gè)鍵槽內(nèi)壁接觸，所以此處的應(yīng)力值也不是很準(zhǔn)確，但是忽略應(yīng)力值較大的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，其他部位的應(yīng)力分布趨勢(shì)是可信的；除了應(yīng)力值異常的部位，其他部位的應(yīng)力值都在570 MPa以下，安全系數(shù)為1.46。

圖5 導(dǎo)向接頭應(yīng)力云圖

導(dǎo)向接頭的位移云圖如圖6所示，最大變形發(fā)生在導(dǎo)向接頭鍵槽處的2個(gè)條體邊緣與中心桿上部的2個(gè)鍵接觸處，導(dǎo)向接頭的最大位移量為0.312 mm，2個(gè)條體中部有向一側(cè)扭動(dòng)的變形。

圖6 導(dǎo)向接頭位移云圖

由分析結(jié)果可知：導(dǎo)向接頭上部2個(gè)條體的變形很大，將彈簧爪的幾個(gè)條體限制。但由于條體是細(xì)長結(jié)構(gòu)，雖兩端自由度都被限制，且中部與導(dǎo)向接頭鍵槽的2個(gè)條體緊密接觸限制其徑向位移，由于條體中部剛度較差，所以難以有效限制導(dǎo)向接頭鍵槽處條體的徑向變形。由此可得：導(dǎo)向接頭鍵槽處由于是開口結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受較大轉(zhuǎn)矩載荷時(shí)剛度較差，變形較大，會(huì)直接影響彈簧爪的使用，有必要對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)［7］。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于上述分析，對(duì)導(dǎo)向接頭鍵槽部分進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，將鍵槽部分改為封閉結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)的導(dǎo)向接頭尺寸如圖7所示。其他部分尺寸保持不變。

圖7 新導(dǎo)向接頭尺寸

由于與優(yōu)化后新中心桿鍵體橫截面形狀對(duì)應(yīng)的異型孔較難加工，所以保留原導(dǎo)向接頭鍵槽結(jié)構(gòu)，將鍵槽尺寸縮小為適合優(yōu)化后的中心桿鍵體尺寸。在鍵槽外部增加1個(gè)與之固定連接的圓筒結(jié)構(gòu)，限制鍵槽受載荷后的徑向變形。

3.1 新導(dǎo)向接頭幾何模型

根據(jù)新導(dǎo)向接頭的結(jié)構(gòu)尺寸建立三維模型，如圖8所示。

圖8 新導(dǎo)向接頭模型

3.2 新導(dǎo)向接頭有限元分析

對(duì)新導(dǎo)向接頭模型進(jìn)行網(wǎng)格離散處理，建立新導(dǎo)向接頭的有限元模型。在劃分有限元網(wǎng)格之前，需對(duì)模型進(jìn)行簡化。由于只分析新導(dǎo)向接頭在承受轉(zhuǎn)矩情況下的應(yīng)力分布和變形情況，將分析模型鍵槽導(dǎo)向部分簡化掉。對(duì)簡化后的新導(dǎo)向接頭模型劃分網(wǎng)格，模型分為鍵槽和外側(cè)圓筒2部分，對(duì)于外側(cè)圓筒采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。由于鍵槽根部形狀是不規(guī)則的，很難劃分出質(zhì)量較高的8節(jié)點(diǎn)六面體單元。為了保證計(jì)算結(jié)果的精度，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格離散，整個(gè)模型共劃分22 288個(gè)單元，8 576個(gè)節(jié)點(diǎn)。檢查網(wǎng)格質(zhì)量，沒有劃分失敗的單元。

模型的材料屬性設(shè)置為各項(xiàng)同性材料，彈性模量E＝217 GMPa，泊松比μ＝0.3。在鍵槽內(nèi)壁上建立RBE2單元，形成剛性區(qū)域，主節(jié)點(diǎn)位于圓筒端面圓心處。在主節(jié)點(diǎn)上沿z軸負(fù)方向加載2 300 N·m的轉(zhuǎn)矩。在導(dǎo)向接頭上部端面所有節(jié)點(diǎn)上施加SPC約束，限制空間6個(gè)自由度。設(shè)置鍵槽條體和外側(cè)圓筒接觸面的接觸類型為Freeze。加載邊界條件后的新導(dǎo)向接頭有限元模型如圖9所示。

圖9 新導(dǎo)向接頭的有限元模型

求解器采用Altair Hyper Works軟件包中的Radioss解算器，選擇解算器中的Bulk Data Format模塊進(jìn)行分析，分析類型設(shè)置為Linear Static。

3.3 結(jié)果分析

新導(dǎo)向接頭的Von Mises應(yīng)力分布如圖10所示，可以看出：新導(dǎo)向接頭的應(yīng)力值較大，達(dá)到468.8 MPa，安全系數(shù)小于原來的2倍。

圖10 新導(dǎo)向接頭應(yīng)力分布

新導(dǎo)向接頭鍵槽部分的應(yīng)力分布如圖11所示，可以看出：應(yīng)力值最大的部位在靠近鍵槽根部，最大應(yīng)力值為468.8 MPa。由于此處是加載邊界條件的部位，且較大應(yīng)力值都集中出現(xiàn)在1個(gè)單元上，故此處計(jì)算的應(yīng)力值是不準(zhǔn)確的，忽略此處最大應(yīng)力。查看周圍其他部位應(yīng)力分布，其他部位應(yīng)力值都小于410 MPa，安全系數(shù)可達(dá)到原來的2倍。新導(dǎo)向接頭鍵槽部分強(qiáng)度足夠。新舊導(dǎo)向接頭強(qiáng)度對(duì)比如表1。

圖11 新導(dǎo)向接頭鍵槽處應(yīng)力分布

表1 新舊導(dǎo)向接頭強(qiáng)度對(duì)比

外側(cè)圓筒的應(yīng)力分布如圖12所示，可以看出：圓筒上應(yīng)力值最大處為靠近鍵槽根部，最大應(yīng)力值為149.2 MPa，安全系數(shù)達(dá)到5.6，遠(yuǎn)大于優(yōu)化目標(biāo)。說明圓筒的徑向尺寸還可以進(jìn)一步減小。

圖12 新導(dǎo)向接頭外側(cè)圓筒應(yīng)力分布

新導(dǎo)向接頭的變形情況如圖13所示，可以看出：最大變形量為0.1 mm，變形量較小。由于導(dǎo)向接頭的徑向變形對(duì)其外側(cè)的彈簧爪影響較大［8］，查看新導(dǎo)向接頭的徑向變形情況，如圖14所示。由圖14可以看出：靠近新導(dǎo)向接頭鍵槽根部處的徑向變形量較大，其中圓筒與鍵槽條體根部接觸處沿徑向正向變形，沒有鍵槽條體處沿徑向負(fù)向變形；對(duì)外側(cè)其他零部件影響較大的徑向正向最大變形量為0.005 mm。

圖13 新導(dǎo)向接頭位移云圖

圖14 新導(dǎo)向接頭徑向位移云圖

鍵槽部分的徑向位移云圖如圖15所示，可以看出：鍵槽根部為徑向位移最大處，最大位移值為0.005 mm。圓筒徑向位移云圖如圖16所示，可以看出：圓筒上徑向位移最大處為靠近鍵槽根部處，最大徑向位移值為0.004 mm。

圖15 新導(dǎo)向接頭鍵槽徑向位移云圖

圖16 新導(dǎo)向接頭外側(cè)圓筒徑向位移云圖

4 結(jié)論

1） 通過對(duì)舊導(dǎo)向接頭的應(yīng)力分布和變形分析來完成結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到導(dǎo)向接頭新結(jié)構(gòu)。

2） 由有限元分析結(jié)果可得，新導(dǎo)向接頭的強(qiáng)度和剛度大幅提高，但是鍵槽外側(cè)圓筒的安全系數(shù)偏大，說明其厚度尺寸還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

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