賈同威,董孟陽(yáng)

(西南石油大學(xué),四川成都 610500)

游梁式抽油機(jī)關(guān)鍵部位有限元分析*

賈同威,董孟陽(yáng)

(西南石油大學(xué),四川成都 610500)

對(duì)游梁式抽油機(jī)的連桿、游梁、曲柄三個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行了初步的受力分析,并對(duì)三個(gè)關(guān)鍵部位在Pro/Engineering中進(jìn)行建模然后導(dǎo)入到ANSYS里進(jìn)行有限元分析找到他們的應(yīng)力分布特點(diǎn)。根據(jù)有限元分析的結(jié)果可看出在游梁支點(diǎn)、連桿焊接處、曲柄銷連接處和截面形變處都會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。對(duì)于應(yīng)力集中的地方提出一些改進(jìn)措施來(lái)減少應(yīng)力,保證抽油機(jī)工作的穩(wěn)定性。

抽油機(jī);連桿;游梁;曲柄;有限元

0 引 言

游梁式抽油機(jī)是整個(gè)有桿抽油系統(tǒng)的一部分,它的作用是抽取原油,它是由電動(dòng)機(jī)、減速器、支架、四連桿機(jī)構(gòu)和驢頭等部分組成[1]。其作用是把曲柄定值角速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)傳遞轉(zhuǎn)換為抽油泵的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),來(lái)達(dá)到不斷開(kāi)采地下原油的目的。雖然使用廣泛,但是常規(guī)五型抽油機(jī)的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的,如平衡效果差,能耗高,長(zhǎng)時(shí)問(wèn)在役使用的話會(huì)使驢頭產(chǎn)生裂紋、連桿斷裂損壞[2]。目前,我國(guó)油田由于老舊失效等原因退役的常規(guī)五型抽油機(jī)比較多,數(shù)量達(dá)600臺(tái),大多數(shù)已服役了接近17年,由于該機(jī)型數(shù)量較多,如果進(jìn)行廢物利用則能節(jié)約大量資金[3]。常規(guī)五型抽油機(jī)的再生產(chǎn)制造是要從驢頭、游梁、配重、連桿和曲柄等多方面進(jìn)行的,故需要研究連桿等關(guān)鍵部位的受力情況并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[4]。

每個(gè)抽油機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候都會(huì)遇到設(shè)計(jì)之初沒(méi)有想到的各種問(wèn)題,而當(dāng)問(wèn)題剛剛出現(xiàn)的時(shí)候還比較小,但是隨著時(shí)間的推移,問(wèn)題會(huì)逐漸擴(kuò)大[5]。如何在抽油機(jī)使用時(shí)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,也是筆者要研究的問(wèn)題。當(dāng)測(cè)試出的結(jié)果與設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)差距太大時(shí),肯定在測(cè)試點(diǎn)附近有了裂紋或其它失效形式,這個(gè)時(shí)候就需要對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查,保證抽油機(jī)運(yùn)行的安全[6]。

在了解常規(guī)五型抽油機(jī)的一些特點(diǎn)、缺陷和失效形式之后對(duì)于抽油機(jī)關(guān)鍵部位的選擇就很明確了[7]。抽油機(jī)的失效基本上都是因?yàn)殛P(guān)鍵部位的損壞而造成的,進(jìn)行應(yīng)力分析之后可以清楚知道應(yīng)力在哪些位置較大[8]。在今后研究設(shè)計(jì)抽油機(jī)的過(guò)程中予以改進(jìn)或者加強(qiáng),以保證抽油機(jī)工作的穩(wěn)定性和安全性。筆者對(duì)游梁式抽油機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵部位:游梁、連桿、曲柄進(jìn)行了有限元分析計(jì)算,并根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)提出了一些改進(jìn)措施。

1 游梁有限元分析及應(yīng)力測(cè)試

游梁是抽油機(jī)上最重要的部件之一,所有的主要載荷都要作用在它的上面。抽油機(jī)的游梁前端連接驢頭,承受懸點(diǎn)載荷,游梁后端有橫梁軸承座,用于連接橫梁,傳遞驅(qū)動(dòng)力;游梁中部有中央軸承座,并支撐在支架上[9]。因此,游梁是抽油機(jī)所有桿件中最主要的承受載荷的部位,同樣整個(gè)抽油機(jī)應(yīng)力最大的地方也會(huì)出現(xiàn)在游梁這個(gè)位置,其主要承受彎曲應(yīng)力的作用[10]。

筆者游梁模型的設(shè)計(jì)理念是把游梁近似看成一個(gè)簡(jiǎn)單的支梁,中間為支點(diǎn)兩端為自由端并受力,此游梁為兩個(gè)28 b的工字鋼焊接在一起組成的,并且上下加了5 mm焊接用的加強(qiáng)鋼板。由于要在ANSYS中進(jìn)行分析,所以模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,把工字鋼的倒角部分沒(méi)有考慮進(jìn)去[11]。

1.1 材料選擇

游梁材料為Q235,單元類型為solid186,其屬性和在ANSYS14.0中輸入的參數(shù)如表1所列。

表1 游梁材料屬性

1.2 添加約束及載荷

根據(jù)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析,游梁繞中心支點(diǎn)上下擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)抽油過(guò)程,因此將游梁中心軸承座添加約束,并且游梁受懸點(diǎn)載荷、連桿拉力外加一個(gè)游梁平衡塊的作用。將游梁智能劃分網(wǎng)格之后添加以上約束,并且按照安裝運(yùn)行過(guò)程中各部位受力峰值施加載荷[12]。在ANSYS14.0中進(jìn)行自動(dòng)求解后,分別選擇應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D,并得到應(yīng)力和應(yīng)變的最大最小值,如圖1、2所示。

圖1 游梁應(yīng)力示意圖

圖2 游梁變形示意圖

由圖1、2可知游梁上大部分的應(yīng)力比較小,但是在游梁中央軸承座附近受到的應(yīng)力很大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承座與游梁體的交接處,最大值為123.547 MPa。由于游梁材料的許用應(yīng)力為160 MPa,經(jīng)過(guò)有限元分析可得游梁的強(qiáng)度是足夠的,但是在實(shí)際中必須考慮游梁軸承座處的支撐問(wèn)題,所以可以加強(qiáng)此處的強(qiáng)度,以免在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生斷裂。

從游梁變形分布可知,游梁體最主要的是Y方向的彎曲變形,游梁后臂的變形量大于前臂,游梁中部變形最小,并且呈現(xiàn)由中間向外的逐漸增加的梯度分布。變形最大的位置出現(xiàn)在平衡塊懸掛處,最大變形量為5.170 68 mm。

2 連桿的有限元分析及應(yīng)力測(cè)試

連桿是將曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳遞到游梁上的重要部件。抽油機(jī)的連桿由于不需要傳遞過(guò)大的力,所以連桿的厚度不是很大,也就是質(zhì)量較輕,導(dǎo)致了他在做平面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩比較小,在模型的計(jì)算中可以忽略所產(chǎn)生的慣性力矩。連桿就能看成一個(gè)二力桿[13]。

連桿由于是有兩根連桿共同承受所受到的連桿力,所以計(jì)算載荷時(shí)要減少一半的連桿力。雖然有的時(shí)候會(huì)有一些不平衡的情況產(chǎn)生而導(dǎo)致連桿上的受力要比一半的連桿力要大,這個(gè)在之前的計(jì)算中有所提及,可以在安全系數(shù)中考慮這個(gè)問(wèn)題,此處的應(yīng)力分析以一半的連桿力為載荷。

2.1 材料選擇

連桿材料為45鋼,單元類型為Solid45,其屬性和在ANSYS14.0中輸入的參數(shù)如表2所列。

表2 連桿材料屬性

2.2 添加約束及載荷

連桿連接橫梁和曲柄,在連桿上接頭處施加面載荷,且連桿始終受拉,在連桿下接頭螺栓孔處添加約束。在ANSYS14.0中進(jìn)行自動(dòng)求解后,分別選擇應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D,并得到應(yīng)力和應(yīng)變的最大最小值,如圖3～6所示。

圖3 連桿應(yīng)力示意圖

圖4 連桿變形示意圖

從連桿的應(yīng)力分布圖可知,連桿上端和下端受力較大,尤其是上下端的連接處,也是應(yīng)力最大處。這個(gè)地方實(shí)際為連桿中間管與連桿上、下接頭的焊接處,不僅有應(yīng)力集中,還有焊接帶來(lái)強(qiáng)度的降低,這個(gè)也是連桿最容易被破壞的地方。最大值出現(xiàn)在連桿下接頭螺栓孔附近,其最大值為88.131 5 MPa小于許用應(yīng)力167.5 MPa。

圖5 連桿下接頭應(yīng)力示意圖

圖6 連桿上接頭應(yīng)力示意圖

根據(jù)位移云圖可看出,連桿最大位移發(fā)生在連桿上接頭處。大小為0.250 968 mm。

針對(duì)上述應(yīng)力分布情況,提出以下幾點(diǎn)建議。首先,上、下接頭與連桿中間管的對(duì)接焊縫必須要進(jìn)行無(wú)損探傷,確認(rèn)無(wú)缺陷之后方可使用。另外增加連桿的橫截面積可以有效的保證連桿中間管的強(qiáng)度。這樣連接雖然出現(xiàn)了環(huán)形的對(duì)接焊縫,但是如果連桿中間管兩端割出凹槽之后再與連桿接頭焊接會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中并且容易產(chǎn)生疲勞斷裂[1]。針對(duì)螺栓孔處嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,可以改成法蘭式的連接。

3 曲柄的有限元分析

曲柄作為一個(gè)抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出部件,將減速器輸出軸的力矩傳遞到連桿,再由連桿傳遞到游梁,驅(qū)動(dòng)游梁擺動(dòng),是抽油機(jī)上比較復(fù)雜的原件之一。為實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)調(diào)節(jié)沖程的功能,曲柄上加工有四個(gè)連桿銷孔,使用不同的連桿銷孔,就可以滿足不同的沖程。減速箱輸出力矩通過(guò)鍵傳遞到曲柄,使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng),曲柄上承受著較大的彎矩和扭矩。

如果抽油機(jī)的平衡形式是曲柄平衡,那么曲柄上就會(huì)有很大的平衡塊重量,幾乎承擔(dān)著抽油機(jī)上的全部載荷,在這個(gè)時(shí)候?qū)η某休d能力提出來(lái)很高的要求。同時(shí)為了調(diào)整平衡塊位置方便,曲柄上設(shè)有導(dǎo)軌、擋塊、齒條、刻度線,可以根據(jù)抽油機(jī)實(shí)際工作條件調(diào)整平衡塊位置,使抽油機(jī)保持平衡。

由于對(duì)曲柄的模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,所以在Pro/Engineer中建立的模型只畫(huà)出了四個(gè)銷孔和減速器輸出軸連接鍵槽。

3.1 材料選擇

曲柄材料為HT200,單元類型為Solid186,其屬性和在ANSYS14.0中輸入的參數(shù)如表3所列。

表3 曲柄材料屬性

3.2 添加約束及載荷

根據(jù)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),可以在減速箱軸孔的位置添加約束,并在曲柄銷孔處添加載荷。由于曲柄是被減速器輸出軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的,所以再加上一個(gè)輸出軸扭矩的等效面載荷。

在ANSYS14.0中進(jìn)行自動(dòng)求解后,分別選擇應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D,并得到應(yīng)力和應(yīng)變的最大最小值,如圖7～10所示,表4為2曲柄應(yīng)力變形極值表。

圖7 曲柄應(yīng)力示意圖

圖8 曲柄變形示意圖

圖9 曲柄輸出軸鍵應(yīng)力示意圖

圖10 曲柄銷孔應(yīng)力 示意圖

表4 2曲柄應(yīng)力變形極值

從曲柄應(yīng)力分布圖可知,曲柄表面的大部分位置應(yīng)力較小。應(yīng)力較大的地方有主要受力的曲柄銷孔和減速器輸出軸連接鍵這兩個(gè)地方,其中應(yīng)力最大的地方是輸出軸連接鍵處,其最大值為28.997 4 MPa,小于需用應(yīng)力,符合要求。

從曲柄的位移可知,曲柄變形是以彎曲的變形為主,由于曲柄銷孔在下方,所以變形是傾斜的。曲柄的減速箱軸孔位置的尺寸相對(duì)較大,彎曲剛度大,幾乎沒(méi)有變形。曲柄前端由于相對(duì)的彎曲剛度較小,曲柄銷孔位置受力彎曲力臂也較大,所以變形量最大最大變形量為0.144 67 mm,整體呈現(xiàn)明顯的梯度分布。

根據(jù)有限元分析結(jié)果可看出,曲柄受力較大的地方在曲柄銷孔和減速器輸出軸連接鍵處,換言之,曲柄銷和連接鍵強(qiáng)度滿足與否是保證曲柄能否正常工作的重要因素之一。抽油機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算一定要把曲柄銷和連接鍵作為重中之重,其本身結(jié)構(gòu)就比較小巧,再加上承受了很大的應(yīng)力,危險(xiǎn)程度很高。

從曲柄的應(yīng)變圖可看出,曲柄邊緣的地方變形是最大,而這個(gè)地方放有曲柄平衡塊。平衡塊是固定在曲柄上的,可以來(lái)回移動(dòng),在設(shè)計(jì)曲柄時(shí),最好把平衡塊的移動(dòng)范圍盡可能的靠近減速器輸出軸,這樣可以適當(dāng)減少變形,保證曲柄平衡塊的受力部位不會(huì)錯(cuò)位或變形而使平衡塊失效。由于曲柄表面應(yīng)力比較小,主要應(yīng)力集中在兩個(gè)孔處,如果使用貼應(yīng)變片的方式進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量會(huì)對(duì)抽油機(jī)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響,所以不對(duì)曲柄進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試的分析。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)以上分析可看出游梁中央軸承座附近受到的應(yīng)力很大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承座與游梁體的交接處,并且游梁長(zhǎng)期處于交變載荷的作用下。應(yīng)力集中已經(jīng)成為他失效的主要原因。

(2)游梁中座焊縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在交變載荷的作用下,焊縫處很容易開(kāi)裂。可以增設(shè)抗彎慣性截面使靠近中座處的應(yīng)力集中得到擴(kuò)散,這樣處理的效果很好。另外在游梁上、下腹板的外側(cè)增設(shè)加強(qiáng)墊板也可以提高游梁的可靠性,或者在軸承中座附近架設(shè)加強(qiáng)筋板。

(3)連桿上、下接頭與連桿中間管的焊接處,具

有較大的應(yīng)力,應(yīng)力集中很嚴(yán)重。另外在連桿中間管上分布有一定的應(yīng)力。其中應(yīng)力最大的地方在螺栓孔附近,由于此處應(yīng)力為螺栓固定,位移和應(yīng)力集中都很大。針對(duì)上述應(yīng)力分布情況,并提出幾點(diǎn)建議。(4)根據(jù)有限元分析結(jié)果可看出,曲柄的表面所受應(yīng)力并不是很大。這點(diǎn)說(shuō)明曲柄設(shè)計(jì)不合理,有可能浪費(fèi)了很多材料導(dǎo)致曲柄太厚,在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)減少曲柄厚度和大小,即節(jié)省材料又能保證使用強(qiáng)度,滿足使用要求。

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Finite Element Analysis on the Key Parts of Beam-Pumping Unit

JIA Tong-wei,DONG Meng-yang
(Southwest Petroleum University,Chengdu Sichuan 610500,China)

In this paper,preliminary stress analysis on the three key parts,beam,crank,connecting bar,of a beam-pumping unit is done;the three key parts are modeled in the Pro/Engineering and then imported into the ANSYS to finish the finite element analysis in order to find the stress distribution characteristics.According to the results,it is found that greater stress concentrations exist at the fulcrum beam,the welding rod,the crank pin junction and the cross-sectional deformation.Some improvement measures on the stress concentrated areas are proposed to reduce the stress and ensure the stability of pumping work.

pumping unit;connecting bar;walking beam;crank;finite element

TE933.1

A

1007-4414(2015)05-0001-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.001

2015-09-18

賈同威(1989-),男,河北滄州人,碩士研究生,主要從事有限元分析、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真和石油礦場(chǎng)機(jī)械方面的工作。