馬 兵，秦嘉斌，王麗春

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，山西忻州 036600)

0 引言

多種類、高適應(yīng)性是我國(guó)抽油機(jī)的發(fā)展方向之一［1－2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在常規(guī)游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)出了多種抽油機(jī)，其中大多取得了良好的效果，針對(duì)性地解決了部分問(wèn)題。本文在分析常規(guī)游梁式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了一種無(wú)驢頭增程抽油機(jī)，其特點(diǎn)是取消了驢頭，在傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)上增加了輔助直線機(jī)構(gòu)。并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性、長(zhǎng)短桿長(zhǎng)度對(duì)抽油機(jī)沖程和尺寸的影響進(jìn)行研究，對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行了有限元分析，為無(wú)驢頭增程抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)工作原理［3－4］

無(wú)游梁增程抽油機(jī)是一種由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和輔助直線機(jī)構(gòu)組成抽油裝置。通過(guò)曲柄的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)F點(diǎn)繞E點(diǎn)做圓弧運(yùn)動(dòng)，再連接輔助直線機(jī)構(gòu)，使F點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)镮點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)。利用剛性桿產(chǎn)生的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的上、下沖程，替代了驢頭與鋼絲繩。抽油機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)減速器，減速器帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)F點(diǎn)繞E點(diǎn)做圓弧運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)點(diǎn)通過(guò)輔助直線機(jī)構(gòu)使得I點(diǎn)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)曲柄B點(diǎn)逆時(shí)針由上向下旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸點(diǎn)I帶動(dòng)抽油桿向上運(yùn)動(dòng)，即上沖程;當(dāng)曲柄B點(diǎn)逆時(shí)針由下向上旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸點(diǎn)I帶動(dòng)抽油桿向下運(yùn)動(dòng)，即下沖程。曲柄的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽油過(guò)程。

2 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)數(shù)學(xué)模型建立

2.1 輔助直線機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

無(wú)驢頭增程抽油機(jī)中輔助直線機(jī)構(gòu)是其關(guān)鍵部分，本文采用復(fù)數(shù)矢量法對(duì)其形成直線的機(jī)理進(jìn)行研究。如圖1 所示，LDH=LDG，LDE=LEF，LFH=LFG=LHK=LGK。K點(diǎn)是I點(diǎn)在水平方向的投影。

圖1 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)工作示意圖

由方程(1)～(3)可得

由于LDG，LFG，LDE在設(shè)計(jì)出抽油機(jī)時(shí)已確定，從而得出LDK的長(zhǎng)度始終為常量，即I點(diǎn)在垂直方向沿直線運(yùn)動(dòng)。

2.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的分析采用矢量回路法進(jìn)行分析。圖1 中，θ1表示曲柄轉(zhuǎn)角，θ2、θ3表示 BC、CE 桿與水平方向的夾角，lx、ly分別表示鉸支點(diǎn)E與A的水平和垂直距離。根據(jù)向量回路，可列方程:

將式(5)分解成為X方向和Y方向的標(biāo)量:

將(6)、(7)平方相加并利用正余弦半角公式得到:

其中，A1=2LCEly－ 2LCELABsin θ1

再聯(lián)立式(6)、(7)消去θ2，并對(duì)此方程全微分，分

2.3 抽油機(jī)懸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1及以上分析結(jié)果，可以得出無(wú)驢頭增程抽油機(jī)懸點(diǎn)的沖程、速度以及加速度:

式中:LIK表示懸點(diǎn)的沖程表示懸點(diǎn)的速度表示懸點(diǎn)的加速度。給定該抽油機(jī)的曲柄轉(zhuǎn)角θ1和曲柄角速根據(jù)以上數(shù)據(jù)，即可求得無(wú)驢頭增程抽油機(jī)各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)特征參數(shù)的影響分析［5］

輔助直線機(jī)構(gòu)作為無(wú)驢頭增程抽油機(jī)的特征結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)有抽油機(jī)所沒(méi)有的新結(jié)構(gòu)。輔助直線機(jī)構(gòu)對(duì)于抽油機(jī)的沖程和抽油機(jī)的尺寸又有重要影響，因此對(duì)輔助直線機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿、短桿長(zhǎng)度與抽油機(jī)沖程和抽油機(jī)尺寸的關(guān)系進(jìn)行研究，以使抽油機(jī)幾何尺寸較小的情況下有最大的沖程，達(dá)到增程效果。利用Solid-Works研究輔助機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿、短桿長(zhǎng)度對(duì)抽油機(jī)沖程和尺寸的影響，仿真時(shí)抽油機(jī)的沖次為8 min－1。將抽油機(jī)的短桿長(zhǎng)度分別設(shè)定為 1.6 m、1.8 m、2 m、2.2 m、2.4 m，保持其他參數(shù)不變，利用 SolidWorks進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)短桿長(zhǎng)度對(duì)抽油機(jī)高度與沖程的影響相反，短桿長(zhǎng)度從1.6 m變化到2.4 m，沖程降低了 4.1%，抽油機(jī)高度增加了17.1%。因此，根據(jù)抽油機(jī)工作需求，短桿長(zhǎng)度應(yīng)盡量小。

圖2 短桿長(zhǎng)度與抽油機(jī)沖程、高度關(guān)系圖

將抽油機(jī)的長(zhǎng)桿長(zhǎng)度分別設(shè)定為6.6 m、6.8 m、7 m、7.2 m、7.4 m，保持其他參數(shù)不變，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 長(zhǎng)桿長(zhǎng)度與抽油機(jī)沖程、高度關(guān)系圖

可見(jiàn)長(zhǎng)桿長(zhǎng)度對(duì)抽油機(jī)沖程與高度的影響相反，長(zhǎng)桿長(zhǎng)度從6.6 m變化到7.4 m，沖程提高了13.3%，抽油機(jī)高度降低了13.4%。因此，根據(jù)抽油機(jī)工作需求，長(zhǎng)桿長(zhǎng)度應(yīng)盡量大。

根據(jù)以上分析的輔助直線機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿、短桿長(zhǎng)度與抽油機(jī)沖程和抽油機(jī)尺寸的關(guān)系，考慮到抽油機(jī)輔助直線機(jī)構(gòu)的受力情況，在滿足沖程較長(zhǎng)，抽油機(jī)幾何尺寸較小下，選擇抽油機(jī)的輔助直線機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿LDH=7.2 m，輔助直線機(jī)構(gòu)短桿 LFH=1.6 m。

4 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)實(shí)例分析

類比10型常規(guī)抽油機(jī)，設(shè)計(jì)出10型無(wú)驢頭增程抽油機(jī)的基本參數(shù)，其中，曲柄長(zhǎng)度LAB=0.975 m，連桿長(zhǎng)度LBC=3.335 m，游梁后臂長(zhǎng)度 LCE=2.400 m，游梁前臂長(zhǎng)度LEF=3.000 m，游梁支撐中心到減速器輸出軸中心的水平距離lx=2.300 m，游梁支撐中心到底座底面的距離ly=3.334 m，輔助直線機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿LDH=7.200 m，輔助直線機(jī)構(gòu)短桿 LFH=1.600 m，曲柄角速度=0.837 rad/s，即 8 min－1。利用上述推導(dǎo)公式及給定的已知參數(shù)，即可求得無(wú)驢頭增程抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移、速度和加速度。繪制出無(wú)驢頭增程抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖4所示，可以得到懸點(diǎn)最大沖程、最大速度、最大加速度分別為2.980 m、1.377 m/s、1.405 m/s2。其沖程、速度、加速度曲線滿足抽油機(jī)設(shè)計(jì)的要求。

圖4 懸點(diǎn)位移、速度、加速度與時(shí)間關(guān)系

5 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)特征結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

5.1 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)特征結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)［6］

輔助直線機(jī)構(gòu)作為無(wú)驢頭增程抽油機(jī)的特征結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析使其強(qiáng)度滿足抽油機(jī)的工況要求。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)輔助直線機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下分析，得出桿LFH和桿LFG是輔助直線機(jī)構(gòu)中最危險(xiǎn)的兩個(gè)部分，因此其安全性決定著新型抽油機(jī)設(shè)計(jì)的成敗。為此，對(duì)10型無(wú)驢頭增程抽油機(jī)的上述兩桿進(jìn)行有限元分析，以檢驗(yàn)其是否滿足抽油機(jī)強(qiáng)度和剛度要求。由于兩桿的設(shè)計(jì)方法一樣，因此僅列出桿LFG的設(shè)計(jì)過(guò)程。

輔助直線機(jī)構(gòu)短桿材料選用普通碳鋼，參照常規(guī)10型抽油機(jī)的負(fù)載情況，并利用材料力學(xué)對(duì)其基本尺寸進(jìn)行計(jì)算，選取短桿的初始參數(shù):短桿長(zhǎng)度1 600 mm，寬度140 mm，厚度80 mm，在短桿上開(kāi)出長(zhǎng)度1 100 mm，寬度110 mm，深30 mm的弧形槽。對(duì)其力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，對(duì)其一端施加固定約束，根據(jù)力系分析以及抽油機(jī)載荷，在另一端施加200 kN的力。對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元總數(shù)48 776個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)78 987。圖5為短桿的應(yīng)力云圖及位移云圖。最大應(yīng)力和最大位移分別為63.18 MPa和0.28 mm，安全系數(shù) n=220.59/63.18=3.49，符合安全規(guī)范，設(shè)計(jì)安全可靠。

圖5 短桿應(yīng)力和位移云圖

從圖5可知，雖然短桿最大應(yīng)力在材料的屈服極限范圍內(nèi)，但是設(shè)計(jì)裕度過(guò)大，存在冗余，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化。

5.2 無(wú)驢頭增程抽油機(jī)特征結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用SolidWorks對(duì)其尺寸進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在短桿長(zhǎng)度和寬度不變的情況下，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化后的應(yīng)力及位移云圖如圖6所示。最大應(yīng)力和最大位移分別為97.98 MPa和0.49 mm，安全系數(shù)降低為 n=220.59/97.98=2.25，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 優(yōu)化后短桿應(yīng)力和位移云圖

表1列出了優(yōu)化前后短桿的參數(shù)。由表可知:優(yōu)化后安全系數(shù)從 3.49 降低到 2.25，體積從 1.05×107mm3降低為 6.89×106mm3，質(zhì)量從 82 kg降低到 53 kg。設(shè)計(jì)節(jié)省了材料，降低了動(dòng)載荷。

表1 優(yōu)化前后短桿參數(shù)表

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)驢頭增程抽油機(jī)原理圖，并對(duì)其建立了數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用解析法求出了懸點(diǎn)位移、速度、加速度曲線。

(2)研究了輔助機(jī)構(gòu)長(zhǎng)桿、短桿長(zhǎng)度對(duì)抽油機(jī)沖程和尺寸的影響，得出長(zhǎng)桿、短桿對(duì)抽油機(jī)的沖程和高度影響相反，在滿足幾何關(guān)系前提下，應(yīng)盡量選取長(zhǎng)桿較長(zhǎng)、短桿較短的組合方法。

(3)樣對(duì)其關(guān)鍵部分進(jìn)行有限元分析，并在滿足安全要求下對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 方仁杰，朱維兵.抽油機(jī)歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.鉆采工藝2011(2):60－63.

［2］ 張連山.關(guān)于國(guó)內(nèi)抽油機(jī)發(fā)展趨向的幾個(gè)問(wèn)題［J］.石油機(jī)械1996(2):30－34.

［3］ 高 健.抗偏載沖床的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.

［4］ 朱 浩.直線引導(dǎo)型獨(dú)立懸架及轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析［D］.北京:清華大學(xué)，2010.

［5］ 曹毅杰.電動(dòng)輪冷卻風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014(11):146－148.

［6］ 楊 俠，萬(wàn) 攀，郭 釗，等.基于SolidWorks四連桿抽油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.石油機(jī)械，2013(10):90－92.