游梁式抽油機支架的有限元模態(tài)分析

潘小兵1董小慶2宋治國3

(1.大慶油田試油試采分公司試油大隊，黑龍江 大慶 163412；2.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024；

3.中石油鉆井院江漢機械研究所，湖北 荊州 434000)

摘要：支架是游梁式抽油機的主要承載部件，其振動特性對抽油機的穩(wěn)定性和可靠性有重要影響?，F以C-228D-173-74抽油機支架為例進行模態(tài)分析，得到預應力狀態(tài)下支架前6階的振型和固有頻率。模態(tài)分析結果表明：該抽油機支架最低頻率為22.39 Hz，工作中發(fā)生與電機諧振的可能性較大，可適當調整電機轉速以避開共振頻率；前支撐腿剛度不足，應采取適當措施加強。

關鍵詞：游梁式抽油機；支架；SolidWorks Simulation；模態(tài)分析

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：潘小兵(1979—)，男，甘肅靈臺人，工程師，從事石油、天然氣勘探開發(fā)工作。

0引言

游梁式抽油機是一種機械采油裝置，是我國各大陸上油田的主力采油設備[1-2]，其主體結構由曲柄、連桿、游梁、橫梁、驢頭、支架等部件組成。游梁安裝在支架的軸承座上，以軸承座中心為支點作旋轉擺動。作為抽油機中重要的結構件之一，支架既為游梁的擺動提供支點，又承受著抽油機工作中懸點載荷和連桿力傳遞給游梁的巨大載荷，其振動特性關系到抽油機穩(wěn)定性及整個機采系統(tǒng)的可靠性。

有限元模態(tài)分析是一種用數值模擬方法確定結構振動特性的技術，可克服實際模態(tài)測試中的諸多限制[3]，在石油裝備行業(yè)的應用越來越廣泛，為石油裝備零部件乃至整機動態(tài)特性的分析提供了有效手段。本文基于SolidWorks的Simulation工程分析模塊對API C-228D-173-74抽油機支架進行了模態(tài)分析，得到了支架各階模態(tài)的固有頻率及其振型，為抽油機的動態(tài)設計提供了有意義的理論指導。

1模態(tài)分析的數學方法

抽油機支架可簡化為一個多自由度線性定常系統(tǒng)，其運動微分方程可描述為[4]：

(1)

若系統(tǒng)無外力作用，則F={0}，可得到系統(tǒng)的自由振動方程。在求結構自由振動的頻率和振型即求結構的固有頻率和固有振型時，阻尼對計算結果的影響很小。因此，阻尼項可以忽略，這時無阻尼自由振動的運動方程為：

(2)

其對應的特征方程為：

(K-ω2M)X=0

(3)

式中，ω為系統(tǒng)的固有頻率。

解方程組(3)可得到系統(tǒng)的模態(tài)參數。

2抽油機支架的模態(tài)分析

2.1模型建立

API C-228D-173-74抽油機是油田使用較多的一種輕型抽油機，其支架主要由支撐腿、支撐板、夾板、加強板、調整座、軸承座、調整螺栓等零部件組成。其中支撐腿由H型鋼制成，支撐板為角鋼，加強板則為一定厚度的鋼板。支撐腿數量為3條，是整個抽油機支架的主體，支撐板和加強板焊接在支撐腿上，軸承座用墊圈和螺栓安裝在支架頂端。

利用SolidWorks基于特征的建模功能建立支架的實體模型，假設所有焊縫均沒有問題，故將整個支架建立為一個實體。建模時省略了軸承座、螺栓螺母等細小結構。所建立的三維實體模型如圖1所示。

2.2有限元網格劃分

在Simulation模塊下進行支架的網格劃分。鑒于抽油機支架的支撐腿、支撐板、加強板間長度尺寸相差較大，故分別對各零件應用不同的網格精度控制參數，以獲得較均勻的網格分布。為增加網格劃分的成功率，網格類型選擇為“基于曲率的網格”[5]，支架的有限元網格模型如圖2所示，共103 494個節(jié)點，52 671個單元，經檢查無扭曲單元存在，說明網格劃分的質量較高。根據支架的設計要求，在網格劃分完畢后統(tǒng)一設定材料為“普通碳鋼”。

圖1　抽油機支架三維實體模型　　圖2　抽油機支架的有限元網格

2.3載荷及約束施加

抽油機支架在工作過程中受到一定的載荷，因此預應力模態(tài)分析比自由模態(tài)分析更能準確反映支架實際振動特性。因驢頭懸點的載荷隨著曲柄轉角的變化而變化，是時間的函數，在軟件中不便施加動態(tài)載荷，故本分析根據最惡劣的工況施加載荷，以驢頭位于下死點并即將開始上沖程運動為最大受力位置。依據API規(guī)范[6]和該抽油機型號，可計算出此時支架水平和豎直方向受力分別為FX=28.95 kN、方向向右，FY=201.78 kN、方向豎直向下，將這兩個力分別施加于支架頂板上部和側面。

支架的3條支撐腿分別由螺栓固定在基座上，根據其實際安裝狀態(tài)，分別在3條支腿的螺栓安裝板上施加“固定”約束。

2.4結果分析

選擇Direct sparse解算器進行求解，可得到支架的各階模態(tài)振型和參數。圖3為前6階振型，表1列出了前6階振型所對應的固有頻率和最大振幅。

圖3　抽油機支架的前6階振型

階數振動頻率/Hz最大位移/mm122.397.18242.505.30345.338.11465.597.17587.409.34694.7411.39

由表1知，支架的1階固有頻率為22.39 Hz，已遠遠超過驢頭上下運動的頻率，因此在抽油機工作過程中支架不會與游梁運動頻率耦合而產生共振。但由于該抽油機的電機、減速器和后支撐腿安裝在同一基座上，在電機轉速為1 200 r/min左右時，電機的轉動作為激勵源，可能激起支架的1階模態(tài)。其余各階模態(tài)頻率均在40 Hz以上，通常不會被抽油機本身的激勵源激發(fā)。

由圖3可知，1、3、5階振型主要表現為兩條前支撐腿的彎曲，第2階振型主要為后支撐腿的彎曲，第4、6階振型主要是前支撐腿的彎曲及扭轉。

觀察模態(tài)發(fā)現最大振幅發(fā)生在第6階，前支撐腿中部位移為11.39 mm，最小振幅發(fā)生在第2階，后支撐腿上部位移為5.30 mm，而可能被激起的第1階模態(tài)位移發(fā)生在前支撐腿的中上部，為7.18 mm。

總體而言，除了第2階模態(tài)振型以外，前支撐腿在其余各階振型中都發(fā)生了最大模態(tài)位移，說明支架的后支撐腿、支撐板和加強板具有足夠的剛度，而前支撐腿剛度不足。可采取適當調節(jié)電機轉速的方法來避開共振頻率，或對前支撐腿采取加強措施，如在最大模態(tài)位移部位焊接加強板或將前支撐腿更換為截面積較大的H型鋼。

3結論

本文以API C-228D-173-74抽油機支架為研究對象，在SolidWorks環(huán)境下建立其三維實體模型，并利用Simulation模塊進行了有限元仿真，經模態(tài)分析得到支架的前6階振型，得出以下結論：(1) 該支架的第1階模態(tài)較容易被電機轉動激起，應適當調整電機轉速以避開共振頻率；(2) 支架前支撐腿模態(tài)位移較大，剛度不足，應采取相應的加強措施。

[參考文獻]

[1]齊俊林，郭方元，黃偉，等.游梁式抽油機分析方法[J].石油學報，2006，27(6):116-119.

[2]陳憲侃，陳萬薇，孫建華.游梁式抽油機與直線電機抽油機[J].石油鉆采工藝，2003，25(1):67-70.

[3]楊秀娟，閆相禎，王建軍.C-320D-256-120型游梁式抽油機運動過程中的模態(tài)變化規(guī)律研究[J].石油礦場機械，2005，34(1):30-34.

[4]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[5]葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation高級教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6]API SPEC 11E—2008抽油機規(guī)范[S].