抽油機(jī)驢頭銷裝配可靠性研究

李蛟真1，李雪嬋2

1.中國(guó)石化中原油田分公司第四采油廠（河南濮陽457176）

2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院（北京100083）

為提高游梁式抽油機(jī)驢頭銷裝配可靠性，建模分析了位置偏差對(duì)裝配性質(zhì)的影響。指出，用尺寸偏差代償位置偏差完成裝配屬于非剛性連接。闡述了非剛性連接加載后，驢頭變形會(huì)使銷與孔產(chǎn)生相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生形狀偏差而橢圓化，引發(fā)非連續(xù)性曠動(dòng)，影響抽油機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行，最后給出了兩種有效提高裝配可靠性的方法。

抽油機(jī)；膨脹式驢頭銷；力偶裝置；可靠性

石油開采中，游梁式抽油機(jī)的驢頭與游梁多采用兩側(cè)上、下同軸的4個(gè)圓柱銷連接。當(dāng)修井需要驢頭讓位時(shí)，拆下任意一側(cè)上、下兩個(gè)連接銷，以另一側(cè)上、下兩個(gè)同軸的連接銷為中心，將驢頭向有連接銷的方向側(cè)轉(zhuǎn)180度（圖1），即可完成驢頭讓位動(dòng)作[1]。驢頭銷裝配公差的大小，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)兩難問題。過緊時(shí)，傳統(tǒng)的錘擊方法砸不掉驢頭銷子，就得動(dòng)用吊車將抽油機(jī)游梁與驢頭整體拆除，增加工作量和作業(yè)成本[2]。偏松時(shí)，因定位不可靠，會(huì)出現(xiàn)驢頭震動(dòng)異響、銷與孔磨損、雨天有水擊聲，甚至驢頭撕裂。為了解決這個(gè)問題，我們對(duì)影響裝配性質(zhì)的主要因素進(jìn)行了研究，并在生產(chǎn)應(yīng)用中找到了較好的解決辦法。

1 位置偏差對(duì)裝配性質(zhì)的影響

4銷定位的裝配，必須考慮位置公差、形狀公差對(duì)配合性質(zhì)的影響[3]，對(duì)于新機(jī)裝配，通常位置公差比形狀公差影響更大。4組孔因水平坐標(biāo)的位置偏差，會(huì)產(chǎn)生不同軸問題，且4組孔軸線的傾斜和偏移，通常不是簡(jiǎn)單的同一方向，偏差總量不能簡(jiǎn)單相加，而是空間矢量上的疊加。

以proe中抽油機(jī)游梁與驢頭的Φ80銷孔模型為例（圖2）?？?、孔2、孔3、孔4為游梁耳孔，孔5、孔6、孔7、孔8為驢頭耳孔，假設(shè)8個(gè)孔與4個(gè)銷均沒有尺寸偏差與形狀偏差，僅8個(gè)孔間存在位置偏差。

圖1 驢頭側(cè)轉(zhuǎn)

孔1為孔2、孔3、孔4的基準(zhǔn)孔，孔1、孔2的上平面為孔3、孔4上平面的基準(zhǔn)面，位置偏差見表1。

孔5為孔6、孔7、孔8的基準(zhǔn)孔，孔5、孔6的上平面為孔7、孔8上平面的基準(zhǔn)面，位置偏差見表2。

由裝配模型的間隙數(shù)據(jù)分析可知，以銷1裝配為基準(zhǔn)（圖2），其間隙與干涉為零。銷2（圖3）、銷3（圖4）、銷4（圖5）的裝配，因孔位置偏差造成不同軸，均存在間隙與干涉。要在驢頭與孔板不扭轉(zhuǎn)變形條件下實(shí)現(xiàn)零配合，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)上必須用尺寸偏差置換位置偏差，也就是減小銷子直徑（表3）以代償孔的同軸度位置偏差，表3中的銷2、銷3、銷4直徑減小值總和，可以隨機(jī)分?jǐn)偟?個(gè)銷子上。

表1 游梁孔位置偏差數(shù)據(jù)表

表2 驢頭孔位置偏差數(shù)據(jù)表

圖2 游梁與驢頭銷孔裝配模擬圖

圖3 銷2裝配數(shù)據(jù)分析

2 尺寸偏差代償法在加載后產(chǎn)生的形狀偏差危害

減小銷子直徑，用尺寸偏差代償位置偏差，最直接的后果就是形成非剛性連接[4]。事實(shí)上對(duì)于大型抽油機(jī)，質(zhì)量、體積與鉚焊的加工制造誤差都較大，本身裝配難度就大，在野外生產(chǎn)條件下，測(cè)量同軸度以及運(yùn)行磨損后的形狀偏差更難做到，另外儲(chǔ)備大量不同尺寸的銷子，也會(huì)推高生產(chǎn)成本，延誤生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間。現(xiàn)場(chǎng)上為了順利完成拆、裝工作，多數(shù)采取與前面理論分析時(shí)相反的順序，即銷4、銷3、銷2先用較大間隙H8/d8配合，銷1最后采用小過盈裝配，有時(shí)甚至4個(gè)銷全部為間隙配合。

表3 銷直徑

圖4 銷3裝配數(shù)據(jù)分析

圖5 銷4裝配數(shù)據(jù)分析

在這種非鋼性連接條件下，抽油機(jī)運(yùn)行加載后，驢頭自身重力、慣性力，以及井下負(fù)荷作用于銷孔連接部位的力量，遠(yuǎn)大于裝配時(shí)施加在銷孔部位的力量，而驢頭銷附近為應(yīng)力集中區(qū)，部分材料塑性變形后[5]，將使驢頭發(fā)生復(fù)雜的形變，銷孔位置偏差隨之呈復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，銷與孔就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在摩擦機(jī)理作用下，使銷與孔橢圓化而產(chǎn)生越來越大的形狀公差，導(dǎo)致驢頭非連續(xù)性曠動(dòng)，在每日數(shù)千個(gè)沖次的反復(fù)作用下，非連續(xù)性曠動(dòng)的隱患越來越大，可靠性就會(huì)越來越差。

3 解決銷與孔相對(duì)運(yùn)動(dòng)的對(duì)策

3.1 驢頭預(yù)緊力偶裝置的研究

為克服銷與孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大型抽油機(jī)通常在游梁上部前端靠近上驢頭銷的中間位置，設(shè)計(jì)一個(gè)驢頭頂絲，在驢頭銷組裝完成后，扭緊頂絲，對(duì)驢頭施加一個(gè)預(yù)緊力，使驢頭在垂直空間上產(chǎn)生一個(gè)與井下負(fù)荷等外力作用方向相同的旋轉(zhuǎn)力矩，以求提前消除驢頭加載形變對(duì)裝配效果產(chǎn)生的不利影響?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，頂絲預(yù)緊力只對(duì)強(qiáng)化上部?jī)山M驢頭銷的裝配效果起作用，對(duì)下部?jī)山M驢頭銷的作用效果很弱。預(yù)緊力在驢頭上為非均質(zhì)傳導(dǎo)，它首先克服的是上部?jī)山M銷孔同軸度偏差形變的反作用力，作用于下部?jī)山M驢頭銷孔的力量?jī)H為殘余力量，當(dāng)驢頭過水平中點(diǎn)向下運(yùn)行時(shí)，驢頭自重力作用于下驢頭銷的力矩方向與此殘余力量方向相反，抵減以后預(yù)緊力矩的方向不確定，則下部?jī)山M驢頭銷與孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)依然存在。

要消除下部?jī)山M驢頭銷與孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可在游梁下部靠近下驢頭銷的中間位置，加裝一個(gè)驢頭拉緊裝置，與驢頭頂絲組成一個(gè)力偶裝置（圖6）。拉緊裝置由拉力螺栓、受力螺母、鎖緊螺母、光孔底座4部分組成。受力螺母焊接在驢頭下銷孔中間，光孔底座焊接在游梁下端前部相應(yīng)位置，拉力螺栓從光孔中穿過后連接到受力螺母，鎖緊螺母扭力越大，把驢頭拉向游梁的拉力越大。下銷孔處的拉力與上銷孔處頂絲的頂力方向相反，與負(fù)載加于驢頭上的旋轉(zhuǎn)力矩方向相同，即使在生產(chǎn)中負(fù)載換向的瞬間，也可平衡驢頭自重和慣性產(chǎn)生的反方向力矩，從而消減相對(duì)運(yùn)動(dòng)與磨損形變。

圖6 驢頭預(yù)緊力偶裝置示意圖

驢頭預(yù)緊力偶裝置在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用30余套，對(duì)于解決下驢頭銷曠動(dòng)的效果非常明顯，其改裝成本不足100元，改裝時(shí)間不超過1h。對(duì)于下銷曠動(dòng)嚴(yán)重而又不具備大修理?xiàng)l件的，在下部2個(gè)驢頭銷對(duì)應(yīng)位置分別加裝一個(gè)驢頭拉緊裝置，效果更好。

3.2 膨脹式驢頭銷的研究

要減輕驢頭銷與孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，還應(yīng)在驢頭銷的直徑尺寸上做工作，盡力使銷、孔公差接近零配合或小過盈，但野外生產(chǎn)條件下，測(cè)量、匹配合適尺寸的驢頭銷，操作難度較大，且生產(chǎn)成本較高。為了實(shí)現(xiàn)免測(cè)量條件下，快速匹配合適尺寸的驢頭銷，我們將一體式圓柱形驢頭銷改成分體式錐臺(tái)形膨脹銷，使外徑尺寸具備可調(diào)性。

膨脹式驢頭銷[6]（圖7）由外錐形本體、內(nèi)錐形襯套、調(diào)整墊、螺母組成。外錐與內(nèi)錐的錐度均為1：32，徑向尺寸有0～3mm的調(diào)整量。內(nèi)錐套大端壁厚不超過5mm，沿軸線方向割1～3mm寬伸縮縫，保證內(nèi)錐套脹開力度適中，同時(shí)具備一定的復(fù)位性。外錐形本體上端開槽或銑方，用于防止松、緊螺紋時(shí)發(fā)生連軸轉(zhuǎn)。外錐形本體螺紋的下端部預(yù)留一段小于螺紋底徑的受力臺(tái)，用于拆卸外錐形本體時(shí)受力而不傷螺紋。

圖7 膨脹式驢頭銷

裝配膨脹式驢頭銷時(shí)，首先，將內(nèi)錐形襯套插入抽油機(jī)游梁與驢頭的耳板孔中；其次，將外錐形本體插入內(nèi)錐形襯套中，然后，選擇合適厚度的的調(diào)整墊，環(huán)套在外錐形本體端部；最后，將螺母連接到外錐形端部的公扣螺紋上。轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，外錐形本體在內(nèi)錐形襯套內(nèi)作軸向位移，并將其撐開，充滿驢頭與游梁的銷孔，徑向膨脹量與軸向位移距離成正比，螺母的松緊程度決定了驢頭銷的直徑大小、裝配的松緊程度以及與設(shè)定公差的符合程度。拆卸時(shí)，首先卸掉螺栓，取下調(diào)整墊，即使過盈條件下，由于接合面是錐形，輕擊最底端的受力臺(tái)也可輕易取出外錐形本體，由于縱縫設(shè)計(jì)保證了復(fù)位性，內(nèi)錐形襯套也可順利取出，從而完成整個(gè)分體式驢頭銷的拆卸。

膨脹式抽油機(jī)驢頭銷在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用500余套，通用性非常強(qiáng)，裝配現(xiàn)場(chǎng)無需專門測(cè)量，安裝與拆卸時(shí)間均不超過10min，與普通的一體式圓柱銷相比，每組材料費(fèi)用增加200余元，與減少的裝配、測(cè)量費(fèi)相比略有節(jié)約，對(duì)于磨損較重，需要更換或維修驢頭、游梁的井，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，每臺(tái)可節(jié)約1萬余元。

4 結(jié)論

抽油機(jī)驢頭的4銷定位結(jié)構(gòu)，因銷孔位置偏差影響，必須減小驢頭銷直徑，才能以非鋼性連接的方式順利完成拆、裝，但加載后驢頭變形時(shí)，銷與孔會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在摩擦機(jī)理作用下橢圓化而產(chǎn)生形狀偏差，使裝配可靠性變差而引發(fā)設(shè)備損壞。在現(xiàn)場(chǎng)使用膨脹式驢頭銷與驢頭預(yù)緊力偶裝置，可簡(jiǎn)化測(cè)量與裝配工作，能有效解決加載后銷與孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的危害，從而提高抽油機(jī)驢頭銷裝配可靠性。

[1]張學(xué)魯,季祥云,羅仁全.游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[2]李蛟真,李文星,翟全良,等.抽油機(jī)驢頭銷子取出器[J].石油機(jī)械,2010,38(3):78-79.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.

[4]王康軍,季祥云,于勝存,等.大型游梁式抽油機(jī)驢頭讓位方式分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2006,35(2):85-86.

[5]李紅才,李海東,宋念友.抽油機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)式驢頭改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(12):100-102.

[6]李蛟真,陳照林,管菲,等.膨脹式防曠驢頭銷: ZL201220274709.7[P].2012-06-12.

In order to improve the assembly reliability of the horsehead pin of beam oil pumping unit,the influence of position deviation on the assembly performance was analyzed by modeling.It is pointed out that to compensate the position deviation by dimension deviation is a non rigid connection.It is expounded that after loading,the non rigid connection will lead to the relative movement between pin and hole,and then produces the shape deviation and makes the circular hole become elliptical hole,which results in non continuous shaking and affects the smooth and safe running of the oil pumping unit.Finally,two methods to improve the assembly reliability of the horsehead pin are proposed.

oil pumping unit;expansion horsehead pin;couple device;reliability

賈強(qiáng)

2016-09-13

李蛟真（1973-），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事抽油機(jī)安裝與維修的管理工作。