彎游梁抽油機(jī)平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

1、彎游梁抽油機(jī)平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)摘 要： 針對(duì)目前彎游梁抽油機(jī)在使用過(guò)程中出現(xiàn)平衡臂支座底板焊縫開(kāi)裂、平衡臂支座聯(lián)接螺栓斷裂、平衡臂支座加強(qiáng)筋板撕裂及游梁后端板壓潰等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)游梁詳細(xì)地受力計(jì)算和運(yùn)用Pro/E分析軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，指出平衡臂支座底板與游梁上翼板焊縫處局部應(yīng)力超過(guò)了許用應(yīng)力、易導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生局部裂紋并擴(kuò)展是造成支座底板焊縫開(kāi)裂、支座聯(lián)接螺栓斷裂及加強(qiáng)筋板撕裂的主要原因，游梁后端板的擠壓應(yīng)力超過(guò)其許用擠壓應(yīng)力是導(dǎo)致后端板壓潰的主要原因。為此，以彎游梁16型抽油機(jī)為例對(duì)游梁進(jìn)行了受力計(jì)算，并在Pro/E的MECHANICA環(huán)境下對(duì)游梁后端及平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行有限元

2、分析，并對(duì)平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后此結(jié)構(gòu)的可靠性有較大提高，為其它類型的彎游梁抽油機(jī)進(jìn)行受力分析和平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。主題詞：抽油機(jī) 平衡臂 受力分析 Pro/E彎游梁抽油機(jī)是吐哈油田主要的采油機(jī)械設(shè)備。它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)在油田上被推廣使用。由于彎游梁抽油機(jī)采用“大旋臂、游梁平衡技術(shù)”，它同游梁平衡抽油機(jī)一樣，也存在一些固有的缺點(diǎn)。最大的缺點(diǎn)就是在使用過(guò)程中安全性不可靠。一是當(dāng)抽油機(jī)失載時(shí)，游梁平衡重處于自由落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此產(chǎn)生的沖擊載荷就會(huì)對(duì)其它部件及設(shè)施造成惡劣的破壞；二是由于游梁平衡重較大，尤其是大中型抽油機(jī)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生很大的慣性載荷，由此慣性載荷和游梁配

3、重重力的共同作用就會(huì)導(dǎo)致平衡臂聯(lián)接支座附近處的游梁應(yīng)力集中比較惡劣的地方產(chǎn)生微裂紋，隨著時(shí)間的推移，微裂紋逐步擴(kuò)大，最后導(dǎo)致游梁上翼板撕裂。在以前我們對(duì)游梁進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，游梁撕裂的現(xiàn)象有所減少，收到一定的效果，但目前還存在平衡臂支座底板焊縫開(kāi)裂、平衡臂支座聯(lián)接螺栓斷裂及加強(qiáng)筋板撕裂等故障。據(jù)詳細(xì)分析主要其原因有：1、受力分析時(shí)、力學(xué)模型考慮不夠全面，尤其是受力較復(fù)雜的游梁后端；2、局部地方應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力；3、平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)不盡合理；4、制造工藝不滿足要求。為此，以16型抽油機(jī)為例，對(duì)游梁的受力進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算，指出游梁后端所受外力的變化規(guī)律及特點(diǎn)，并在Pro/E的MECHANICA

4、環(huán)境下對(duì)游梁后端及平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行有限元分析，并對(duì)平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。1 受力分析及有限元計(jì)算1.1受力分析方法的選定我們?cè)趯?duì)抽油機(jī)進(jìn)行受力分析時(shí)，可以根據(jù)靜力學(xué)的“物系平衡問(wèn)題求解法”進(jìn)行受力分析和計(jì)算。而以“物系平衡問(wèn)題求解法”的方法進(jìn)行受力分析時(shí)必須滿足的先決條件就是此問(wèn)題屬于“靜定問(wèn)題”，這樣才能求解。根據(jù)彎游梁抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以平衡臂、游梁及驢頭作為物體系統(tǒng)研究對(duì)象，忽略平衡臂、游梁及驢頭的自身重量，當(dāng)游梁擺角為時(shí)物系的受力如圖1。以00xy為坐標(biāo)系建立物系平衡方程組一。O0P連PxP0yQ游QaCAKx圖1 物系受力示意圖方程組一： 根據(jù)上述方程組一可知，未知量為、

5、及，其個(gè)數(shù)等于平衡方程數(shù)目，所以屬于靜定問(wèn)題，可以用“物系平衡問(wèn)題求解法”進(jìn)行受力分析和計(jì)算。1.2 分析模型的選定及方程組的建立游梁受力近似一個(gè)簡(jiǎn)單支梁，中間為支點(diǎn)，兩端為自由端，平衡臂與游梁的聯(lián)接方式是“上掛下頂”，如圖2。以游梁和驢頭為研究對(duì)象，略去游梁和驢頭自重的影響，當(dāng)繞支點(diǎn)O擺動(dòng)時(shí)游梁受到懸點(diǎn)載荷、連桿作用力、平衡臂對(duì)游梁后端的作用力、平衡臂通過(guò)平衡臂支座作用與游梁上翼板的作用力、支架對(duì)游梁的作用力。當(dāng)游梁擺角為時(shí)游梁所受作用力如圖3。當(dāng)物系處于平衡時(shí)，其每一部分物體處于平衡，因此以00xy為坐標(biāo)系列平衡方程組二。聯(lián)立方程組一與二可以得出連桿力、平衡臂對(duì)游梁后端的作用力與及支架力。

6、圖2 游梁平衡臂聯(lián)接方式圖P連yCxPO0P0P2P1KxkA圖3 抽油機(jī)游梁受力示意圖方程組二： 1.3游梁后端作用力的規(guī)律由于游梁后端是易出現(xiàn)事故的位置，我們以彎游梁16型抽油機(jī)為例，對(duì)游梁后端所受的力P1與P2進(jìn)行詳細(xì)的分析和計(jì)算，見(jiàn)圖4。從圖5可以看出游梁后端所受作用力在一個(gè)沖程內(nèi)呈交變狀態(tài)，在上沖程過(guò)程中由大變小、在下沖程過(guò)程中由小變大，在驢頭下死點(diǎn)附近處呈現(xiàn)最大值。從圖6圖8可以看出，游梁后端所受作用力的變化規(guī)律，平衡臂支座的安裝位置對(duì)游梁后端所受作用力的大小有很大的影響，平衡臂支座與游梁支撐中心的距離越大游梁后端所受的作用力越小、平衡臂掛軸與平衡支撐軸的垂直距離n越大游梁后端所受

7、的作用力越小。P1P2K(n)mKx圖4 游梁后端結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖P2P1圖5 游梁后端作用力變化曲線P2P1圖6 游梁后端最大作用力隨Kx變化曲線P2P1 圖7 游梁后端最大作用力隨K變化曲線圖P2P1圖8 游梁后端最大作用力隨m變化曲線圖1.4 有限元應(yīng)力計(jì)算根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，以16型抽油機(jī)為例，當(dāng)懸點(diǎn)載荷W=160kN、沖次n=4min-1、沖程S=5.9m，抽油機(jī)處于最惡劣的工況，并且驢頭在下死點(diǎn)附近時(shí)的受力狀況最為惡劣，此時(shí)游梁后端所受的作用力最大，P1max=580 kN、P2max=536 kN。通過(guò)在Pro/E的MECHANICA環(huán)境下對(duì)游梁受力狀況比較惡劣的后端進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，分

8、別得出目前結(jié)構(gòu)的游梁上翼板和游梁后端板的應(yīng)力云圖。從圖9中可以看出游梁上翼板與平衡臂支座底板焊接處為應(yīng)力集中點(diǎn)，其應(yīng)力為焊縫承擔(dān)的切應(yīng)力，最大值為max=75MPa；加強(qiáng)筋板小端與游梁上翼板聯(lián)接處由于截面突變而引起應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力為max=127MPa，超過(guò)了許用應(yīng)力= 94MPa、= 0.56=53MPa2（安全系數(shù)為2.53、Q235屈服強(qiáng)度為235MPa），它們是原始微小裂紋的起點(diǎn)。從圖10中可以看出游梁后端板的最大擠壓應(yīng)力pmax=284MPa，超過(guò)了Q235結(jié)構(gòu)鋼的許用擠壓應(yīng)力p=188MPa (擠壓安全系數(shù)為1.254）。切應(yīng)力max=75MPa應(yīng)力集中點(diǎn)max=127MPa圖

9、9 游梁上翼板Von Mises應(yīng)力云圖擠壓應(yīng)力pmax=284MPa圖10 游梁后端板Von Mises應(yīng)力云圖2 平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)2.1 改進(jìn)思路針對(duì)游梁上翼板（圖11a）A、避免由于截面突變所引起的集中應(yīng)力過(guò)大的現(xiàn)象，并使其處于安全范圍內(nèi)；B、減少不必要的聯(lián)接，直接將應(yīng)力傳至游梁主體上；C、減少焊縫數(shù)量及焊接應(yīng)力集中點(diǎn)；D、保證機(jī)構(gòu)聯(lián)接尺寸不變，通過(guò)適當(dāng)加高支座高度來(lái)減小游梁后端作用力；E、保證主要焊縫應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)。 針對(duì)游梁后端板（圖11b）A、增大游梁后端板受力面積、降低單位面積上所受的力（應(yīng)力）；C、保證最大應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)；B、便于安裝，接觸面要貼合嚴(yán)實(shí)。(a) (b

10、)圖11 目前平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)效果圖2.2 平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)改進(jìn) 支座結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案一：去掉平衡臂支座底板，聯(lián)接耳座直接和游梁上翼板焊接，耳座筋板合二為一。優(yōu)點(diǎn)是易制造、成本低；缺點(diǎn)是通過(guò)焊縫傳遞力到游梁主體上。方案二：游梁腹板和聯(lián)接耳座為一體，增加腹板厚度或腹板數(shù)，增加游梁高度。優(yōu)點(diǎn)是直接傳遞力到游梁主體上；缺點(diǎn)是制造難度大、成本高。通過(guò)綜合考慮優(yōu)選方案一，并將耳座中心高度增加75mm。 (a)方案一 (b)方案二圖12 支座結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案圖 支撐桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)為了增大游梁后端板的受力面積，將平衡臂支撐桿與游梁后端板的接觸方式由線面接觸改為面面接觸。為了便于安裝，支撐桿與平衡臂的聯(lián)接方式改為轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，依

11、靠平衡臂自重自動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐桿與游梁后端板的面面接觸方式。2.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算從表1中可以看出，改進(jìn)后的平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)使游梁后端作用力有所減少，應(yīng)力完全滿足工作要求，此結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)于目前結(jié)構(gòu)，應(yīng)力云圖見(jiàn)14。(a)總裝 (b)支撐桿結(jié)構(gòu)圖13 平衡臂支撐桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果圖2.4 工藝上的要求A、耳座底面四周倒角，以保證耳座與游梁翼板焊接的可靠性；B、為滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的要求，耳座與游梁翼板焊接四周按1520mm滿焊。表1 改進(jìn)前后參數(shù)對(duì)比表結(jié) 構(gòu)耳座參數(shù)(mm)高度m(mm)最大作用力(kN)最大應(yīng)力(MPa)許用應(yīng)力(MPa)厚度中心高度P1maxP2maxmaxmaxpmaxp目前

12、結(jié)構(gòu)1102251420580536751272845394188改進(jìn)結(jié)構(gòu)9030014955455004889166工況：懸點(diǎn)載荷W=160kN、沖次n=4min-1、沖程S=5.9m；擠壓應(yīng)力pmax=166MPa切應(yīng)力max=48MPa應(yīng)力集中點(diǎn)max=89MPa圖14 改進(jìn)結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖3 研究結(jié)論從以上對(duì)游梁的受力分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程可以得出以下結(jié)論：（1）彎游梁抽油機(jī)的平衡臂處于自由狀態(tài)，且平衡重較大，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性載荷，易使游梁后端局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，這是造成斷裂的主要原因5。（2）在平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮要減少不必要的聯(lián)接，盡可能將應(yīng)力傳至游梁主體上，以確保抽油機(jī)安全運(yùn)行5。（3）合理優(yōu)化平衡臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝尺寸，可以減小游