基于ANSYS的碳纖維連續抽油桿作業車側翻穩定性的有限元分析

孫新國，孫亮，王二化

(1.南陽理工學院機械與汽車工程學院，河南南陽473004;2.河南工業職業技術學院，河南南陽473000)

碳纖維連續抽油桿采油系統在我國油田的應用獲得了初步的成功，尤其是產品性能和節能效果，均超過了國外的技術水平，顯示出大面積推廣的巨大經濟價值。但是，該采油系統的相關配套技術研究尚未深入開展，應用中尚未充分發揮出該產品的潛力［1－3］。

由某大學機械工程學院研制的連續抽油桿作業車創新性地提出將碳纖維桿的起下桿裝置由纏繞式驅動改為夾緊摩擦式驅動的新穎方案，解決了第一代碳纖維桿專用作業車纏繞盤驅動扭矩過大的問題，同時大大改善了碳纖維桿在起下過程中的受力狀態。其主要特點是:起升(下放)載荷能力大，起升(下放)作業時桿柱受力狀況改善，桿柱纏繞盤負載扭矩大幅降低;作業過程自動化程度高、速度快、設備對井場環境的適應性強，易損件少，便于維修;兼顧桿的運輸和作業兩項功能，減少設備投資;持續作業時間長，為碳纖維桿在國內油井大面積推廣應用提供高效、可靠的作業配套設備，填補了國內空白［2］。碳纖維連續抽油桿作業車示意圖見圖1。

圖1 碳纖維連續抽油桿作業車示意圖

為防止該作業車側翻，文中利用ANSYS 有限元軟件，對所研究作業車進行了4 種工況下的有限元計算，得出了作業車在水平工作狀態和3 種傾斜工作狀態下的支反力，根據支反力方向判斷有沒有側翻，并求出傾斜狀態下側翻穩定角，完成了作業車的可靠性評價，并為現場工作人員安全操作提供可靠數據。

1 碳纖維連續抽油桿作業車有限元模型的建立［4－5］

建模時將車體簡化為板單元Shell63，支撐簡化為三維彈性梁單元Beam4，支撐與地面通過彈簧元連接起來。各連接處均為焊接剛性節點。整個作業車共242 個節點，劃分228 個單元。由于文中分析是建立在作業車各部件都滿足其強度和剛度要求的基礎上，所以，把作業車各部件都看成剛性部件，對分析結果不會有太大影響。假設板單元厚度為0.1 m，彈性模量E 為2.1 ×1020N/m2，泊松比為0.3。用三維CAD設計繪圖軟件Solid Edge 計算出作業車載質量和質心位置，并轉化為集中力通過剛性梁加到其質心上。車體質心水平位置已經確定，假設車體質心高度在0.1～0.5 m 之間，將其均分4 段，并分別對5 個高度值進行計算。所建模型如圖2所示。

圖2 碳纖維連續抽油桿作業車有限元模型

2 求解及結果分析

如前所述，車體4 個液壓缸支撐通過彈簧元固定在地面上，約束點共有8 個，其中支撐與彈簧元連接處限制2 個自由度，即水平X、Y 方向的移動，彈簧元與地面連接處限制6 個自由度。車體不傾斜時，過輪上沿X、Z 軸上的載荷、車體自重和車載載荷均直接加到相應的節點上。車體傾斜時，模型不變，把各個載荷按傾斜角度進行正交分解，將計算出的載荷分別施加在相應節點。如果作業車側翻了，必定存在某一個或幾個固定鉸支點支反力表現為拉力。所以，文中根據作業車4 個鉸支點的支反力情況，判斷作業車會不會側翻。

(1)作業車不傾斜時，車體質心高度對計算結果沒有影響，求出其工作過程中彈簧元與地面連接處的支反力分析結果，見表1。

表1 作業車不傾斜時支反力 N

結果顯示:沒有反方向的支反力存在且最小支反力并不接近于零，說明作業車不傾斜工作時不僅不會側翻，還具有相當大的安全系數。

(2)作業車傾斜狀態分為3 種:向右、向左和向后傾斜。計算出作業車在傾斜到何種程度才會側翻，表2所示作業車在各種狀態下的側翻穩定角。

表2 作業車向各個方向傾斜時的側翻穩定角(°)

為確保安全，此模型將抽油桿起升裝置置于作業車右側，所以，如果車工作時往右傾斜，就比較容易側翻，如表2所示，其側翻穩定角大致在14°左右。向左傾斜，角度較小時，還能起到穩定作用，所以，只有傾斜角度很大，作業車才能側翻，其側翻穩定角大致在26°左右。由于作業車工作時，車尾部(即抽油桿起升裝置處)要緊貼井口，因此，要對向后傾斜作分析，由于車尾部載荷較大，其側翻穩定角度也相當大，大致在32°左右。由表2 還可以看出:車體質心越低，越不易側翻。

3 結論

(1)由計算結果可以看出:作業車工作時，如不傾斜，Z 方向支反力方向一致并遠大于0，說明作業車不會發生側翻，并且相當安全。

(2)如果該作業車向左或向后傾斜，側翻穩定角都大于25°，偏于安全。作業車向右傾斜，側翻穩定角14°左右，偏于危險。

(3)車體質心越低，越不易側翻。

(4)綜上所述，該作業車的整體結構設計在平衡方面是合理的。

［1］彭勇，閆文輝，職黎光，等.碳纖維連續抽油桿作業車的研制［J］.鉆采工藝，2006，29(4):81－82.

［2］高軍.碳纖維連續抽油桿失效分析及對策［J］.內蒙古石油化工，2009(3):45－47.

［3］劉亞靜，周艷麗.連續抽油桿的研究與油田應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2012(5):140.

［4］張洪才，何波.有限元分析——ANSYS 13.0 從入門到實戰［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［5］張洪才.ANSYS 14.0 理論解析與工程應用實例［M］.北京:機械工業出版社，2013.