游梁平衡式抽油機結構件特點及焊接工藝

張萬江,于勝存,陳國黨

(1.新疆第三機床廠,烏魯木齊830013;2.塔里木第三勘探公司機動科,新疆庫爾勒841000)

游梁平衡式抽油機結構件特點及焊接工藝

張萬江1,于勝存1,陳國黨2

(1.新疆第三機床廠,烏魯木齊830013;2.塔里木第三勘探公司機動科,新疆庫爾勒841000)

雖然抽油機的產品類型很多,但游梁式抽油機型仍處于主導地位,其組成除曲柄裝置及動力驅動裝置外均為焊接結構件。焊接工藝的制定和執行直接關系到抽油機的產品性能和質量。闡述了游梁平衡式抽油機主要焊接件驢頭、游梁、連桿、橫梁、底座、支架的結構特點及焊接工藝,可為相關制造企業提供參考。

抽油機;焊接;工藝;流程

我國目前機械采油井的數量占油井總數的90%以上,其中由抽油機組成的抽油設備的抽油井占80%左右,采油量占總產量的75%以上。常規型游梁式抽油機是應用時間最長、應用最多的機型[1]。我廠生產的抽油機主要是游梁平衡式抽油機,為典型的四連桿機構,主要部件由驢頭、游梁、連桿、橫梁、底座、支架、曲柄裝置及動力驅動裝置等組成,除曲柄裝置及動力驅動裝置外,其他部件均為焊接結構件,焊接工藝的制定和執行直接關系到抽油機的產品性能和質量。

1 驢頭[2-5]

1.1 結構特點

驢頭作為抽油桿懸繩的支撐和提升載荷部件,其弧面的變形將直接影響抽油桿的穩定性和運動特性。驢頭的結構如圖1。

圖1 驢頭結構

a) 屬于扁箱形結構,兩側板為主要受力支撐體,箱內形成混合骨架結構。

b) 內部結構復雜,構件焊接連成一體,使整個驢頭成為一個剛性的焊接結構,一旦焊縫結構衍生微小裂紋,就會快速地擴展到相鄰構件,造成部分構件乃至整體發生破壞。因此,在焊接時要避免應力集中的因素。

c) 相對其他構件焊接工作量大,其焊縫多為短縫和內部焊接,不宜采用高效焊接的方法,除了長圓弧焊縫外,目前條件下只能采用手工電弧焊。

1.2 焊接工藝

為減少驢頭的變形與應力,正確選擇和嚴格遵守焊接順序是驢頭焊接質量的重要保證。焊接順序就是減少結構變形,降低焊接殘余應力,并使其分布合理,按一定次序進行焊接的過程。

a) 為保證焊后弧板的弧度,減少影響抽油機驢頭的變形,應先焊接內置加強板,然后焊接弧板與側板的角焊縫。

b) 構件中先焊對接焊縫,后焊角焊縫;先焊立焊縫,后焊平焊縫。

c) 剛度大的焊縫,如連接板與側板的焊接應不間斷,力求迅速完成。

2 游梁

2.1 結構特點

游梁為典型的杠桿機構部件,其強度和剛度要求較高,對整機的穩定性起著重要的作用。游梁的結構如圖3所示。

a) 游梁在大型抽油機中結構主要為箱形梁,中小型抽油機多為工字形梁。游梁一般采用自動焊,生產效率高,缺點是制造過程的變形量大。

b) 游梁的頂板、底板和側板相對尺寸結構長窄,焊接時易引起波浪變形,對游梁的剛度、強度和穩定性都有影響。

c) 游梁的頂板、底板和側板裝焊時要控制其傾斜量,否則會產生扭曲變形,影響抽油機的運行性能和安裝精度。

圖2 游梁結構

2.2 焊接工藝

為減少游梁的波浪變形和扭曲變形,應適當采用工裝夾具,保證裝焊的質量。

a) 使用胎夾具裝配法裝焊游梁,以提高裝配質量和裝配效率。

b) 為保證游梁的變形在公差允許范圍之內,頂板、底板和側板之間的手工封底焊縫要嚴格控制焊接電流大小,盡可能采用兩側同時施焊的方法。

c) 先焊接箱體內的筋板焊縫,后焊接側板與頂板、底板的角焊縫。因為封箱板無法與筋板焊接,考慮受力分布情況,應將底板作為封箱蓋板。

d) 側板與頂板、底板的角焊縫采用埋弧自動焊雙機頭對稱焊接的方法,可以減少構件的總體變形量,嚴格控制焊接電流在工藝要求范圍之內。

e) 剛度大的焊縫,如連接板與頂板、底板的焊縫焊接應不間斷,力求迅速完成。

3 連桿

3.1 結構特點

連桿是抽油機主要運動部件之一,結構簡單,其結構如圖3所示,一般由管件和上、下接頭焊接而成。

a) 相對于長桿焊接件來說,其精度和形位公差要求極高。因為精度既影響抽油機的運行,又影響部件的互換性。

b) 結構單薄,在運行過程中,受交變載荷作用,設計時不但要考慮拉伸強度和彎曲強度,而且要校核其受壓穩定性。

c) 由于工件尺寸相對較長,受限于設備,一般采用先機加工、后焊接的方法。

3.2 焊接工藝

由于連桿屬于抽油機的薄弱部件,對焊縫的質量要求高。

a) 采用定位裝配法進行焊裝和焊接,以保證質量和生產效率。

b) 焊接使用直流焊機,焊接應不間斷,力求迅速完成,焊接后應按要求加熱或保持溫度。

c) 采用高頻振動儀或其他方法消除殘余應力。

d) 進行外觀檢查和無損探傷。

圖3 連桿結構

4 橫梁[6]

4.1 結構特點

橫梁的結構如圖4,一般以箱形梁或工字梁為主體,形位公差和精度要求很高。要保證橫梁上平面與2個連桿銷孔的水平度及同軸度精度,一般采用先焊接、后機加工的方法。

圖4 橫梁結構

4.2 焊接工藝

為減少橫梁的扭曲變形,應采用工裝夾具,保證裝焊的質量。

a) 橫梁成型焊焊縫要嚴格控制焊接電流大小,盡可能采用兩側同時施焊的方法。

b) 橫梁與連桿銷套的焊接采用定位裝配法進行焊裝和焊接。

c) 用加熱或焊后保溫等方法消除殘余應力,為后續冷加工作好加工準備。

5 底座

5.1 結構特點

底座作為游梁平衡式抽油機的支撐部件,其強度和剛度有一定的要求,對機構的整體穩定性起著重要的作用。底座的結構如圖5所示。

a) 底座的底部主要是由工字梁組焊而成的框架結構,上部為支撐減速器的箱體結構通常采用手工電弧焊,生產效率低,易變形。

b) 底座的底部相對尺寸結構長窄,焊接時易引起扭曲變形,對整機的裝配有影響。

c) 底座的底部與上部箱體裝焊時要控制平行度,否則會影響后續加工和抽油機安裝精度。

圖5 底座結構

5.2 焊接工藝

a) 使用胎夾具裝配法裝焊底座,提高裝配質量和裝配效率。

b) 為減少扭曲變形,應先焊橫筋與主梁的焊縫,然后焊接內置加強板,且須沿中心部分向外延展對稱焊接。

c) 構件中先焊對接焊縫,后焊角焊縫;先焊立焊縫,后焊平焊縫。

d) 剛度大的焊縫,如底板的焊接應不間斷,力求迅速完成。

6 支架[7]

6.1 結構特點

支架作為游梁平衡式抽油機的衍架式支撐部件,其強度和剛度有一定的要求,對機構的整體穩定性起著重要的作用,支架的結構如圖6。

a) 支架的前架和后架是由工字梁組焊而成的衍架式結構,采用手工電弧焊,生產效率低,易變形。

b) 衍架式結構部件交錯,焊接時易引起扭曲變形,對整機的裝配和運行有很大影響。

c) 支架在平臺裝焊時要控制平行度精度,否則會影響抽油機安裝精度。

6.2 焊接工藝

焊接工藝基本同5.2。

圖6 支架結構

7 整體組對方法對焊接工藝的影響

總體組對方法主要采用“配對倒裝法”的裝焊工藝,主要是驢頭和游梁必須配對使用。這樣抽油機的各個部件可以采取較為靈活的焊接工藝來滿足技術要求,對設備的依賴程度也大為降低。主要缺點是:這2個部件沒有互換性,返修的驢頭和游梁需要整機回廠調試。

8 結語

本文闡述了游梁平衡式抽油機主要焊接件驢頭、游梁、連桿、橫梁、底座、支架的結構特點及焊接工藝,可為相關制造企業提供參考。但每個企業的設備狀況和操作人員的水平都有所不同,應根據具體狀況制定與其相適應的焊接工藝和加工路線。

[1] 張曉東,賈國超.關于我國抽油機發展的幾點思考[J].石油礦場機械,2008,37(1):24-27.

[2] 田錫唐.焊接結構[M].北京:機械工業出版社,1996.

[3] 周浩森.焊接結構生產及設備[M].北京:機械工業出版社,1996.

[4] 宇永福.焊接結構制造[M].北京:機械工業出版社,1995.

[5] 李紅才,李海東,宋念友.抽油機側轉式驢頭改進設計[J].石油礦場機械,2009,38(12):100-102.

[6] 馬述儉,龔曉明,孫存文.游梁平衡抽油機橫梁連桿連接技術方案探討[J].石油礦場機械,2008,37(3):94-95.

[7] 李海東,秦德福,趙普忠,等.抽油機支架數值模擬和結構優化[J].石油礦場機械,2008,37(7):38-41.

TE933.1

B

1001-3482(2010)06-0082-03

2009-12-30

張萬江(1973-),男,甘肅武威人,工程師,1996年畢業于新疆工學院汽車應用工程專業,主要從事采油機械的技術及管理工作。