基于SOLIDWORKS抽油機驢頭有限元優(yōu)化設計

范 強陳 健張季冬陳大彬

（1.慶新油田開發(fā)有限公司 黑龍江大慶 2.裝備制造集團抽油機制造分公司國內(nèi)總裝廠 黑龍江大慶）

（3.大慶油田第二采油廠機械維修大隊 黑龍江大慶 4.大慶油田公司資產(chǎn)設備管理部 黑龍江大慶）

抽油機作為一種常規(guī)的有桿抽油舉升裝置，已經(jīng)有80多年的歷史，相關技術(shù)已經(jīng)十分成熟。抽油機主要由電機、減速器、支架、四連桿機構(gòu)和驢頭等部件組成。驢頭作為聯(lián)接抽油桿和橫梁的重要部件，需要滿足一定的剛度和強度要求。常規(guī)的驢頭都是使用鋼板焊接而成。

目前，驢頭的設計有很多種形式，每種形式都有各自的優(yōu)缺點。為了進一步優(yōu)化驢頭設計，并且減少設計成本和時間，最好的方式就是使用有限元分析軟件進行模擬。目前，有限元分析軟件在機械設計上的應用十分廣泛，并且成熟可靠。本文針對抽油機驢頭優(yōu)化問題，使用有限元軟件進行數(shù)值模擬分析，研究了驢頭優(yōu)化后的應力、應變的分布規(guī)律。

一、常規(guī)游梁抽又得的數(shù)理模型及三維建模（圖1）

圖1 抽油機數(shù)理模型

根據(jù)API相關標準及SY/T 5044-2003《游梁抽油機》里的相關條款，使用

由數(shù)理模型可以看出，由于驢頭上下擺動時，為了滿足所承載的抽油桿直線往復運動運動和自身強度、剛度的需要，所以驢頭的體積很難做得很小。SOLIDWORKS 2013進行三維建模。SOLIDWORKS 2013是法國 Dassault Systemes公司旗下的CAD產(chǎn)品，其自帶的SIMULATION插件可以很方便的對所建立的三維模型進行有限元分析。經(jīng)過建立模型，抽油機的最終模型如圖2所示。

圖2 抽油機三維模型

二、優(yōu)化方案與分析

1.改進原則與邊界條件設定

（1）常規(guī)游梁抽油機驢頭的改進原則主要包括。①強度、剛度需滿足要求，不得降低太多。②在滿足上一條件下，材料使用盡量少，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化。

（2）為保證有限元分析結(jié)果的準確性和合理性，規(guī)定邊界條件設定準則。①驢頭所使用的材料為均質(zhì)材料，各項同性，材料無缺陷。②驢頭的變形屬于小位移變形。③工作環(huán)境為室溫，壓力為1個大氣壓。

（3）邊界條件設定。①使用鋼材為45#。②加載懸點載荷為14 t。③工作環(huán)境為室溫，1個大氣壓。④零件間無穿透。

在有限元分析劃分網(wǎng)格時，采用的網(wǎng)格單元為六面體，而不采用四面體。雖然四面體有著劃分快速的優(yōu)點，但在計算精度上與六面體相比還有一定差距。六面體劃分雖然在細化時比較麻煩，但計算精度可接近真實數(shù)值。

2.改進方案

（1）方案一。在驢頭側(cè)面開4個長方形切口，并且使用圓角過渡。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，加載邊界條件后，經(jīng)計算安全系數(shù)能滿足工況要求，驢頭質(zhì)量是原來的89%。

（2）方案二。在驢頭側(cè)面開多個不規(guī)則四邊形和三角形，并使用圓角過渡。經(jīng)網(wǎng)格劃分，加載邊界條件后，經(jīng)計算安全系數(shù)能滿足工況要求，驢頭質(zhì)量是原來的84%。

對比上述方案，最終選擇方案二，理由：①方案一的3處應力集中出現(xiàn)在同一平面上，生產(chǎn)安全隱患大。方案二則比較分散，設計較為合理，能有效防止驢頭在工作中出現(xiàn)開裂等情況，大大延長工作壽命。②方案二的驢頭質(zhì)量是原來的84%，節(jié)省材料，降低成本。③方案二截面積較小，產(chǎn)生的風阻也小，對整機的穩(wěn)定性能起到較好作用。目前方案二正在生產(chǎn)樣機，爭取投產(chǎn)并觀察效果。

三、結(jié)論

（1）常規(guī)游梁抽油機的驢頭設計沒有最佳的方案，要根據(jù)實際生產(chǎn)工況條件不斷改進和優(yōu)化。

（2）驢頭設計中應主要關注應力集中問題，即如何減輕應力集中對驢頭的影響，這也是設計上的難點。

（3）方案二所設計的驢頭，具有重量輕、成本低、應力集中小、強度大和風阻小等優(yōu)點，完全可以替代原有常規(guī)游梁抽油機的驢頭。