游梁式抽油機曲柄銷結構與工藝改進研究

王曉方

(沈陽工學院，遼寧撫順 113122)

游梁式抽油機是開采原油的主要設備，抽油機性能的可靠性不但影響采油量和采油成本，而且對井口裝置和人的生命安全意義重大。根據對現場事故調查統計得知，曲柄銷過早損壞占抽油機故障總數的30%以上。

采用常規的分析方法，即從強度、疲勞破壞等常用的力學方法來分析曲柄銷損壞的原因，并將這些研究成果應用于生產實際后，人們發現并沒有從根本上解決問題。利用微動磨損理論，對曲柄銷的工作狀態和損壞特征進行分析，提出了對曲柄銷結構和加工工藝進行改進的新方法。

1 曲柄銷損壞機制分析

在采油現場，實際的曲柄銷斷裂面通常發生在曲柄銷的錐面上。利用微動磨損理論，分析曲柄銷的工作狀態和損壞特征如下:

(1)在曲柄轉動過程中，連桿對曲柄的拉力大小和方向都是變化的，曲柄銷所處的工作環境，存在引起微動的振動源或交變運動。

(2)觀察損壞的曲柄銷與錐套配合面磨損照片(圖1)可見:其表面存在明顯的壓痕接觸區，即存在微動破壞的表面形貌。

圖1 曲柄銷和錐套配合面磨損照片

(3)觀察錐套上的磨屑，發現其顏色為紅棕色，這是判定微動磨損的最好依據。

(4)觀察錐套磨損面裂紋照片(圖2)可見，錐套上的主裂紋方向和曲柄銷軸線方向(水平方向)一致，即生成垂直于滑動方向的疲勞裂紋，這是微動磨損的突出特點。

圖2 錐套磨損面裂紋照片

由此可見，曲柄銷和錐套之間確實存在微動磨損，這種微動磨損一旦形成疲勞裂紋，在交變應力的作用下裂紋逐漸擴展，達到一定程度時就必然發生曲柄銷斷裂事故。這才是曲柄銷損壞的根本原因。

2 曲柄銷結構及參數的合理選擇

在曲柄銷的結構參數中，有些參數是根據曲柄銷所傳動的功率和扭矩，通過強度和剛度計算，并結合結構需要來確定的，如曲柄銷各部分直徑、各部分長度、螺紋螺距等，這些參數通過力學計算可以很方便得出結果。

現討論上述參數以外其他參數的確定問題。它們雖然是細小部分參數，但對微動影響較大，極易造成曲柄銷斷裂。

2.1 合理確定錐面上空刀槽的位置和尺寸

圖3 曲柄銷結構示意圖

由于曲柄銷錐面較長，為了提高曲柄銷錐面與錐套的接觸性能，通常在曲柄銷錐面上加工出空刀槽，如圖3中間段錐面凹入部分所示。

由于曲柄銷錐面與錐套是一個微動幅，為使接觸面間不產生滑動，就必須滿足條件:

p·μ＞τ式中:p為表面間的正壓力;μ為摩擦因數;τ為表面間的剪應力。

該式為曲柄銷空刀槽尺寸設計提供了理論依據。通過該式還可看出，空刀槽還具有提高接觸壓力、增加抗微動的能力。

空刀槽的位置應設置在錐面全長的中間，空刀槽的寬度為錐面全長的1/3左右，空刀槽的深度一般為5 mm。

2.2 改變空刀槽與錐面間的過渡結構

以往曲柄銷空刀槽與錐面之間均采用倒角過渡。由于微動的存在，造成該過渡處應力集中大大增加。為了解決這一問題，采用圓弧代替倒角的過渡結構，如圖3中間段錐面凹入部分兩側圓角所示。

2.3 錐面錐度的合理選擇

根據曲柄銷的工作特點，參照其使用、安裝要求，通常選擇曲柄銷錐面錐度為1∶8、1∶10、1∶12等。通過分析不同錐度時錐面上最大工作壓力的特點，最后確認最佳錐度為1∶8。

2.4 螺紋退刀槽過渡圓角半徑的合理選擇

由于螺紋退刀槽處直徑最小，是曲柄銷最薄弱的環節，該處過渡圓角過大將造成直徑減少和曲柄銷長度增加;過小將產生嚴重的應力集中。綜合上述觀點并考慮曲柄銷的尺寸大小，一般選擇圓角半徑為5 mm。

3 曲柄銷加工工藝的改進

在加工曲柄銷時，除應滿足一般零件對尺寸、公差、表面粗糙度、形位公差等要求外，還應特別重視如下要求:

3.1 材料和硬度要求

由于微動磨損既是機械作用，又是化學作用，曲柄銷表面性能對微動影響尤為突出，為此，曲柄銷材料一般選40Cr，調質處理，硬度為HB250～280，且要求同一零件上不同點的硬度差小于5 HB。同時，要對零件整體進行無損探傷檢驗，確保材料內部無缺陷。

3.2 嚴把錐面磨削關

曲柄銷錐面磨削加工時，砂輪硬度、進給量要合適，冷卻要充分，砂輪不能太鈍，否則將產生過大的表面應力。1∶8錐體上要求涂色檢驗，其接觸斑點在圓周和長度方向應均勻分布，且接觸面積不小于80%。

3.3 螺紋退刀槽過渡圓角加工與檢驗

螺紋退刀槽過渡圓角最終采用滾壓加工，用樣板檢驗。

4 結論

由于采用常規的分析方法對曲柄銷損壞機制進行分析和結構工藝改進，不能解決曲柄銷過早損壞問題。利用微動磨損的基本理論，通過對曲柄銷的工作狀態和損壞特征進行分析，得出了曲柄銷過早損壞和微動有關。根據這一結論，提出了在結構和加工工藝等方面改進曲柄銷的方法。

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