淺析雙驢頭抽油機驢頭強度校核

摘 要：雙驢頭抽油機在現場使用時，經常出現驢頭開裂現象，針對這一問題，對驢頭和游梁進行三維建模，用有限元分析軟件對驢頭進行分析，確定驢頭強度。

關鍵詞：雙驢頭抽油機；驢頭；游梁；三維建模；有限元；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.080

雙驢頭抽油機有別于游梁式抽油機，它是在常規游梁式抽油機的結構上進行設計的，雙驢頭抽油機是在游梁后臂加裝后驢頭，用吊繩替代連桿連接。這種設計改變了游梁與連桿之間的連接方式，改變了傳力特性，改善了抽油機的性能。它除了具有結構簡單，適用性強，運行可靠，工作壽命長，維護方便等常規游梁式機的優點，同時還具有附加動載荷小，有較好的節能效果等優點，是一種應用于油田的節能型地面采油設備。

雙驢頭抽油機在現場使用過程中出現了一些問題，針對出現的問題，我們在現場實地考察，將常出現的問題進行歸類，驢頭游梁在使用中多次出現開裂的情況，針對這種情況，我們選擇常用的抽油機型號進行研究。在研究中對抽油機出現故障的部件做三維建模，進行有限元分析和疲勞壽命計算，依據理論分析和計算結果，并根據現場使用情況提出改進措施。

1 模型

1.1 建立三維模型

依據圖紙建三維模型。游梁主體是方箱形結構，由鋼板焊接而成，在游梁中間焊接支有支架，與支架上的軸承座相連。前驢頭和后驢頭均為鋼板焊接而成。前驢頭在驢頭兩側有調節螺栓，用來調節驢頭左右對稱情況。后驢頭在側板上有連接孔，用銷軸來連接游梁，銷軸用壓板固定。

用CATIA軟件建立雙驢頭抽油機前、后驢頭和游梁的三維模型。材料使用鋼材Q235-B，鋼材的彈性模量值取210×106Pa，泊松比值取0.3。

1.2 確定邊界條件

依據前、后驢頭和游梁的結構確定邊界條件，前驢頭與游梁是固定約束，使用軟件的固結聯接，后驢頭與游梁是接觸約束，使用軟件的接觸聯結。游梁與固定支架連接的軸是故支約束。在理想狀態下，前、后驢頭和游梁受三個載荷：前、后驢頭吊繩拉力和部件的自重載荷。

根據示功圖，前驢頭在最大及最小工作載荷時受力情況見下表。

對最大載荷和最小載荷位置分別進行有限元計算。

1.3 有限元網格

有限元網格采用四面體單元，采用catia軟件內的有限元分析功能，自動劃分有限元網格。由于自動劃分的網格在處理固結聯接時，可能不匹配，在計算過程中，對不匹配的零件進行了手動單元劃分。模型網格及所受載荷條件如圖1所示。

2 對部件進行應力分析

2.1 最大載荷時的應力分布

根據示功圖，前驢頭在最大工作載荷為64kN時，曲柄轉角為25?，連桿長3121mm，后臂長2299mm。

圖2為最大載荷時的應力分布圖，前、后驢頭上的應力最大值區域位于驢頭與游梁的連接處。游梁上在游梁與支架的連接位置處應力最大值。除局部應力稍大外，模型大部分區域的應力值都不高，低于50MPa。

從部件承受最大載荷時的應力分析中可以得知，承受最大載荷時，應力集中現象產生在驢頭與游梁連接處，應力值為168MPa，這部分結構需要加強。

2.2 最小載荷工況時的應力分布

根據示功圖，在懸點最小工作載荷為11.2KN時，曲柄轉角為220?，連桿長為5899mm，后臂長為1601mm。

對驢頭和游梁組合的部件進行應力分析時，在最小載荷時部件的應力分布圖上可以看到，部件最大應力為96MPa。從分析得到的總體應力圖上看，應力值最大的部位在前驢頭與游梁的連接處。游梁上應力最大值區域在游梁與支架連接處。部件大部分區域的應力值較低，小于20MP。

從上述結構及各部件的應力分布圖中可以看出，結構的最大應力均出現在驢頭與游梁的連接部位，這也是受力較大的部位，有局部的應力集中，這應該是連接部位容易出現故障的主要原因。

3 疲勞壽命計算

此次選用的雙驢頭抽油機的沖次為4、6、8次/分，在計算時按最大沖次8次/分計算，那么一年的沖次為8×60×24×365=4204800次（一年按365天計算）。驢頭和游梁的材料選用Q235-B，抗拉強度Su=375MPa.

疲勞壽命計算公式為N=10（1.3-s/375） ×7.5

通過計算得到部件疲勞壽命如下表：

4 結論

上述應力分析和計算都是在理想狀態下得到的。實際工作中會有多種情況出現。根據計算及現場出現的問題得到如下結論及改進措施：

（1）后驢頭在模型應力分析中最大應力值為91MPa，位于游梁與后驢頭的聯接處，在此處有局部應力集中現象。在使用過程中，游梁與后驢頭連接處出現過開裂現象，此處開裂現象很可能是應力集中引起的。因此在設計中提高這個連接部位的整體強度，減輕應力集中現象。

（2）在后驢頭與游梁結構中，聯接處應力值較高，其它地方應力值不高。在后驢頭和游梁結構中聯接處應力值較大是此處產生開裂的主要原因，在設計時要對聯結處提高強度。

（3）在其他焊接部位，也有應力集中現象。但應力值不大，應力集中度不高。通過計算得出的零件疲勞壽命也較高。這些焊接部位在使用時產生的開裂故障，不是由疲勞造成的開裂，很可能是焊接質量不高產生的問題。

（4）改進措施：驢頭和游梁連接部位在設計時增加強度，補焊加強板；提高焊接部位的焊接質量，質量監督部門應將焊縫檢驗標準提高；在安裝時注意對中，安裝不對中會使驢頭所受載荷發生改變，從而引起驢頭開裂。

改進后，驢頭的使用壽命顯著提高。

作者簡介：楊曉蘭（1972-），女，江蘇東臺人，碩士，高級工程師，教師，研究方向：油田設備維護。