淺談抽油機曲柄銷子斷裂原因及防治措施

趙明明

（大慶油田第一采油廠機采設備維修大隊，黑龍江 大慶 163000）

曲柄銷是抽油機采油設備的關鍵零部件，主要是由曲柄銷、錐套和緊固元件等構成。銷體一側應用螺紋緊固的辦法來與曲柄體實現連接，另一側采用滾動軸承實現與連桿機構的連接，中間部位應用圓錐面構件和曲柄錐套進行緊固連接，錐套元件再與柄體實現有效的連接。曲柄銷采用螺紋連接的方式主要為銷體和錐套之間的過盈配合形成足夠的過盈力，并保證該種狀態處于穩定狀態。把曲柄的圓圍運轉變成游梁的上下往復運動，實現了動力的傳送作用。但是，曲柄銷部件非常脆弱，而抽油機裝置工作環境十分惡劣，一般情況下只有幾年的壽命，曲柄銷斷裂問題比較突出，會使抽油機裝置無法正常運轉，連刊過載或拉斷、抽油機裝置側翻，會給油田企業造成較大的經濟損失，需要對曲柄銷子斷裂問題進行深入的分析，并制定出有效地防治措施。

1 抽油機曲柄銷斷裂位置分析

圖1 抽油機曲柄銷

如圖1所示，1、2位置是抽油機曲柄銷容易斷裂的部位，為了更好地對曲柄銷疲勞壽命進行估測，需要對曲柄銷做好受力分析來對載荷狀態進行深入了解。曲柄銷主要會受到如下幾種力：（1）連桿施加的拉力。（2）曲柄銷與柄錐套形成的過盈接連力。（3）連接螺紋施加的預緊力。（4）每個零件間的作用力，使每個零部位形成滑移趨勢，或由產生滑動而形成的摩阻。（5）連桿和曲柄銷之間軸承在運轉過程中對曲柄銷施加的摩阻。因為曲柄銷和承軸相互間的摩阻非常小，受力分析可以忽略。

一般情況下，連桿拉力以及連接螺紋施加的預緊力共同作用之下，曲柄銷以及軸套部位會發生一定程度的形變，連桿施加的拉力會傳遞給銷錐面最小的一側，在交變載荷影響之下，銷錐較小的一側、螺紋根部最容易由于疲勞而產生斷裂問題。某采油廠對在2018年更換了三口抽油機的曲柄銷子，經過檢查發現是在圖1中的2位置形成了裂紋。引起該現象的原因主要是在加工過程中，退刀槽位置直徑變細，截面形狀會形成突變，在該部位中的應力比較集中，同時，該部位是剪切應力主要的施加作用點，極易產生斷裂問題。

2 曲柄銷受力分析

三相異步電機高速旋轉的動能輸送到減裝箱，經過減速處理之后通過輸出軸拖動曲柄實現較低轉速的運行，曲柄裝置通過銷子把力矩施加給連桿機構，通過抽油機橫梁帶動游梁后臂完成擺動，在游梁前部裝有驢頭構件，活塞上側的液柱和抽油桿等負載，都經過懸繩器施加在驢頭上面，當驢頭和游梁共同實現上下擺動時，使活塞完成上下往復運動，把油液從油井中抽取出來。

從上述的抽油機工作原理中可以看出，曲柄銷子承受應力的方向和大小呈現出周期性變大，受到外部交變載荷施加的影響，曲柄銷子部位形成的斷裂主要是因為金屬疲勞而出現斷裂問題，所有導致疲勞源產生的因素都會引起曲柄銷子斷裂。比如，曲柄銷子退刀槽加工過程中存在缺陷，或者表面創傷等，都會引起疲勞源的產生，極易導致曲柄銷斷裂。在抽油機游梁變換方向時，曲柄銷子會承受最大的沖擊載荷，因此，驢頭部位承受的載荷會對曲柄銷子受到的應力形成較大的影響。

3 曲柄銷子斷裂的因素分析

從上面進行的受力分析中可以發現，引起抽油機曲柄銷子斷裂的因素主要有。

（1）抽油機承受的負截太大。

（2）抽油機處于不平衡狀態，存在著沖擊負載。

（3）剪刀差沒有在允許區間內。

（4）連桿機構的下部以及軸承面不平整。

（5）連桿機構的長度不合理。

（6）曲柄銷子母材內部有缺陷。

（7）裝配工序不合理，容易對曲柄銷子造成傷害。

（8）曲柄銷子退刀槽部位直徑尺寸過小，沒有達到應有的強度。

4 抽油機曲柄銷子斷裂的防范措施

（1）針對生產負載較大的油井，由于具備的靜載荷已經確定，抽油泵的深度、液面高度等影響因素較為穩定，很難對其產生較大的改變。但是動載荷方面，比如摩擦載荷、慣性載荷等，可以通過人為手段進行調整。例如，對于沖次大的生產油井，可以合理地減小沖次，使懸點部位的速度以及加速度都變低，從而可以減小抽油機承受的慣性、震動載荷，曲柄銷子部件中的上、下死點會承受較小的沖擊載荷，可以有效地提升曲柄銷子的使用年限。

對于稠油生產井或者井口偏磨的油井，可以采用摻水降粘的手段，在井口裝置中添加對中設施，可以有效地減小摩擦載荷，懸點部位的最大載荷會隨之降低，最小載荷會隨之提升，曲柄銷子會承受均勻的外力，有助于提高曲柄銷子應用年限。如果油井靜載荷太高，必須匹配合理的抽機油型號，讓曲柄銷子具備更大的強度來滿足更大載荷要求，避免曲柄銷子出現斷裂問題。

（2）對于抽油機處于不平衡狀態的油井，需要使其恢復到平衡狀態，如果平衡塊數量不足，應該及時加裝平衡塊。如果平衡塊數量達到4個，但還沒有處于平衡狀態，需要更換抽油機型號。如果抽油機較長時間的工作在高負載情況下，曲柄銷子強度達不到使用要求，則容易出現斷裂現象。在上下往復運動過程中，載荷呈現出非均勻性特點，懸點速度、加速度產生的變化又使不均勻性現象更加惡化，會直接對抽油機運行效率以及使用年限產生不利的影響，抽油機運行過程中會形成較大的震動，曲柄銷子使用壽命會顯著降低，所以，必須要處理好抽油機運行不平衡的現象。

（3）針對剪刀差較大的抽油機，需要返回生廠家修理，對鍵槽進行重開，調節兩個曲柄讓其處于相同平面內。但是如剪刀差問題存在，兩個曲柄則無法保持在相同平面，在抽油機運行過程中，曲柄銷承受的力存在差異，會使剪切應力不斷變大，曲柄銷子則產生斷裂現象。

（4）如果抽油機連桿扣環以及軸承平面存在不正現象，需要及時采用墊子進行調節，保證連桿扣環以及軸承合面處于穩合狀態。

（5）如果曲柄銷子母材出廠時存在質量問題，在對曲柄銷子部件進行安裝以前，需要對曲柄銷子進行系統、全面的探傷，如果存在質量缺陷，不可以用于加工生產。避免存在缺陷的位置承受過于集中的應力，從而形成疲勞源，最終引起曲柄銷出現斷裂，從而導致更大的經濟損失。某采油廠曾出現過曲柄銷子斷裂而導致的翻機安全事故，導致斷裂問題的根本原因在于曲柄銷子母材存在質量缺陷，在該部位出現了應力過于集中的問題，引起了曲柄銷子斷裂事故。

（6）在對曲柄銷子部件進行安裝過程中，當采用緊冕型螺母進行緊固時，如果施加的力臂太長就會引起施加作用力過大，曲柄銷子就會由于應力過于集中而產生損傷。所以，在對曲柄銷子進行緊固時，需要施加合理的外力，避免對其造成傷害。

（7）為了更好地滿足抽油機現場使用需求，曲柄銷子加工材質需要具備較高的強度和較好韌性，可以承受起更大的載荷，避免由于剪切力的存在而產生曲柄銷斷裂問題。可以采用35CrMo或者40Cr材料，再對其進行熱處理之后可獲得較理想的機械性能。同時，由于曲柄銷承受載荷較大，需要根據受力特性進行合理地設計，軸肩部位不需要進行清根，退刀槽應該采用圓弧方法進行過渡處理。另外部位的螺紋空刀槽同樣應用圓弧結構方式。兩個部位應用圓弧結構方式可以避免曲柄銷子在運行時承受應力而產生斷裂，圓弧結構也不可以過小，要不然同樣會存在應力集中的問題，會使曲柄銷子形成裂紋，在該部位產生斷裂現象，容易引起安全事故。

（8）曲柄銷子應用的時間太長，銷子在銷孔內部會存在磨損，軸徑就會逐漸變小，銷子和銷孔間隙就會變大，無法實現很好地配合，銷子就會在抽油機運轉過程中產生構動，在交變載荷施加的作用力下，銷子強度會不斷變小，在應力集中的部位就會產生斷裂。某采油廠現換了三臺抽油機的曲柄銷子，經過檢查發現銷子存在著較為嚴重的磨損問題，直徑變細。在退刀槽部位產生了裂紋，如果沒有及時更換，可以會引起翻機安全事故，會給企業帶來很大的經濟損失。所以，需要加強對抽油機運行狀態的檢查，如果問題需要及時更換零部件。

5 結語

綜上所述，除了采取技術措施來對曲柄銷子斷裂問題進行防范，還需要提高工作人員的主觀能動性，加強對抽油機的巡查和管理，并定期對抽油機進行維護和保養，在曲柄銷子還沒有斷裂時進行及時地更換，對存在的安全隱患進行處理，避免產生更大的經濟損失。還需要對曲柄銷子結構進行優化設計，對生產過程進行質量監督，可以更好地保證產品質量。還需要制定出科學合理的安裝程序，避免安裝過程中對曲柄銷子造成損壞。