抽油機(jī)曲柄銷裝置失效分析及優(yōu)化對(duì)策

許 劍

（大慶油田裝備制造集團(tuán)吉林分公司，吉林松原 138000）

0 引言

游梁式抽油機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的人工舉升設(shè)備，主要傳動(dòng)裝置為曲柄銷，用于連接連桿和曲柄，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞使抽油機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。抽油機(jī)在安裝過程中會(huì)存在一定的誤差，使曲柄銷承受復(fù)雜的外力。抽油機(jī)舉升設(shè)備在運(yùn)行過程中，如果曲柄銷出現(xiàn)斷裂，會(huì)使連桿變形，游梁出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況下會(huì)使井口裝置受到嚴(yán)重破壞而引發(fā)安全事故，因此，必須保證曲柄銷處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

1 抽油機(jī)曲柄銷裝置失效原因

游梁抽油機(jī)曲柄銷裝置失效原因主要是曲柄銷和錐套產(chǎn)生過度磨損、曲柄銷出現(xiàn)脫扣或斷裂、緊固螺母產(chǎn)生松動(dòng)等。

1.1 曲柄銷與錐套嚴(yán)重磨損

曲柄銷破壞和失效都與磨損有著直接聯(lián)系。錐套與曲柄銷之間的連接需要較高的精度，制造過程中要保證曲柄銷錐體具備一定的加工精度，此外，曲柄銷硬度不均也會(huì)引起失效。測(cè)試油田采油作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)取回的曲柄銷樣品，對(duì)引起曲柄銷失效的原因進(jìn)行分析，曲柄銷硬度低更容易引起失效問題。

1.2 曲柄銷斷裂

曲柄銷斷裂多出現(xiàn)在垂直于軸線斷面的螺紋根部位置，錐面小端和中部加工倒位部位。從強(qiáng)性樁、懸臂梁和外延伸斷支梁等方面建立曲柄銷受力模型。懸臂梁計(jì)算模型主要用于對(duì)低于鋼芯曲柄體剛性方面進(jìn)行計(jì)算和分析，曲柄銷正常運(yùn)行的前提是曲柄體、曲柄銷和錐套可以實(shí)現(xiàn)很好地配合。要對(duì)彎曲靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核，從而使其達(dá)到設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。抽油機(jī)使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)曲柄銷斷裂，由于在加工制造時(shí)沒有選用科學(xué)合理的計(jì)算模型，這就要求建模時(shí)考慮彈性問題。合理的模型可以根據(jù)寬度面保證相互間實(shí)現(xiàn)良好接觸，特別是保證曲柄銷和錐套之間配合良好。錐度存在較大的差異，會(huì)使2 個(gè)錐面不斷向著圓周方式產(chǎn)生接觸，如果小端接觸線變小，曲柄銷受力就越嚴(yán)重。因此，必須要保證曲柄體、曲柄銷和錐套具備很高的加工精度，避免對(duì)曲柄銷使用壽命造成影響。

1.3 曲柄銷脫扣

在交變荷載情況下，曲柄銷會(huì)出現(xiàn)螺帽脫落，從抽油機(jī)內(nèi)完全脫出，嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生翻機(jī)事故。對(duì)曲柄銷受力特性、螺母脫扣等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，曲柄銷松脫是由于存在較大的摩擦力矩，加工質(zhì)量不高導(dǎo)致連接桿和曲柄銷軸承一起轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承會(huì)形成很大的摩擦力，形成的力矩使曲柄銷緊固螺母形成的力矩與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，造成螺母松脫。

1.4 曲柄銷鎖緊螺母松動(dòng)

抽油機(jī)曲柄銷失效原因中，鎖緊螺母松動(dòng)比較多見，主要原因：抽油機(jī)在正常運(yùn)行條件下，曲柄銷緊固螺母預(yù)緊力矩不足，主要是由于加工制造過程中，曲柄銷配合錐面與標(biāo)準(zhǔn)圓錐面之間存在誤差，兩個(gè)配合面接觸情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致曲柄銷鎖緊螺母出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，連接桿存在著周期性作用力，曲柄銷會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，錐面配合無法保證完全接觸，在該種狀態(tài)下，配合面預(yù)壓緊力會(huì)不斷變小，最終導(dǎo)致兩者的配合失效。

由于摩擦力矩的存在，曲柄銷會(huì)形成轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，引起曲柄螺母與曲柄銷共同轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄與曲柄銷螺母相互間會(huì)形成反向力矩，緊固螺母可能產(chǎn)生松動(dòng)。在更換曲柄銷時(shí)，如果沒有做好質(zhì)量控制可能會(huì)產(chǎn)生右旋曲柄銷安裝錯(cuò)位問題，曲柄和曲柄銷間形成摩擦力，曲柄銷緊固螺母松動(dòng)，引起曲柄失效，對(duì)裝置的正常使用造成影響。

2 改進(jìn)措施

2.1 曲柄銷結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)曲柄銷結(jié)構(gòu)時(shí)，需要合理提高直徑尺寸，直徑可提高到140 mm。加工曲柄銷鍵槽時(shí)，應(yīng)把錐孔套槽從原來的20 mm 變成3 mm。可以采用42CrMo 材料制作錐孔套槽以及曲柄銷，保證硬度達(dá)到286～316 HMB，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以提升硬度和剛性，曲柄銷結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.2 提高生產(chǎn)工藝控制

加工曲柄銷時(shí)，需要使錐面粗糙度達(dá)到0.8，使曲柄銷錐面與錐孔套面接觸面積達(dá)到80%以上，還應(yīng)該加工達(dá)到90%以上的圖紙匹配度，以提高曲柄銷裝置精度。應(yīng)選用正扣右旋方式的旋向，使錐度比保證在1∶10。

2.3 裝配質(zhì)量控制

應(yīng)保證曲柄銷裝配質(zhì)量，使其保證相同的曲柄旋向，銷螺紋右旋可以避免螺母產(chǎn)生松動(dòng)，曲柄銷擰緊螺母力矩≥1400 N·m，使軸承質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，減少不良配置引起的裝配質(zhì)量下降。

圖1 曲柄銷結(jié)構(gòu)

2.4 其他改進(jìn)措施

在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，需要加強(qiáng)巡檢工作，檢查曲柄銷緊固螺母是否松動(dòng)，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)停機(jī)緊固，并檢查是否存在損壞，如果損壞應(yīng)進(jìn)行換新。曲柄銷鎖緊主要采用3 個(gè)方式。

（1）雙螺母鎖緊。采有對(duì)頂?shù)姆绞綌Q緊雙螺母，讓螺栓在旋合區(qū)段里受到拉力，從而對(duì)螺母施加壓力，保證實(shí)現(xiàn)緊固的螺紋聯(lián)接，使螺母實(shí)現(xiàn)縱向壓緊。在對(duì)首個(gè)螺母進(jìn)行緊固時(shí)，只需要達(dá)到設(shè)計(jì)力矩的80%，對(duì)第二個(gè)螺母進(jìn)行緊固，使其達(dá)到緊固力矩。首個(gè)螺母螺紋只受到對(duì)頂壓力，該種鎖緊方式可以實(shí)現(xiàn)很好的自鎖，但螺母規(guī)格型號(hào)都比較大，安裝起來存在著較大的難度，緊固力矩不好掌握，放松時(shí)效果并不理想。此外，曲柄銷會(huì)承受較大的載荷，曲柄在做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，曲柄銷和錐套處于圓錐面接觸狀態(tài)，依賴螺母實(shí)現(xiàn)鎖緊，如果螺母松動(dòng)會(huì)引起錐套和曲柄銷圓周運(yùn)動(dòng)，引起曲柄銷斷脫。需要根據(jù)實(shí)際情況慎重選擇。

（2）曲柄銷帶孔、開槽螺母配開口銷鎖緊。利用開槽螺母將曲柄銷安裝到指定位置，然后安裝開口銷。該鎖緊辦法可用在振動(dòng)和交變荷載情況下實(shí)現(xiàn)可靠的鎖緊效果，開槽螺母產(chǎn)生松動(dòng)后不會(huì)產(chǎn)生曲柄銷脫落。該鎖緊方式需要在曲柄銷螺紋中鉆孔，加工過程中會(huì)施加應(yīng)力從而對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，使用過程中會(huì)存在安全隱患。

（3）4 爪鎖緊螺母和擋板壓緊。采用4 爪螺母鎖緊方式安裝曲柄銷時(shí)，需要采用3 個(gè)緊固螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)擋板的緊固，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)4 爪螺母的限位。如果4 爪螺母產(chǎn)生松動(dòng)，因?yàn)閾醢逑尬坏拇嬖诙粫?huì)脫落。在曲柄銷端部緊固好螺栓孔，可以避免對(duì)曲柄銷強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。該鎖緊方式比較簡(jiǎn)便，方便安裝，可以起到很好的鎖緊效果，用于對(duì)曲柄銷的鎖緊，可以提高曲柄銷的防松性能，防止對(duì)曲柄銷結(jié)構(gòu)造成破壞。

3 結(jié)束語

綜上所述，游梁抽油機(jī)曲柄銷失效原因較多，需要根據(jù)失效機(jī)理進(jìn)行分析，確定解決措施。可以從曲柄銷和錐套磨損、鎖緊螺母松動(dòng)、曲柄銷脫扣和斷裂等方面進(jìn)行分析，從曲柄銷生產(chǎn)工藝、裝配控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度提出解決措施。