皮帶抽油機機架機械性能分析

鄭美茹

摘要：結合抽油機的工作原理，通過對皮帶抽油機的運動規律和懸點載荷等動力學參數進行了分析計算，為后續的皮帶抽油機的運動規律分析和懸點載荷的動力學仿真及其結構優化設計提供了理論依據。闡述結構模態分析的理論基礎，對抽油機的機架進行性能分析，對其機械結構進行研究，分析機架的結構參數變化及工況變化對模態的影響。

關鍵詞：模態分析;機械性能;抽油機;機架

0 ?引言

對皮帶抽油機的整機進行動力學分析，依據等效原則，對機架進行簡化。皮帶抽油機懸點載荷可以分為兩個部分：外部載荷和內部載荷[1]。外部載荷主要是包括選點載荷、風載荷等;內部載荷主要包括抽油機自身構件之間的一些連接關系，如面接觸、約束位置處的摩擦載荷等。通常利用動力示功圖的方法來表示懸點載荷和懸點位移之間的變化規律。

1 ?皮帶抽油機的分析

對皮帶抽油機進行動態分析，對皮帶抽油機模型仿真模擬。研究該模型的運動狀態，運動期間的沖擊載荷，得到運動受力的具體情況。主要研究皮帶抽油機在工作狀態下某個時刻的運動規律，考慮到皮帶抽油機做周期性的往復運動，設置仿真的時間為2個周期。由皮帶抽油機的運動規律可知：皮帶抽油機系統是一個把旋轉運動轉化為皮帶的直線運動的機械系統，但是由于系統位于上下死點時速度發生劇烈的變化，此時加速度會產生瞬時的極大值，對系統產生一定的沖擊[2]。

最大載荷時機架的各個構件的受力如表1所示：機架的受力分析情況來看，在抽油機機架子的頂部出現應力偏大情況，如果把應力均勻分散到水平和垂直方向，則垂直方向的載荷相對于水平方向來說較大。吊繩方向的應力比機架的應力變化幅度大，這樣會導致皮帶抽油機和頂部載荷由于彎矩作用，致使整個受力狀態不平衡，具體應力參數如表1所示。

2 ?皮帶抽油機主要承載構件

皮帶抽油機立柱上端連接傳動平臺，傳動平臺上面有軸承座，軸承座與滾筒相連，用來承受懸點載荷;下端與底座相連，構成整個系統的整體，并傳遞驅動力。立柱是皮帶抽油機系統中主要的承載構件，承載整個設備的重量，因此立柱是皮帶抽油機最大應力出現的構件，主要承受彎曲應力的作用[3]。

2.1 皮帶抽油機機架的模態分析

在實際的機械結構中，由動載荷的作用引起的振動是不可避免的，為保證整體結構具有的良好動態特性，對其進行系統的動態分析是有必要的。模態分析是結構動態分析當中核心，它是把復雜系統變換為單一的自由度系統，為結構系統的特性分析提供依據。

2.2 皮帶抽油機的模態分析

在結構模態分析過程中，為得到準確的模態計算結果，必須將模型的部件結構的質量分布位置準確的標記在結構模型當中。在許多有限元結構模型中，如果標記結構的所有部分，模型變得十分復雜，給計算帶來不必要的麻煩[4]。在分析過程中，通常采用近似的方法來標記模型的質量分布位置。本課題為盡可能的使模型簡化，采用集中質量法計算皮帶抽油機的模態振型。主要研究機架結構的整體特性，將傳動部件作為集中質量處理，忽略傳動部件的模態影響。

2.3 模態求解

ANSYS軟件提供7種模態提取方法，本文利用ANSYS軟件中的 Lanczos法進行求解計算，提取機架的前九階固有頻率及振型，具體如下所示，如表2所示[5]。

2.4 結果分析

一階振型（f=14.644Hz）為機架整體繞X軸彎曲扭動，機架主要承受彎矩的作用，底部應力最大，該振型將使機架的扭矩增大。二階振型（f=20.594Hz）為機架整體繞X軸的彎曲擺動和繞Y軸的扭動，該振型將會增大機架立柱的彎矩和切應力。三階振型（f=33.493Hz）為整體繞Y軸的左右扭動，對角線最長位置處的扭轉剛度最小，該振型使得機架的拐角的彎曲應力及機架和傳動平臺連接處的應力增大，且整體的剛度降低。四階振型（f=50.038Hz）為機架整體在YOZ平面內的彎曲擺動，該擺動將加拉桿的彎曲應力及橫梁、斜支撐和主支撐連接處的應力。五階振型（f=58.025Hz）為機架繞X軸的擺動和繞Z軸的扭動，這一振型將會使機架與拉桿連接處及機架拐角的應力增大。六階振型（f=58.259Hz）為拉桿在連接平面內的彎曲扭動，該振型將會使得機架與拉桿連接處的應力增大。七階振型（f=58.593Hz）為機架在YOZ平面內的彎曲擺動及拉桿在連接平面內的彎曲扭動，且在機架立柱前的后面內的所受的彎曲方向相反。該振型使立柱的彎矩、機架與傳動平臺連接處的應力與扭矩變大。八階振型（f=62.326Hz）為機架繞X軸的擺動及連桿在連接平面內的扭動，該振型使得機架頂部應力及扭矩、拉桿連接處的應力增加。九階振型（f=70.250Hz）為機架在YOZ平面內的左右扭轉擺動及上下的擺動，該振型將會增大機架立柱底部的的扭轉力矩，并加大機架與傳動平臺連接處的連接應力[6]。

3 ?結論

應用有限元法對皮帶抽油機機架進行模態分析，分析表明：皮帶抽油機機架的各個階次模態固有頻率偏低，并且各個階次的模態對機架的整體穩定性有影響，且機架的固有頻率與許多的因素有關：有預應力的機架比無預應力的機架的模態頻率略小，預應力對皮帶抽油機整體特性影響不大，在考慮預應力對機架的特性影響時，可以忽略預應力對機架固有特性的影響;在滿足機架結構強度及整體穩定性的前提下，保證采油系統各運動部件有足夠的運動空間，可以減少機架的寬度以提高各階頻率，并減小其振幅;隨著機架各構件的截面型號的增大，機架的固有頻率值逐漸增大，但同時增加了機架的質量。

參考文獻：

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