抽油機連桿結構疲勞強度分析及優化改進

趙偉軍，萬 凱，史建兵

（中國石油吐哈油田公司，新疆吐魯番 838202）

0 引言

石油資源在我國整個能源結構體系中占有非常重要的位置，為國民經濟發展做出了非常重要的貢獻。抽油機是石油開采中必不可少的機械設備，在所有形制的抽油機中，游梁式抽油機以其顯著優勢在實踐中得到了比較廣泛的應用。抽油機包含很多結構部件，任何一個結構部件出現故障都會影響抽油機的正常穩定運行。連桿結構是游梁式抽油機的重要結構件，由于抽油機的工作環境惡劣，且連桿結構工作時需要承受交變載荷，在工程實踐中容易出現微裂紋甚至疲勞斷裂，對抽油機的正常穩定運行構成嚴重威脅。利用先進的疲勞分析技術分析游梁式抽油機連桿結構的疲勞強度，在此基礎上對連桿結構進行優化改進，以提升連桿結構的疲勞性能。

1 游梁式抽油機主要結構

在我國石油開采實踐中，使用較多的游梁式抽油機是C-456D-305-144型。該型號抽油機重要的機械結構主要有驢頭、游梁總成、橫梁總成和連桿結構等，不同機械結構之間的相互配合，實現抽油機的各項功能。抽油機正常工作時，動力驅動系統輸出的動力需要經過減速裝置，進而驅動曲柄軸做低速旋轉運動，再通過連桿結構將低速旋轉運動轉換成為驢頭的上下往復運動，最后帶動抽油泵做周期性的往復運動，實現抽油的目的。

2 建立游梁式抽油機有限元模型

2.1 建立三維模型

通過SOLIDWORKS 軟件建立游梁式抽油機的三維模型，考慮到抽油機的實際結構非常復雜，為了在確保計算結果的前提下提升計算速度，建立模型時將一些對計算過程和結果基本沒有影響的結構進行忽略處理，重點對連桿結構進行建模分析。圖1 為利用SOLIDWORKS 軟件建立的游梁式抽油機三維模型。為了確保計算結果的準確性，模型建立過程中，所有參數按照C-456D-305-144型抽油機實際尺寸。模型建立后導出為STP 格式，以便進一步導入ANSYS 軟件中建模。

圖1 游梁式抽油機三維模型

2.2 建立有限元模型

2.2.1 材料屬性設置

將建立好的三維模型導入ANSYS 軟件進行進一步建模。首先需要對抽油機各結構件材料屬性進行設置，不同結構件材料類型存在差異，本研究主要的研究對象是連桿結構，以下主要對連桿結構材料屬性進行說明。結合游梁式抽油機的實際情況，連桿結構的生產制作材料主要為ZG230-450。該材料的彈性模量和泊松比分別為172 GPa 和0.3，屈服強度和抗拉強度分別為230 MPa 和450 MPa，密度為7.823 g/cm3。將上述材料屬性輸入ANSYS 軟件中進行計算。

2.2.2 網格的劃分

網格劃分是有限元模型非常關鍵的環節，網格類型和網格單元大小會對計算過程和結果產生重要影響。ANSYS 軟件中內置很多種類型的網格單元，本模型中選用六面體單元進行網格劃分，最終劃分得到的網格單元數量和單元節點數量分別為16 786 和18 324。

2.2.3 設置加載條件

利用專用傳感器測量游梁式抽油機連桿結構運行時X、Y、Z 方向上的載荷，結果如圖2 所示。由圖2 可知，連桿結構在3個方向上均承受循環載荷，因此有必要對連桿結構的疲勞行為進行深入分析與研究。連桿結構承受的最大載荷在Y 方向上，大小為9.352×104N。為簡化計算和分析過程，主要研究連桿結構在1×106次循環加載條件下的疲勞壽命情況。

圖2 連桿結構循環加載載荷情況

3 連桿結構疲勞強度結果分析

建立游梁式抽油機有限元模型后，在ANSYS 軟件中調用計算分析模塊對模型進行計算，計算完成后對結果提取分析。圖3、圖4 為游梁式抽油機連桿結構疲勞安全系數和疲勞壽命分布云圖。疲勞安全系數分布云圖指的是在給定的循環次數下，連桿結構不同部位的安全程度。安全系數超過1，則認為該部位相對安全，安全系數小于1，則認為該部位存在疲勞斷裂的危險。從圖3 可以看出，連桿結構的疲勞安全系數絕大部分位置均大于1，但仍有少數區域安全系數小于1，主要集中在連桿套筒部位，最小安全系數值為0.586 68。疲勞壽命分布云圖指的是連桿結構能夠承受的最大循環次數。由于本研究中將循環次數設置為1×106次，因此所得結果中疲勞壽命最大值為1×106次。疲勞壽命最小值為14 467 次，意味著該部位在經歷14 467 次循環加載后會發生裂紋甚至斷裂，該位置同樣處于連桿套筒部位。

圖3 連桿結構疲勞安全系數分布云圖

圖4 連桿結構疲勞壽命分布云圖

基于以上分析可知，連桿結構在經歷循環加載時，連桿套筒部位的疲勞性能最差，最容易出現疲勞裂紋。因此有必要對連桿結構中的連桿套筒進行結構優化改進，以提升該部位的疲勞性能，從而提升連桿結構的性能，為游梁式抽油機的安全穩定運行奠定堅實的基礎。

4 連桿結構的優化改進研究

深入分析游梁式抽油機工作過程，認為連桿結構中的連桿套筒部位容易出現疲勞損傷的原因，主要是抽油機工作時較大的慣性力對裝置的正常運行造成很大沖擊。因此需要采取措施降低慣性力的大小，以降低沖擊力。慣性力主要與零部件的質量有關，所以需要對連桿結構進行輕量化設計。考慮到連桿套筒的疲勞性能最差，以連桿套筒的長度、凸緣厚度、內徑為優化目標，結合實際情況將上述3 個參數的取值范圍分別設置在230～270 mm、18～22 mm、58.5～70.5 mm 范圍內進行計算；以連桿結構的最大變形量和最大應力為約束條件，分別控制在0.02 mm 和200 MPa 以內，確保連桿結構滿足靜力學受力要求；以連桿結構最小疲勞壽命為優化目標，要求最小疲勞壽命超過1×106次。整個優化計算過程在ANSYS 軟件中進行，優化過程主要是改變3 個變量不斷地進行迭代計算，并對計算結果進行比較。

在ANSYS 軟件中經過多次循環迭代計算后，最終確定最優連桿套筒長度、凸緣厚度、內徑分別為231.07 mm、20.176 mm、55.168 mm。對應的連桿結構最大位移量和最大應力值分別為0.018 9 mm 和58.696 MPa，最小疲勞壽命為1×106次，圖5為連桿套筒優化前后的疲勞壽命分布云圖。可以看出，不管是位移量還是應力值，均控制在相對較小的水平，且疲勞壽命也達到了相關要求。以上性能參數能夠滿足連桿結構的實際使用需要。

圖5 連桿套筒優化前后疲勞壽命分布云圖

優化改進前連桿套筒長度、凸緣厚度、內徑分別為255 mm、20 mm、64.5 mm，對應的連桿結構質量為17.271 kg，優化改進后連桿結構質量降至13.426 kg。連桿結構重量降低，意味著其慣性力降低，對整個結構造成的沖擊有所減緩，因此整個連桿結構的疲勞壽命有了顯著提升。

5 結語

連桿結構是游梁式抽油機的重要構成部分，但該結構在工作時需要承受顯著的循環載荷，容易產生疲勞損傷，進而影響抽油機的正常穩定運行。利用SOLIDWORKS 和ANSYS 軟件建立抽油機有限元模型，分析連桿結構的疲勞性能，發現連桿套筒部位最容易出現疲勞損傷。基于此，利用ANSYS 軟件對連桿套筒結構進行優化改進，改進后的連桿結構質量明顯降低，在滿足靜力學要求的情況下，其疲勞壽命有了顯著提升。