新型游梁式抽油機尼龍套連桿銷設計

鄧 陽，蘭 真，方艷輝，洪 濤，姚高祥，邊洪偉

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在石油開采技術領域，機械舉升原油主要采用游梁式抽油機。其作用是通過減速箱、曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭等機構將動力機的旋轉運動變為抽油桿的上下往復運動，連桿的下端與曲柄連接，上端與橫梁連接，目前大部分抽油機連桿上接頭通過連桿銷與橫梁連接。游梁式抽油機在上沖程時連桿受拉力，在下沖程時連桿受壓力，連桿銷在一個完整沖程中受向下和向上的交變載荷，這種工況使得連桿銷處容易發生異響，造成油田甲方用戶的不滿。同時抽油機長時間運轉之后，連桿銷與連桿上接頭磨損，使得較多抽油機發生連桿上接頭銷孔被磨成“橢圓”狀，導致整根連桿報廢，增加更換成本。

1 結構設計

一種新型游梁式抽油機連桿銷處，在原結構基礎上增加了一個尼龍套，如圖1 所示。尼龍套鑲嵌在連桿上接頭內，抽油機運轉時，尼龍套隔在連桿銷與連桿上接頭金屬之間，由于尼龍材料相較金屬材料特有的自潤滑和較軟的屬性，可以起到保護連桿上接頭和橫梁耳座金屬結構的作用，即使發生磨損也是先將尼龍套磨損失效，修理時可以將舊套取出，更換新套即可，同時其具有耐磨性好、成本低等特點，可以消除游梁平衡式抽油機連桿銷處異響，解決連桿上接頭的銷孔被磨成橢圓的問題。

圖1 橫梁連桿連接結構

尼龍套結構為圓筒狀，如圖2 所示，長105 mm 與連桿上接頭寬度一樣，內徑70 mm 與連桿銷外徑采用過度配合，外徑90 mm 與連桿上接頭內徑采用過盈配合，厚度為10 mm。

圖2 尼龍套

2 尼龍套強度校核

2.1 計算連桿力

以CYJ8-4.2-53HY 抽油機為例，根據其幾何參數計算連桿力F連：

式中 B——整機結構不平衡重，kN

A——抽油機前臂長，mm

C——抽油機后臂長，mm

β——抽油機后臂C 與連桿P 之間的夾角，°

F——懸點載荷，kN

將最大懸點載荷8000 kg 代入公式中計算可得，上沖程時最大連桿力為63 kN，下沖程時最大連桿力為-39 kN，因此校核尼龍套強度時取上沖程時最大連桿力F連=63 kN。

2.2 材料選取

尼龍套材料選取為此設計的關鍵部分，直接影響尼龍套的使用效果。隨著尼龍制備和改性技術的不斷發展，其種類已達幾十種，在查閱相關資料并綜合考慮其機械性能和加工成本后，選取澆筑尼龍（MC 尼龍）作為尼龍套的主材。MC 尼龍是用已內酰胺單體在強堿（如NaOH）和助催化劑的作用下，用模具直接聚合成型得到制品的毛坯件，由于把聚合和成型過程結合在一起，因而成型方便，易于制造大型機器零件。它的力學性能和物理性能都比尼龍6 高，可制造幾十千克的齒輪、渦輪、軸承等。按文獻［2］，熱處理工藝對尼龍屬性有較大影響，MC 尼龍經不同處理工藝的機械性能對比見表1。

表1 處理前后MC 尼龍拉伸強度的變化

通過表1 可得，MC 尼龍處理前拉伸強度已經達到84 MPa可以滿足作為軸套的強度要求，但是伸長率為17%略高，說明其抗變形能力較差，在受到連桿交變載荷后容易變形，而水處理拉伸強度雖然73 MPa 略低于84 MPa，但是伸長率降為10%，抗變形能力明顯提高，在綜合考慮抽油機慢速并且長時間持續運轉的工況后，選擇了MC 尼龍水處理材料。

2.3 有限元分析

利用SolidWorks 軟件的有限元分析模塊對尼龍套進行應力分析，為了便于計算，忽略接觸問題等非線性算例，選擇“靜應力分析”類型，通過對尼龍套設立邊界條件、加載、畫網格計算后可得圖3 的應力計算結果，其最大應力值σmax=16.5 MPa。

圖3 尼龍套應力分析

計算其安全系數：

式中 n——安全系數

σs——材料MC 尼龍的屈服強度，取73 MPa

依照GB/T 29021—2012《石油天然氣工業 游梁式抽油機》，承受壓應力的結構件，安全系數應≥3.3，因此校核結果符合標準要求，選擇MC 尼龍（水處理）作為尼龍套的材料是可行的。

3 現場使用

目前已有50 余臺在連桿上接頭處鑲嵌了尼龍套的CYJ8-4.2-53HY型抽油機在現場使用，運轉時間達1 年以上，均未發生尼龍套損壞現象。此新型結構徹底消除了連桿銷處異響和連桿上接頭磨損現象，得到了甲方好評。

4 結論

（1）通過在抽油機關鍵受力部位首次試用非金屬材料的成功，為抽油機設計開辟了新的思路，拓展了材料選取范圍。

（2）常規游梁抽油機結構發展已經遇到瓶頸，下一步可以考慮對老機型在材料上進行升級優化。目前非金屬材料技術發展迅猛，其強度和耐磨性等參數均有大幅度提高，在校核強度不變或者略微降低的情況下，可以考慮使用成本更低的非金屬材料替代金屬材料制造更多的關鍵零部件。