新型游梁式抽油機(jī)尼龍?zhí)走B桿銷設(shè)計(jì)

鄧 陽，蘭 真，方艷輝，洪 濤，姚高祥，邊洪偉

（中國石油集團(tuán)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(shù)領(lǐng)域，機(jī)械舉升原油主要采用游梁式抽油機(jī)。其作用是通過減速箱、曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭等機(jī)構(gòu)將動(dòng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槌橛蜅U的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(jī)連桿上接頭通過連桿銷與橫梁連接。游梁式抽油機(jī)在上沖程時(shí)連桿受拉力，在下沖程時(shí)連桿受壓力，連桿銷在一個(gè)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(fā)生異響，造成油田甲方用戶的不滿。同時(shí)抽油機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后，連桿銷與連桿上接頭磨損，使得較多抽油機(jī)發(fā)生連桿上接頭銷孔被磨成“橢圓”狀，導(dǎo)致整根連桿報(bào)廢，增加更換成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種新型游梁式抽油機(jī)連桿銷處，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)尼龍?zhí)祝鐖D1 所示。尼龍?zhí)阻偳对谶B桿上接頭內(nèi)，抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，尼龍?zhí)赘粼谶B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(hù)連桿上接頭和橫梁耳座金屬結(jié)構(gòu)的作用，即使發(fā)生磨損也是先將尼龍?zhí)啄p失效，修理時(shí)可以將舊套取出，更換新套即可，同時(shí)其具有耐磨性好、成本低等特點(diǎn)，可以消除游梁平衡式抽油機(jī)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(jié)構(gòu)

尼龍?zhí)捉Y(jié)構(gòu)為圓筒狀，如圖2 所示，長105 mm 與連桿上接頭寬度一樣，內(nèi)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(nèi)徑采用過盈配合，厚度為10 mm。

圖2 尼龍?zhí)?/p>

2 尼龍?zhí)讖?qiáng)度校核

2.1 計(jì)算連桿力

以CYJ8-4.2-53HY 抽油機(jī)為例，根據(jù)其幾何參數(shù)計(jì)算連桿力F連：

式中 B——整機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重，kN

A——抽油機(jī)前臂長，mm

C——抽油機(jī)后臂長，mm

β——抽油機(jī)后臂C 與連桿P 之間的夾角，°

F——懸點(diǎn)載荷，kN

將最大懸點(diǎn)載荷8000 kg 代入公式中計(jì)算可得，上沖程時(shí)最大連桿力為63 kN，下沖程時(shí)最大連桿力為-39 kN，因此校核尼龍?zhí)讖?qiáng)度時(shí)取上沖程時(shí)最大連桿力F連=63 kN。

2.2 材料選取

尼龍?zhí)撞牧线x取為此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接影響尼龍?zhí)椎氖褂眯ЧｋS著尼龍制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，其種類已達(dá)幾十種，在查閱相關(guān)資料并綜合考慮其機(jī)械性能和加工成本后，選取澆筑尼龍（MC 尼龍）作為尼龍?zhí)椎闹鞑摹C 尼龍是用已內(nèi)酰胺單體在強(qiáng)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(jié)合在一起，因而成型方便，易于制造大型機(jī)器零件。它的力學(xué)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(xiàn)［2］，熱處理工藝對(duì)尼龍屬性有較大影響，MC 尼龍經(jīng)不同處理工藝的機(jī)械性能對(duì)比見表1。

表1 處理前后MC 尼龍拉伸強(qiáng)度的變化

通過表1 可得，MC 尼龍?zhí)幚砬袄鞆?qiáng)度已經(jīng)達(dá)到84 MPa可以滿足作為軸套的強(qiáng)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(qiáng)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(jī)慢速并且長時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)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(duì)尼龍?zhí)走M(jìn)行應(yīng)力分析，為了便于計(jì)算，忽略接觸問題等非線性算例，選擇“靜應(yīng)力分析”類型，通過對(duì)尼龍?zhí)自O(shè)立邊界條件、加載、畫網(wǎng)格計(jì)算后可得圖3 的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，其最大應(yīng)力值σmax=16.5 MPa。

圖3 尼龍?zhí)讘?yīng)力分析

計(jì)算其安全系數(shù)：

式中 n——安全系數(shù)

σs——材料MC 尼龍的屈服強(qiáng)度，取73 MPa

依照GB/T 29021—2012《石油天然氣工業(yè) 游梁式抽油機(jī)》，承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件，安全系數(shù)應(yīng)≥3.3，因此校核結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇MC 尼龍（水處理）作為尼龍?zhí)椎牟牧鲜强尚械摹?/p>

3 現(xiàn)場使用

目前已有50 余臺(tái)在連桿上接頭處鑲嵌了尼龍?zhí)椎腃YJ8-4.2-53HY型抽油機(jī)在現(xiàn)場使用，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)1 年以上，均未發(fā)生尼龍?zhí)讚p壞現(xiàn)象。此新型結(jié)構(gòu)徹底消除了連桿銷處異響和連桿上接頭磨損現(xiàn)象，得到了甲方好評(píng)。

4 結(jié)論

（1）通過在抽油機(jī)關(guān)鍵受力部位首次試用非金屬材料的成功，為抽油機(jī)設(shè)計(jì)開辟了新的思路，拓展了材料選取范圍。

（2）常規(guī)游梁抽油機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展已經(jīng)遇到瓶頸，下一步可以考慮對(duì)老機(jī)型在材料上進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。目前非金屬材料技術(shù)發(fā)展迅猛，其強(qiáng)度和耐磨性等參數(shù)均有大幅度提高，在校核強(qiáng)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(guān)鍵零部件。