CYJSL6-2.1-26HB雙井抽油機支架體有限元分析

賀聰聰 謝俊

(長江大學 湖北荊州 434023)

參考美國石油學會制定的API標準和游梁式抽油機標準[1]，結合大慶油田井距的特點設計出了該系列雙井抽油機，該系列抽油機為新型節能抽油機。支架體是抽油機的重要零部件，長期承受交變載荷，支架體的強度和剛度對抽油機的穩定性有重要影響，需要對支架體強度進行分析[2]。該文以CYJSL6-2.1-26HB 型雙井抽油機為例，結合ANSYS Workbench 對該型號雙井抽油機的支架體進行有限元分析，分析了支架體在不同位置的應力和變形，對實際生產制造具有重要參考意義。

1 支架受力分析計算

1.1 支架體受力分析

CYJSL6-2.1-26HB 雙井抽油機是以主機游梁、曲柄、連桿這3 個部件組成的曲柄搖桿機構以及主機游梁傘部、主副機游梁連接裝置、副機游梁這3個零部件組成的雙搖桿機構[3]。該抽油機運動原理：由電機將動力傳遞給減速器，減速器帶動曲柄搖桿機構，曲柄搖桿機構再帶動雙搖桿機構運動。在抽油機運動過程中，支架體受到的力主要是重力、電機扭矩及懸點載荷。其中包含了支架軸承座、主副機游梁及主副機驢頭等部件的重力；電機扭矩則是電機驅動抽油機時，連桿游梁裝置對支架體所產生的力；懸點載荷則是由抽油機工作時，抽油機帶動活塞做往復運動時對支架體產生的負載[4]。抽油機各個部件的重力對計算結果影響較小，所以可以簡化受力分析，只需要考慮懸點載荷及電機扭矩對抽油機支架強度的影響[5]。

1.2 支架體受力計算

支架體受載圖如圖1所示，F1為主懸點載荷，F2為連桿力，F3和為主副機連接裝置上的內力，F4為副懸點載荷，Fx1和Fy1是前支架軸承座的受力，Fx2和Fy2是后支架軸承座的受力。已知主懸點載荷、副懸點載荷各個桿件之間的夾角、各個桿件的桿長的情況下，以豎直向下為正方向，通過受力分析可以得到如下公式。

圖1 CYJSL6-2.1-26HB雙井抽油機受力簡圖

由上述各式可以得到下列公式。

由于該型號抽油機可以根據井口之間的距離來調節支架軸承座的位置，其調節范圍為：0～0.3 m，兩支架軸承座中心最近距離為450 mm，最遠距離為750 mm。為了分析其強度是否符合要求，需要考慮支架軸承座在不同位置時支架體的受力，該文通過分析支架軸承座兩極限位置的應力與變形來考慮支架體強度是否滿足要求[6]。

由編譯好的計算程序可得到抽油機最危險工況的位置，并計算出最危險工況兩軸承座的受力，通過輸入兩支架軸承座兩極限位置距離可以得到兩支架體軸承座的受力。從表1 抽油機計算程序結果可以看出，在曲柄轉角在0°時，前支架軸承座的受力比后支架軸承座，最大受力處于兩支架軸承座中心相距450 mm，此時支架軸承座受到X方向力為48.74 kN，Y方向受力為95.71 kN。且相距越遠，前支架軸承座的受力越小，整體呈減小趨勢。在曲柄轉角在186.26°時，后支架軸承座受力比前支架軸承座大，最大受力處于兩支架軸承座中心相距750 mm，此時支架軸承座受到X方向力為4.26 kN，Y方向受力為121.49 kN。且相距越遠后支架軸承座受力越大，整體呈增大趨勢[7]。

表1 支架軸承座受到的載荷

2 支架模型建立及網格劃分

2.1 支架體模型構建

參考ANSYS Workbench 19.0基礎入門與工程實踐中的模型簡化原則，簡化連接位置處的螺栓、螺母以及墊片，在Creo 中建立CYJSL6-2.1-26HB 雙井抽油機的支架體簡化三維模型如圖2 所示[8]。圖2 中抽油機支架采用雙層結構，上下支架體采用四支腿設計，這種設計使得抽油機結構緊湊、耗材小。抽油機支架體使用的材料是Q345B結構鋼，通過查閱機械設計手冊得知：屈服極限345 MPa，彈性模量206 GPa，泊松比0.28[9]。

圖2 CYJSL6-2.1-26HB雙井抽油機支架體模型

2.2 支架體網格劃分

支架體的受力來源于支架軸承座，對支架體施加載荷時，要將載荷施加在支架頂板與支架軸承座接觸面上。由于支架體頂板是一個整體，故需利用Workbench中的Design Modeler坐標系對支架體頂板添加印記面。

支架體結構比較復雜，分上、下兩層，上、下支架體的支腿都是采用的是32a 工字鋼，上支架體主要使用的是加強板，下支架體的加強梁采用的是16a 槽鋼和角鋼16#。支架體使用了較多的型材，結構較復雜，故對支架體的網格劃分采用不同的網格劃分方式。對于上、下支架體中槽鋼、角鋼、工字鋼所形成的零件采用四面體網格劃分，其網格精度取20 mm，對于加強板、頂板則采用六面體網格劃分，其網格精度為10 mm。劃分好的網格有191 729個單元，有532 031個節點，劃分好的網格圖見圖3[10-11]。

圖3 CYJSL6-2.1-26HB雙井抽油機支架體網格

3 支架有限元分析

將表1中支架體受到的載荷數據分別加載到支架體上，通過軟件計算可以得到支架體在最近位置和最遠地方支架體所受到的等效應力和總變形，其軟件計算結果云圖具體見圖4～圖7。由圖可知，在兩支架軸承座相距450 mm曲柄轉角0°時，支架體受到最大等效應力為225.17 MPa，最大總變形為1.013 mm，最大變形位置處于左補強板的左下角，最大等效應變位于左補強板的右下角。在兩支架軸承座相距450 mm 曲柄轉角186.26°時，支架體受到的最大等效應變為199.9 MPa，最大總變形為1.441 2 mm，最大等效應變位于支架體頂板于支架軸承座接觸面處，最大總變形位于上支架體前腿中間位置。兩支架軸承座相距750 mm曲柄轉角0°時，支架體受到的最大等效應力為233.55 MPa，最大變形為1.353 3 mm。

圖4 兩支架軸承座相距450 mm總變形支架體云圖

圖5 兩支架軸承座相距450 mm支架體等效應力云圖

圖6 兩支架軸承座相距750 mm總變形支架體云圖

圖7 兩支架軸承座相距750 mm支架體等效應力云圖

4 結語

兩支架軸承座相距450 mm 和相距750 mm 對比，當曲柄轉角處于0°時，支架體受到的最大等效應力變小，最大總變形增大，在曲柄轉角處于186.26°時，支架體受到的等效應力變大，最大總變形減小。支架體采用的材料是Q345B，其屈服極限是345 MPa，故支架體在后支架軸承座兩極限位置都滿足支架體的強度都滿足要求。