郭登明 (長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

謝光偉,戴志剛 (渤海石油裝備(天津)中成機械制造有限公司,天津大港300280)

隨著國內(nèi)外油田原油含水率的不斷上升,油井動液面逐漸下降,下泵深度越來越深,抽油機的懸點載荷需要不斷上升,因而所用抽油機的型號、規(guī)格也越來越大[1]。為了滿足國內(nèi)油田及出口企業(yè)的需要,筆者按照API標(biāo)準(zhǔn)[2]開發(fā)了C1280-427-240型 (注:相當(dāng)于國標(biāo)型號CYJ19-6.0-146HB型常規(guī)抽油機)抽油機,該型抽油機是國內(nèi)出口抽油機中型號最大的一種,也是國內(nèi)目前生產(chǎn)的最大游梁式抽油機。該機于2007年底由大港油田集團中成機械有限責(zé)任公司試制成功[3]。筆者通過進行該型抽油機底座的有限元分析,進一步研究了該抽油機主要承載構(gòu)件的受力狀況,以此供相關(guān)研究者參考。

1 底座設(shè)計方法

該型抽油機的底座采用T形結(jié)構(gòu),其座體主梁和橫梁均用窄型的 H型鋼,具體規(guī)格為H506×201的型鋼,橫撐用320×90的槽鋼,與支架前腿相聯(lián)的部分采用自制的506×400焊接工字鋼,筒體左右側(cè)板和前后側(cè)板均使用14mm鋼板,所有加強筋均使用12mm鋼板。減速器座板采用30mm鋼板。電動機座采用高機座,主梁用250×80的槽鋼,橫撐用200×73的槽鋼。

2 底座有限元分析

根據(jù)底座的結(jié)構(gòu)特點,在ANSYS分析過程中,采用Solid95單元進行分析。Solid95單元屬于六面體8節(jié)點單元,主要用于三維實體結(jié)構(gòu)模型,具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變的特征。

2.1 網(wǎng)格劃分及單元建模

Solid 95單元由 8個節(jié)點結(jié)合而成,節(jié)點號分別為 I、J、K 、L、M、N 、O和P,每個節(jié)點有 X 、Y 、Z 3個方向的自由度,每個單元有24個自由度,Solid95的幾何形狀圖如圖1所示。底座網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

整體平衡方程為:

式中,[K]為支架結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣,由單元剛度矩陣組合而成;{u}為結(jié)構(gòu)點的位移列向量;{P}為結(jié)構(gòu)結(jié)點的外載荷列向量。

2.2 有限元分析

在進行底座有限元分析時,根據(jù)該抽油機的設(shè)計計算結(jié)果[2],曲柄在角度分別為0、105、150和285°時底座受力最大,故選取該4個關(guān)鍵點進行有限元分析。

圖1 Solid95的幾何形狀圖

圖2 底座網(wǎng)格劃分圖

由于底座與支架相聯(lián),其受力主要來自于支架,具體位置在支架與底座的聯(lián)結(jié)部位,但該處的接觸力不能用簡單的方法進行計算。文獻(xiàn) [1]及文獻(xiàn) [3]分別對該型抽油機的支架和減速器進行了有限元計算,因而引用其相關(guān)計算結(jié)果作為載荷數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 底座上的載荷表

2.3 計算結(jié)果及處理

加載力后,由于底座底部已被約束,使底座產(chǎn)生變形,可以求解出每個節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變,并通過不同的顏色反映在實體模型上。

圖3、圖4和圖5分別為支架在X、Y和Z方向上的位移云圖,圖6為支架Von-Mises應(yīng)力云圖。從圖6可以看出,底座的最大應(yīng)力位于與支架聯(lián)接部分附近。表2、表3、表4和表5分別顯示底座4個關(guān)鍵點的有限元分析結(jié)果。

圖3 X方向位移云圖

圖4 Y方向位移云圖

圖5 Z方向位移云圖

圖6 Von-Mises應(yīng)力云圖

表2 曲柄角度為285°時有限元分析結(jié)果

表3 曲柄角度為0°時有限元分析結(jié)果

表4 曲柄角度為105°時有限元分析結(jié)果

表5 曲柄角度為150°時有限元分析結(jié)果

2.4 強度計算

由上述有限元計算結(jié)果可知,底座的最大應(yīng)力在節(jié)點號為25275處,最大受力為113.97MPa。查機械設(shè)計手冊可知,碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的屈服應(yīng)力為:[σ]=235MPa,故有靜安全系數(shù)nσ=2.06。由此可見,底座在工作過程中滿足靜強度要求。另外,根據(jù)該底座的結(jié)構(gòu)特點可知,其疲勞強度也滿足工作要求。

2.5 剛度分析

由上述有限元計算結(jié)果可知,最大位移在節(jié)點號為26091處,且最大位移為1.287mm,根據(jù)SY/T5044-2003《游梁式抽油機》標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)型鋼長度小于3m時,底座的最大彎曲度為3mm。由此可見,該底座具有較好的剛度。

3 結(jié) 語

通過對C1280-427-240型抽油機的T型底座進行有限元分析,發(fā)現(xiàn)該型抽油機底座具有足夠的強度和較好的剛度,能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。因此,對該型抽油機底座的有限元分析為超重型抽油機的底座設(shè)計提供了依據(jù),對抽油機制造廠家和油田用戶具有重要指導(dǎo)意義。

[1]郭登明,謝光偉,戴志剛,等.C1280-427-240型抽油機支架有限元分析 [J].石油天然氣學(xué)報 (江漢石油學(xué)院學(xué)報),2009,31(6):158～160.

[2]郭登明,李全,姚高祥.C1280-427-240型抽油機的研制及性能測試 [J].長江大學(xué)學(xué)報 (自科版),2008,5(4):105～107.

[3]郭登明,黃朝兵,謝光偉,等.C1280D雙圓弧齒輪減速器設(shè)計及有限元分析 [J].長江大學(xué)學(xué)報 (自科版),2009,6(4):80～82.