范 強(qiáng)陳 健張季冬陳大彬

（1.慶新油田開(kāi)發(fā)有限公司 黑龍江大慶 2.裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)制造分公司國(guó)內(nèi)總裝廠 黑龍江大慶）

（3.大慶油田第二采油廠機(jī)械維修大隊(duì) 黑龍江大慶 4.大慶油田公司資產(chǎn)設(shè)備管理部 黑龍江大慶）

抽油機(jī)作為一種常規(guī)的有桿抽油舉升裝置，已經(jīng)有80多年的歷史，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。抽油機(jī)主要由電機(jī)、減速器、支架、四連桿機(jī)構(gòu)和驢頭等部件組成。驢頭作為聯(lián)接抽油桿和橫梁的重要部件，需要滿足一定的剛度和強(qiáng)度要求。常規(guī)的驢頭都是使用鋼板焊接而成。

目前，驢頭的設(shè)計(jì)有很多種形式，每種形式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步優(yōu)化驢頭設(shè)計(jì)，并且減少設(shè)計(jì)成本和時(shí)間，最好的方式就是使用有限元分析軟件進(jìn)行模擬。目前，有限元分析軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用十分廣泛，并且成熟可靠。本文針對(duì)抽油機(jī)驢頭優(yōu)化問(wèn)題，使用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了驢頭優(yōu)化后的應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律。

一、常規(guī)游梁抽又得的數(shù)理模型及三維建模（圖1）

圖1 抽油機(jī)數(shù)理模型

根據(jù)API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及SY/T 5044-2003《游梁抽油機(jī)》里的相關(guān)條款，使用

由數(shù)理模型可以看出，由于驢頭上下擺動(dòng)時(shí)，為了滿足所承載的抽油桿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和自身強(qiáng)度、剛度的需要，所以驢頭的體積很難做得很小。SOLIDWORKS 2013進(jìn)行三維建模。SOLIDWORKS 2013是法國(guó) Dassault Systemes公司旗下的CAD產(chǎn)品，其自帶的SIMULATION插件可以很方便的對(duì)所建立的三維模型進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過(guò)建立模型，抽油機(jī)的最終模型如圖2所示。

圖2 抽油機(jī)三維模型

二、優(yōu)化方案與分析

1.改進(jìn)原則與邊界條件設(shè)定

（1）常規(guī)游梁抽油機(jī)驢頭的改進(jìn)原則主要包括。①?gòu)?qiáng)度、剛度需滿足要求，不得降低太多。②在滿足上一條件下，材料使用盡量少，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化。

（2）為保證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，規(guī)定邊界條件設(shè)定準(zhǔn)則。①驢頭所使用的材料為均質(zhì)材料，各項(xiàng)同性，材料無(wú)缺陷。②驢頭的變形屬于小位移變形。③工作環(huán)境為室溫，壓力為1個(gè)大氣壓。

（3）邊界條件設(shè)定。①使用鋼材為45#。②加載懸點(diǎn)載荷為14 t。③工作環(huán)境為室溫，1個(gè)大氣壓。④零件間無(wú)穿透。

在有限元分析劃分網(wǎng)格時(shí)，采用的網(wǎng)格單元為六面體，而不采用四面體。雖然四面體有著劃分快速的優(yōu)點(diǎn)，但在計(jì)算精度上與六面體相比還有一定差距。六面體劃分雖然在細(xì)化時(shí)比較麻煩，但計(jì)算精度可接近真實(shí)數(shù)值。

2.改進(jìn)方案

（1）方案一。在驢頭側(cè)面開(kāi)4個(gè)長(zhǎng)方形切口，并且使用圓角過(guò)渡。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，加載邊界條件后，經(jīng)計(jì)算安全系數(shù)能滿足工況要求，驢頭質(zhì)量是原來(lái)的89%。

（2）方案二。在驢頭側(cè)面開(kāi)多個(gè)不規(guī)則四邊形和三角形，并使用圓角過(guò)渡。經(jīng)網(wǎng)格劃分，加載邊界條件后，經(jīng)計(jì)算安全系數(shù)能滿足工況要求，驢頭質(zhì)量是原來(lái)的84%。

對(duì)比上述方案，最終選擇方案二，理由：①方案一的3處應(yīng)力集中出現(xiàn)在同一平面上，生產(chǎn)安全隱患大。方案二則比較分散，設(shè)計(jì)較為合理，能有效防止驢頭在工作中出現(xiàn)開(kāi)裂等情況，大大延長(zhǎng)工作壽命。②方案二的驢頭質(zhì)量是原來(lái)的84%，節(jié)省材料，降低成本。③方案二截面積較小，產(chǎn)生的風(fēng)阻也小，對(duì)整機(jī)的穩(wěn)定性能起到較好作用。目前方案二正在生產(chǎn)樣機(jī)，爭(zhēng)取投產(chǎn)并觀察效果。

三、結(jié)論

（1）常規(guī)游梁抽油機(jī)的驢頭設(shè)計(jì)沒(méi)有最佳的方案，要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況條件不斷改進(jìn)和優(yōu)化。

（2）驢頭設(shè)計(jì)中應(yīng)主要關(guān)注應(yīng)力集中問(wèn)題，即如何減輕應(yīng)力集中對(duì)驢頭的影響，這也是設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)。

（3）方案二所設(shè)計(jì)的驢頭，具有重量輕、成本低、應(yīng)力集中小、強(qiáng)度大和風(fēng)阻小等優(yōu)點(diǎn)，完全可以替代原有常規(guī)游梁抽油機(jī)的驢頭。