王思淇，張 勇，陳有斌

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)(2.大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163000)

抽油機與管式抽油泵配套進行采油作業(yè)時，為提高油井產液量，通常采用大排量深井泵抽油。當抽油泵柱塞直徑大于油井所用油管內徑時，就必須配套大泵脫接器，以實現(xiàn)抽油泵柱塞與抽油桿柱的對接和脫離[1-4]。脫接器在井下對接、脫離時產生的沖擊載荷，容易使彈簧爪上的爪片承受的作用載荷超出自身的強度，同時彈簧爪根部會因應力集中發(fā)生斷裂[5-8]。因脫節(jié)器失效導致的重新檢查泵況時有發(fā)生，脫節(jié)器爪片的可靠性成為限制機械采油系統(tǒng)長期運行的瓶頸。

近年來國內外眾多學者從不同的角度對脫接器的可靠性開展了研究工作。李楓等[9]利用有限元方法對采油井筒內脫接器中心桿的結構進行了優(yōu)化設計；李軍等[10]采用對比試驗法對不同狀態(tài)的301材料制彈簧片與20C鋼制彈簧片進行了抗拉強度試驗、彎曲試驗和吸片組件力學特性測試；孔德平等[11]針對雙柔性桿碰撞問題，提出了雙柔性桿軸向碰撞的動態(tài)子結構方法；朱勛等[12]運用有限元分析軟件分析了旋繞比、螺旋升角等參數(shù)對彈簧剛度的影響，并對拉伸載荷下截面剪切應力的分布情況進行了研究。上述研究對于脫接器的發(fā)展提供了重要幫助，但未對脫接器彈簧爪的爪片數(shù)進行分析和優(yōu)化。本文利用有限元軟件Work-bench對彈簧爪的強度進行仿真分析，探討彈簧爪的爪片數(shù)對抗拉強度的影響，從而選出最優(yōu)爪片數(shù)。

1 幾何模型的建立

彈簧爪為圓筒狀結構，沿周向均勻開槽，建立的三維實體模型如圖1所示。圖中爪片數(shù)n為6，材料為35CrMo，彈性模量E為217 000MPa，泊松比μ為0.3，在850℃淬火和550℃回火情況下，屈服強度Re為835MPa，抗拉強度Eh為980MPa。

圖1 爪片數(shù)為6時彈簧爪的三維實體模型

2 有限元分析

彈簧爪作為一種卡扣結構，其強度分析包括脫接器對接過程和對接后工作狀態(tài)兩個部分。本文首先對彈簧爪工作狀態(tài)下不同爪片數(shù)時的強度進行有限元分析，確定出最佳爪片數(shù)量，并對彈簧爪在對接時的失效影響進行數(shù)值分析。

2.1 工作狀態(tài)下不同爪片數(shù)的有限元分析

彈簧爪的爪片沿周向均勻分布。根據(jù)彈簧爪的受力情況，并且為了提高計算效率、簡化有限元模型，本文僅對彈簧爪的單爪片進行模擬分析，即利用Workbench14.0中的Static Structural模塊對單爪片進行抗拉強度數(shù)值模擬。

不同爪片數(shù)時彈簧爪的應力云圖如圖2所示，不同爪片數(shù)條件下根部應力值均較其他位置大；隨著爪片數(shù)的不斷增加，彈簧爪的應力分布越來越不均勻，最大應力值位置逐漸趨向于卡槽位置，直至n為16時主應力集中在卡槽凹肩處，其他部位應力值與此處差距較大，該位置也是彈簧爪爪片易斷處，與現(xiàn)場實際情況一致。

圖2 不同爪片數(shù)的爪片應力云圖

脫接器工作在井筒內部并同時發(fā)生著上下竄動和振動，為保證安全，材料的安全系數(shù)不得小于2。圖3所示為爪片的主應力、安全系數(shù)與爪片數(shù)的關系曲線圖，爪片數(shù)n為2～5時，主應力隨爪片數(shù)變化的幅度很小，其中n為5時，主應力為80.1MPa；n為6～16時，主應力隨爪片數(shù)的增加逐漸變大，在n為16時主應力達到542.0MPa，雖未達到材料的屈服極限835.0MPa，但安全系數(shù)為1.54，低于許用安全系數(shù)。

圖3 主應力、安全系數(shù)與爪片數(shù)關系曲線圖

由圖3可知，當葉片數(shù)大于12時的安全系數(shù)已不能保證工作的可靠性，所以彈簧爪的爪片數(shù)不應超過12，即在爪片數(shù)為2～12時均能滿足彈簧爪的抗拉強度。

2.2 不同爪片數(shù)條件下的對接過程有限元分析

本文通過構建彈簧爪與中心桿的物理模型，來分析爪片數(shù)n為3～12時的最大主應力及主應力位置和數(shù)值與爪片數(shù)的關系。

從圖4的最大主應力分布可以看出，彈簧爪在各爪片數(shù)中最大應力值均發(fā)生在爪片根部直角位置，與單葉片分析結果相對應。從圖5的主應力與爪片數(shù)關系曲線可以看出，隨爪片數(shù)的增加，彈簧爪爪片根部最大主應力降低，爪片數(shù)由3增加到5時，主應力值迅速下降，n為3時其值為1 349.0MPa，遠遠超過材料的屈服極限835.0MPa；n為4時主應力值下降到屈服極限以下，其值為695.0MPa，安全系數(shù)為1.2；n為5～11時主應力值變化平緩。當爪片數(shù)n=12時最大主應力值為88.7MPa。

圖4 爪片數(shù)n=3～11對接時最大主應力

圖5 對接時彈簧爪主應力與爪片數(shù)關系曲線圖

為滿足彈簧爪徑向變形的安全要求，取安全系數(shù)為2，因此當彈簧爪片數(shù)n為5～12時可滿足彈簧爪工作強度要求。

3 結果討論與改進措施

3.1 最優(yōu)爪片數(shù)確定

由模擬分析可知，脫接器對接過程和對接后工作狀態(tài)下彈簧爪爪片數(shù)應在5～12范圍內選擇。此外應綜合考慮以下原則：1)在強度滿足條件的前提下，爪片數(shù)應盡可能多選，以避免對接過程中的沖擊破壞；2)考慮到彈簧爪根部為應力集中位置，需要設計開槽、圓角等以避免應力集中，從結構上考慮應限定爪片數(shù)不多于10個；3)爪片數(shù)采取奇數(shù)優(yōu)先原則，避免當某一爪片在發(fā)生彎曲時通過中心桿直接作用在與其中心對稱的爪片上，從而造成更大的破壞。綜上所述，確定本文中最優(yōu)彈簧爪爪片數(shù)n為9，并重新設計了爪根部結構。

3.2 驗證分析

圖6為爪片數(shù)n為9時的彈簧爪對接時爪片的應力與時間變化曲線圖，圖7為爪片的應力與位移變化曲線圖。由圖6可看出，應力值在對接初始階段變化劇烈，由0MPa短時間內迅速增大到125MPa，其后應力值趨于平穩(wěn)，最后階段由130MPa迅速減小到0MPa。由圖7可看出，彈簧爪徑向位移在初始階段變化劇烈，由0mm短時間內迅速增大到2.30mm，其后位移數(shù)值變化較小，最后階段由2.55mm迅速減小到0mm。由分析結果知，對接時最大應力值為130MPa，最大位移值為2.55mm，均滿足設計要求。

圖6 爪片數(shù)n為9對接時應力與

圖7 爪片數(shù)n為9對接時應力與位移變化曲線圖

4 結束語

本文基于現(xiàn)有脫接器彈簧爪存在的問題，采用有限元數(shù)值模擬方法對脫接器爪數(shù)進行了優(yōu)選研究，從彈簧爪安全系數(shù)和彈簧爪徑向變形兩方面進行了綜合優(yōu)化，為脫節(jié)器彈簧爪的設計提供了可靠性數(shù)據(jù)支持。但是，目前的研究工作僅通過數(shù)值仿真手段進行評價，在后續(xù)的工作中應通過制作樣機，進行實際測試并與仿真結果互相驗證，以保證最終優(yōu)化結果的真實性。