劉 釗

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

抽油泵是抽油機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，隨著有桿泵使用比率的增加，新型抽油泵的設(shè)計(jì)與研發(fā)已經(jīng)形成規(guī)范的體系[1]。作為抽油系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，提高抽油泵在不同工況下的適應(yīng)性以及工作效率，降低抽油泵的故障率，提高工作的穩(wěn)定性，可以大幅度提高油田的生產(chǎn)效率。本文應(yīng)用ANSYS分析軟件，對防氣鎖閥套件進(jìn)行靜力學(xué)分析，為防氣鎖閥與防氣鎖閥罩的設(shè)計(jì)提供理論支持[2]。

1 防卡防氣抽油泵的主要結(jié)構(gòu)組成

防卡防氣抽油泵主要由泵筒、柱塞、泵閥、閥罩、防氣結(jié)構(gòu)、防卡結(jié)構(gòu)等組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中主要結(jié)構(gòu)包括下防氣鎖閥罩、下防氣鎖閥座、下防氣鎖閥、下導(dǎo)向塊、柱塞、泵筒、出油閥爾座、出油閥爾罩、拉桿、套筒、上防氣鎖閥上推塊、刮砂環(huán)、固定閥爾座、固定閥爾球、固定閥爾罩。

圖1 新型防卡防氣抽油泵主要結(jié)構(gòu)圖

其中，防氣鎖閥結(jié)構(gòu)套件是其主要結(jié)構(gòu)件（圖2）。下防氣鎖閥的具體結(jié)構(gòu)是一種半球形密閉閥，與防氣鎖閥罩緊密配合。防氣鎖出油閥總成在抽油機(jī)上沖程的運(yùn)動(dòng)過程中，下防氣鎖閥與下防氣鎖閥座緊密貼合，防氣鎖閥開啟，使得油液進(jìn)入腔體，從而帶動(dòng)固定閥爾球開啟，實(shí)現(xiàn)油路的暢通，并且保證泵腔內(nèi)部氣體可以順利向上排出，使得泵可以在各種油氣比情況下高效地生產(chǎn)[3]。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是密閉性能高，材料使用周期長，半球形密封也有利于在形成氣卡時(shí)可被強(qiáng)制打開，穩(wěn)定性高，加工難度小，并且易于拆卸與保養(yǎng)。

圖2 防氣鎖閥主要結(jié)構(gòu)示意圖

其中下防氣鎖閥的主要材料為45鋼，下防氣鎖閥座的主要材料為9Cr18Mo。防氣鎖閥與防氣鎖閥罩在抽油泵向上運(yùn)動(dòng)的過程中，因?yàn)橛蛪憾粔壕o貼合，形成環(huán)狀密封。

2 基于ANSYS的防卡防氣抽油泵有限元分析

2.1 下防氣鎖閥與下防氣鎖閥座配合模型的建立

2.1.1 三維模型的建立

為了滿足有限元分析的要求，滿足仿真防氣鎖閥套件在液柱壓力下相互間的作用，應(yīng)用solid works三維繪圖軟件來進(jìn)行建模與裝配。在建模過程中應(yīng)注意以下原則：1）模型能夠完整、準(zhǔn)確地反映出防氣鎖套件在正常工作下應(yīng)力、形變與應(yīng)變的狀態(tài)；2）在進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型所受的加載載荷應(yīng)與實(shí)際工況相符或相同；3）所建造的防氣鎖閥套件模型，應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)相同，保持相同的幾何結(jié)構(gòu)，在對整體分析結(jié)果影響可忽略的情況下，可對部分機(jī)構(gòu)合理化簡化；4）防氣鎖閥套件仿真模型的邊界約束條件，應(yīng)與實(shí)際工況保持一致，以確保有限元分析可以準(zhǔn)確地模仿工作狀態(tài)。

在solid works中建立防氣鎖閥套件模型時(shí)，根據(jù)上述原則做出以下處理：1）嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模；2）由于下防氣鎖閥罩固定于抽油泵泵筒壁，因此可將下防氣鎖閥罩視為固定端，將下防氣鎖閥視為自由端；3）部分相對復(fù)雜但又對整體分析無太多影響的部位如螺紋等，在建立模型階段可忽略。

2.1.2 防氣鎖閥套件有限元模型單元分析

依據(jù)防氣鎖閥罩設(shè)計(jì)要求選用鋼材，下防氣鎖閥的主要材料為45鋼。相較而言，45鋼具有高強(qiáng)度和好的切削加工特性，易于加工和選材，冷塑性一般，在套件制作過程中，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，可以獲得較好的韌性、耐磨性和塑性。45鋼的彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.269，密度ρ=7.89×10-9kg·mm-3。

下防氣鎖閥座的主要材料為9Cr18Mo。9Cr18Mo不銹鋼是一種馬氏體，具有較好的力學(xué)性能和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空器材零件制造。9Cr18Mo的彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-9kg·mm-3。將材料特性輸入ANSYS靜力學(xué)分析模塊中，當(dāng)施加正確的力時(shí)，模型可以做出正確的反應(yīng)，以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和應(yīng)力應(yīng)變變化。

2.1.3 防氣鎖閥套件有限元模型的創(chuàng)建

本文所描述的防氣鎖閥套件由下防氣鎖閥和一個(gè)下防氣鎖閥罩組成，下防氣鎖閥豎直放入防氣鎖閥罩中，在液柱壓力下形成環(huán)形密封。應(yīng)用solid works軟件對套件進(jìn)行三維建模，在建模過程中，由于螺紋結(jié)構(gòu)對計(jì)算分析結(jié)果幾乎沒有影響，因此將防氣鎖閥罩下端螺紋結(jié)構(gòu)省略，簡化建模并且導(dǎo)入ANSYS軟件，應(yīng)用workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析[4]。導(dǎo)入模型如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入模型

2.2 防氣鎖閥套件有限元分析

將防氣鎖閥套件實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件后，對整個(gè)套件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了獲得準(zhǔn)確結(jié)果同時(shí)又方便計(jì)算，采取中等程度的網(wǎng)格劃分，一共生成11234個(gè)節(jié)點(diǎn)，5735個(gè)單元。網(wǎng)格劃分后，防氣鎖套件的三維實(shí)體模型如圖4所示，防氣鎖閥的三維實(shí)體模型如圖5所示。

圖4 劃分網(wǎng)格后的套件三維模型

圖5 劃分網(wǎng)格后的防氣鎖閥三維模型

選取合適的網(wǎng)格并完成劃分后，針對實(shí)際工況的真實(shí)條件，對系統(tǒng)加載各項(xiàng)要素，在防氣鎖閥與閥罩之間加載摩擦接觸，將閥罩視為固定端并進(jìn)行約束，對防氣鎖閥半球形閥體上端平面加載向下的壓力，壓力大小為1000Pa。將防氣鎖閥與閥座壓緊，以模擬液柱對球閥的壓力。經(jīng)過求解，總體形變?nèi)鐖D6所示，防氣鎖閥等效彈性應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，總體等效應(yīng)力如圖8所示。

圖6 防氣鎖閥套件總體形變圖

圖7 防氣鎖閥等效彈性應(yīng)變圖

圖8 總體等效應(yīng)力圖

由圖6～圖8可知，防氣鎖閥套件發(fā)生最大形變的位置是半球形閥體與閥座相接觸密封的位置。半球形閥以及閥座密封端均發(fā)生不同程度的形變，閥座上的最大應(yīng)力值為1224Pa，最大形變量為1.94×10-8m，最大彈性應(yīng)變?yōu)?.87×10-8J。由結(jié)果可知，套件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，材料選取合適，且性能優(yōu)異，造價(jià)低，適合生產(chǎn)實(shí)際。

3 結(jié)語

抽油泵作為油田生產(chǎn)工具中最重要的環(huán)節(jié)之一，其耐用性及可靠性，是油井高效低成本運(yùn)行且有效生產(chǎn)的關(guān)鍵。防氣鎖閥套件作為防卡防氣抽油泵的核心部件，其簡明的設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)的用料和優(yōu)異的性能，關(guān)系到泵體使用過程的質(zhì)量。本文應(yīng)用ANSYS軟件的workbench部分，對防氣鎖閥套件進(jìn)行靜力學(xué)分析，為防氣鎖閥以及閥罩的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。