賀聰聰 謝俊

(長江大學(xué) 湖北荊州 434023)

參考美國石油學(xué)會(huì)制定的API標(biāo)準(zhǔn)和游梁式抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)[1]，結(jié)合大慶油田井距的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了該系列雙井抽油機(jī)，該系列抽油機(jī)為新型節(jié)能抽油機(jī)。支架體是抽油機(jī)的重要零部件，長期承受交變載荷，支架體的強(qiáng)度和剛度對(duì)抽油機(jī)的穩(wěn)定性有重要影響，需要對(duì)支架體強(qiáng)度進(jìn)行分析[2]。該文以CYJSL6-2.1-26HB 型雙井抽油機(jī)為例，結(jié)合ANSYS Workbench 對(duì)該型號(hào)雙井抽油機(jī)的支架體進(jìn)行有限元分析，分析了支架體在不同位置的應(yīng)力和變形，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制造具有重要參考意義。

1 支架受力分析計(jì)算

1.1 支架體受力分析

CYJSL6-2.1-26HB 雙井抽油機(jī)是以主機(jī)游梁、曲柄、連桿這3 個(gè)部件組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以及主機(jī)游梁傘部、主副機(jī)游梁連接裝置、副機(jī)游梁這3個(gè)零部件組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)[3]。該抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)原理：由電機(jī)將動(dòng)力傳遞給減速器，減速器帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)再帶動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。在抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，支架體受到的力主要是重力、電機(jī)扭矩及懸點(diǎn)載荷。其中包含了支架軸承座、主副機(jī)游梁及主副機(jī)驢頭等部件的重力；電機(jī)扭矩則是電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)時(shí)，連桿游梁裝置對(duì)支架體所產(chǎn)生的力；懸點(diǎn)載荷則是由抽油機(jī)工作時(shí)，抽油機(jī)帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)支架體產(chǎn)生的負(fù)載[4]。抽油機(jī)各個(gè)部件的重力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，所以可以簡化受力分析，只需要考慮懸點(diǎn)載荷及電機(jī)扭矩對(duì)抽油機(jī)支架強(qiáng)度的影響[5]。

1.2 支架體受力計(jì)算

支架體受載圖如圖1所示，F(xiàn)1為主懸點(diǎn)載荷，F(xiàn)2為連桿力，F(xiàn)3和為主副機(jī)連接裝置上的內(nèi)力，F(xiàn)4為副懸點(diǎn)載荷，F(xiàn)x1和Fy1是前支架軸承座的受力，F(xiàn)x2和Fy2是后支架軸承座的受力。已知主懸點(diǎn)載荷、副懸點(diǎn)載荷各個(gè)桿件之間的夾角、各個(gè)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(jī)受力簡圖

由上述各式可以得到下列公式。

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

由編譯好的計(jì)算程序可得到抽油機(jī)最危險(xiǎn)工況的位置，并計(jì)算出最危險(xiǎn)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(jī)計(jì)算程序結(jié)果可以看出，在曲柄轉(zhuǎn)角在0°時(shí)，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(shí)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(yuǎn)，前支架軸承座的受力越小，整體呈減小趨勢。在曲柄轉(zhuǎn)角在186.26°時(shí)，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(shí)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(yuǎn)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(wǎng)格劃分

2.1 支架體模型構(gòu)建

參考ANSYS Workbench 19.0基礎(chǔ)入門與工程實(shí)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(jī)的支架體簡化三維模型如圖2 所示[8]。圖2 中抽油機(jī)支架采用雙層結(jié)構(gòu)，上下支架體采用四支腿設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)使得抽油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、耗材小。抽油機(jī)支架體使用的材料是Q345B結(jié)構(gòu)鋼，通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)支架體模型

2.2 支架體網(wǎng)格劃分

支架體的受力來源于支架軸承座，對(duì)支架體施加載荷時(shí)，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(gè)整體，故需利用Workbench中的Design Modeler坐標(biāo)系對(duì)支架體頂板添加印記面。

支架體結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(qiáng)板，下支架體的加強(qiáng)梁采用的是16a 槽鋼和角鋼16#。支架體使用了較多的型材，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故對(duì)支架體的網(wǎng)格劃分采用不同的網(wǎng)格劃分方式。對(duì)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(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格精度取20 mm，對(duì)于加強(qiáng)板、頂板則采用六面體網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格精度為10 mm。劃分好的網(wǎng)格有191 729個(gè)單元，有532 031個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分好的網(wǎng)格圖見圖3[10-11]。

圖3 CYJSL6-2.1-26HB雙井抽油機(jī)支架體網(wǎng)格

3 支架有限元分析

將表1中支架體受到的載荷數(shù)據(jù)分別加載到支架體上，通過軟件計(jì)算可以得到支架體在最近位置和最遠(yuǎn)地方支架體所受到的等效應(yīng)力和總變形，其軟件計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)角0°時(shí)，支架體受到最大等效應(yīng)力為225.17 MPa，最大總變形為1.013 mm，最大變形位置處于左補(bǔ)強(qiáng)板的左下角，最大等效應(yīng)變位于左補(bǔ)強(qiáng)板的右下角。在兩支架軸承座相距450 mm 曲柄轉(zhuǎn)角186.26°時(shí)，支架體受到的最大等效應(yīng)變?yōu)?99.9 MPa，最大總變形為1.441 2 mm，最大等效應(yīng)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(zhuǎn)角0°時(shí)，支架體受到的最大等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)力云圖

4 結(jié)語

兩支架軸承座相距450 mm 和相距750 mm 對(duì)比，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角處于0°時(shí)，支架體受到的最大等效應(yīng)力變小，最大總變形增大，在曲柄轉(zhuǎn)角處于186.26°時(shí)，支架體受到的等效應(yīng)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(qiáng)度都滿足要求。