双驴头抽油机柔性连杆断裂机理分析

许冯平，周 延，赵志聪

（东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆163318）①

双驴头抽油机有很好的节能效果，尤其是后驴头型面曲线为阿基米德螺旋线的双驴头抽油机，在大庆油田和胜利油田得到了较广泛的应用［1－8］，但在应用中也发现了一些问题。根据双驴头抽油机在大庆油田等单位使用数据的统计分析发现，后驴头柔性连杆破坏的概率非常大［9］，如表1。

影响柔性连杆使用寿命的因素有多种，如使用安装问题、柔性连杆性能和材质问题以及疲劳等。本文针对后驴头型面曲线为阿基米德螺旋线的双驴头抽油机，从后驴头型面尺寸参数的角度分析柔性连杆的断裂机理。

为此，首先应完成后驴头型面曲线为阿基米德螺旋线的双驴头抽油机的位置分析；其次对发生故障的双驴头抽油机进行改进设计，完成后驴头型面参数的优化设计。

表1 柔性连杆失效统计

1 变尺度连杆机构位置分析模型

如图1，后驴头型面O2T为阿基米德螺线，游梁支点设置为坐标系原点O，O1为曲柄旋转中心，O2为后驴头型面曲线极点，O2A为阿基米德螺线O2T的极轴。

后驴头阿基米德螺旋线型面参数为：OO2为极心距b；阿基米德螺旋线常数为e；O2A与OO2的夹角为ε。

抽油机结构参数：R为曲柄半径，mm；I为机架OO1水平投影，mm；H为机架垂直投影，mm；C为游梁后臂长，mm；L为游梁前臂长，mm；Lmin为最小连杆长，mm；θo为上冲程初始角，（°）；λ为极位夹角，（°）；γo为游梁最大摆角的1/2，（°）。

图1 后驴头型面为阿基米德螺旋线双驴头抽油机模型

当曲柄为任意转角θ时，有

式中：

由式（1）～（2）可解得该位置时的ξ，ξ为此时阿基米德螺线与连杆BT切点处的极角。

上述模型中的ξb由以下模型求得（如图1），处于下死点位置时游梁后臂长处于最大值，有

其中

同时

由式（3）～（4）可解得ξb，ξb为游梁处于下死点位置时阿基米德螺线与连杆BT切点处的极角。

在求得以上参数后，则任意瞬时∠2可按以下模型求得，由图中的各角度关系得

则，任意θ时刻，B、T点坐标分别为

据此可以得到任意曲柄转角θ时，变尺度曲柄摇杆机构的位置关系，即柔性连杆BT与后驴头型面OO2T的位置关系。

2 变尺度连杆机构优化设计模型

优化设计是针对原设计后驴头型面驴嘴磕咬柔性连杆缺陷的技术改进措施，即在保证原结构尺寸不变或较小变化的条件下，优化后驴头阿基米德螺旋线型面参数，而使最大转矩因数最小为优化的目标函数，其模型为

式中：X＝（x1，x2，…，x8）T＝（R，I，H，A，b，e，ε，L）T，各变量意义同前。

模型中的约束条件主要包括：

1） 结构性干涉条件 例如横梁与曲柄平衡块的干涉、横梁和后驴头的干涉、后驴头和支架的干涉、前驴头和支架的干涉等。

2） 各参量界限的约束 例如极位夹角、初始角、游梁摆角、柔性连杆长度、冲程长度等。

3） 协调性约束 例如柔性连杆与后驴头型面曲线（阿基米德螺旋线）总是相切关系、曲柄摇杆机构四边形总是存在等，该部分内容已有较多的研究［1，7－9］，在此不赘述。

3 实例分析

以某10型抽油机为例，分析其柔性连杆断裂的原因，原设计参数和优化后的参数如表2。

表2 某10型抽油机设计参数

按上述模型绘制的柔性连杆机构处于（含后驴头型面曲线）上下死点位置时各构件位置关系如图2。

图2 柔性连杆机构处于上下死点位置时各构件位置关系

由图2可见：当处于下死点位置时，原设计柔性连杆与后驴头型面不相切。且柔性连杆处于后驴头驴嘴里，这就造成连续工作时，后驴头驴嘴总是磕咬柔性连杆，从而造成柔性连杆断裂；当处于上死点位置时，两者也不相切，这时柔性连杆与后驴头型面干涉，只造成柔性连杆受力变恶劣，不会发生磕咬现象；在其他位置时，两者都是相切的，为节省篇幅，没有列出其位置图。

优化设计后，情况得到了极大改善，当处于上、下死点位置时，柔性连杆与后驴头型面都几乎相切，且在下死点位置时，柔性连杆位于后驴头驴嘴外，不会发生磕咬现象，柔性连杆受力也不会变恶劣。分析表明：发生磕咬现象的主要原因是ξb过小造成的；同理，在其他时刻柔性连杆都能与后驴头相切；除此以外，应尽量增加后驴头型面曲线的曲率半径，以降低柔性连杆的弯曲应力。优化设计后的机型很好地做到了这一点。

4 结论

根据油田现场调研的统计资料，双驴头抽油机柔性连杆经常发生磕咬断裂的现象。本文建立了针对后驴头型面曲线为阿基米德螺旋线的双驴头抽油机柔性连杆断裂机理分析模型。通过实例分析，给出了原设计机型柔性连杆经常发生断裂的原因，在不发生结构尺寸较大变化的基础上，给出了改进设计。分析结果表明，改进后的机型可以避免该断裂现象的发生。该研究成果已经应用到油田实际生产中。

［1］ 刘健，綦耀光，肖世宏，等.阿基米德螺线双驴头抽油机优化设计［J］.石油矿场机械，2001，30（3）：14－17.

［2］ 綦耀光，刘健，肖世宏，等.后驴头为圆弧的双驴头抽油机运动与动力分析［J］.石油矿场机械，2001，30（增刊）：24－28.

［3］ 高凤云.常规抽油机改造为双驴头抽油机的设计与实践［J］.石油机械，2002（7）：50－52.

［4］ 綦耀升.双驴头抽油机现场使用中存在问题的改进［J］.石油机械，2004（7）：46－48.

［5］ 戴杨，陆玲，高学仕.双驴头抽油机的运动与动力特性分析［J］.机械设计，2004（1）：26－28.

［6］ 刘华博，刘娇霞，孙鹤，等.常规机、双驴头抽油机运动动力特性对比分析［C］.北京：力学学会第19届学术年会论文集，2013：577－579.

［7］ 邹龙庆，宋振华.双驴头抽油机优化设计与运动学仿真分析［J］.石油矿场机械，2012，41（6）：21－25.

［8］ 崔晓华，梁柱，邹龙庆，等.基于Solid Works的双驴头抽油机支架三维建模及结构优化［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：42－44.

［9］ 大庆市科学技术委员会.双驴头抽油机可靠性研究报告［Z］.2007.