CYJ1850型抽油机支架的疲劳寿命分析及结构改进

2016-05-23张益鸣

长江大学学报(自科版) 2016年10期

关键词：应力集中疲劳寿命有限元分析

张益鸣

(中国石油集团济柴动力总厂成都压缩机厂，四川成都 610100)

郭登明，蒋波，左彩灵，周靖力

(长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

杨卫星，颜丙山

(吐哈石油勘探开发指挥部机械厂，新疆哈密 839009)

CYJ1850型抽油机支架的疲劳寿命分析及结构改进

张益鸣

(中国石油集团济柴动力总厂成都压缩机厂，四川成都 610100)

郭登明，蒋波，左彩灵，周靖力

(长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

杨卫星，颜丙山

(吐哈石油勘探开发指挥部机械厂，新疆哈密 839009)

[摘要]国内某油田使用的大型抽油机CYJ1850，其支架作为主要的承载构件在使用的过程中发生了疲劳失效的情况。为了减少和规避因疲劳失效问题造成的事故，运用ANSYS软件通过对该型抽油机支架进行有限元分析，验证了支架的静强度及刚度。根据计算结果完成了对该型抽油机支架的结构改进，并对改进前后的抽油机支架进行有限元分析和疲劳寿命分析。分析结果表明，改进后该型抽油机支架的等效应力大幅下降，满足了静强度要求；疲劳寿命也大幅增加，达到了规定的寿命要求。

[关键词]抽油机；疲劳寿命；有限元分析；应力集中

当前，我国各大油田使用的抽油机经常出现各种问题，抽油机的金属构件发生疲劳破坏是最常见的现象，这对油田的正常开采会造成严重的后果。据统计，在机械设备各类承载构件的失效中大约有80%是因为疲劳断裂[1]所造成的，进而导致一系列灾难性事故的发生。抽油机是由一种典型的往复运动机构构成，受力构件都存在疲劳失效问题，其使用寿命很大程度上取决于主要承载构件的寿命。而其中支架的破坏则意味着整机不能正常工作，往往造成巨大的事故和损失，所以针对抽油机支架进行疲劳寿命分析[2,3]具有一定的实际意义。国内某油田使用的CYJ1850型抽油机悬点载荷180kN，冲程长度为5m，减速器额定扭矩为105kN·m，该型抽油机在投入使用后，在满足静强度条件下，抽油机支架的关键部件发生了不同程度的疲劳损坏，严重影响了油田的正常生产。笔者以有限元ANSYS Workbench软件为工具，分析CYJ1850型抽油机支架在类似实际工作条件之下的寿命，并根据结果对支架结构进行改进[4]和优化，使其静强度和寿命得到良好的改善。

1抽油机支架改进前的强度分析

1.1支架结构模型的建立

CYJ1850型抽油机支架采用四腿结构，前后主腿使用单根32a工字钢，斜撑与横撑使用32a槽钢，主腿和后撑的高度差为1850mm。在有限元分析中首先要对支架进行适当的简化，如螺栓等无关分析零件可以忽略。为了尽量减少误差，支架的主腿用设计时的工字钢，在支架轴承座与主腿之间使用刚性板连接。简化支架轴承座，用刚性板代替支架轴承座。根据力学原理，对顶板和侧板的简化，计算结果处于安全范围，而对支架轴承座的简化并不影响计算结果。

1.2单元选择与网格的划分

由于抽油机支架结构相对复杂，主要由主腿、顶板、连接板、侧板和横撑组成。采用梁单元Shell63(模拟主腿与横撑)与板壳单元Beam188(模拟顶板、连接板、侧板)构建有限元模型。设定控制尺寸划分网格，板壳精度为20mm，梁单元精度为50mm。网格划分后共有11560个节点和50753个单元。有限元网格划分如图1所示。

1.3材料属性的设置

图1　支架的有限元网格模型

抽油机支架的材料为Q235A,定义支架的材料属性用默认的Structure Steel。默认弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3。

1.4设定边界条件及施加载荷

对于支架的边界条件，一般是采用将前后腿底板全约束。抽油机支架受到的力是由顶板上的轴承座施加的，将此力沿垂直方向和水平方向分解为垂直支座力FY和水平支座力FX。FY加载在顶板处，方向始终垂直顶板向下，FX作用在顶板内孔处，方向沿顶板平面。FX为正时方向后腿指向前腿，FY为负时方向前腿指向后腿。

1.5支架的有限元分析

抽油机支架受支座力FY和FX的位置不变，大小改变。根据抽油机运行时所得到的数据确定支架上的应力的2种极限情况：应力最大时的工况1(曲柄转角θ=180°)和应力最小时的工况2(曲柄转角θ=300°)。表1为这2种工况下的有限元分析结果。

表1　支架2种工况有限元分析

该抽油机支架材料为Q235A，屈服应力σs=235MPa，许用应力[σ]=160MPa。按照工况1、工况2的位移变形图得到该支架的最大位移为3.80mm。根据标准SY/T 5212—2000《游梁式抽油机质量分等》，抽油机冲程长度为5.13m 时，支架顶部纵向振幅为7.00mm,顶部横向振幅为6.00mm,该支架刚度满足要求。按照工况1、2的等效应力云图得到该支架的最大应力为206.70MPa，大于其许用应力。因此，该抽油机支架满足刚度要求，但不满足静强度[5]要求。

2抽油机支架改进前的寿命分析

2.1支架寿命计算

疲劳分类有多种方式，实际统计数据资料显示，抽油机的疲劳属于高周疲劳问题，因此支架疲劳寿命设计时可采用名义应力法[6]。名义应力法是一种传统的安全寿命估算方法，它的出发点是构件危险点的名义应力。在计算时，将材料或构件看成是一个理想的连续体，且所受的载荷较小，应力与应变成某种线性关系。

已知材料Q235A疲劳极限σ-1=196.72MPa，由于材料应力幅值为σa(-1)=209.96MPa，大于材料疲劳极限，所以根据P-S-N曲线的通用表达式：

lgNp=ap+bplgσa(-1)(σa(-1)≥σ-1)

当可靠度为p=99.9%时，ap=36.37，bp=-12.8。此时求得危险处的循环次数为：

lgNp=36.37-12.8lg209.96Np=4.4×106

式中，Np为循环次数；ap、bp为材料Q235A在可靠度p下的系数值。

又因为该型抽油机最不利工况冲次为3r/min，即相当于其寿命为2.81a，根据石油天然气行业规定，该型抽油机支架并不符合其15a的疲劳要求。

图2　Q235A的S-N曲线示意图

2.2支架寿命有限元分析

为了支架的安全，取可靠度为p=99.9%的疲劳寿命曲线，得到材料Q235A的S-N曲线如图2 所示。图2中曲线是以双对数形式表现，在寿命大于107时，可以看到图2中的曲线斜率有一定的减小。

经过Ansys Workbench软件疲劳寿命分析[7]之后，可以得到该模型的疲劳计算结果。图3为计算的该模型的对数寿命云图。通过图3可知，图3中侧板最小寿命为4.20×106次循环，也即是侧板应力最大处。通过公式计算求得侧板危险处有4.4×106次循环，与软件计算结果4.2×106次相差较小，相对误差为5.4%。无论是公式计算还是软件分析结果都表明，该抽油机支架不满足疲劳寿命要求，需要改进。

图3　支架侧板顶部局部寿命云图

3抽油机支架的改进方案

由于支架原有的结构满足不了其强度及寿命的要求，因此提出支架的改进方案为：主腿采用36a的工字钢取代原有的32a的工字钢，主腿横撑和斜撑全部采用36a的槽钢；后撑采用32a的工字钢，主腿和后撑的高度差仍为1850mm。制作时将前腿和后撑分开，现场安装时将支架后撑按要求组装并锁紧即可。侧板与前主腿之间补上一块连接板，起稳定加固作用。

4支架改进后的强度和寿命分析

图4为改进后支架的位移云图。从图4可知，当最大载荷时，支架整体的最大位移分布位于支架的顶部，为3.00mm，位移量较小，符合石油天然气行业标准。图5为改进后支架等效应力云图，从图5可知，当最大载荷时，支架整体的最大应力为115.63MPa，位置在支架侧板与顶板接触位置，主要是局部载荷大、出现应力集中造成的。最大应力小于材料Q235A的许用应力[σ]=160MPa，符合强度要求。图6为改进后支架侧板寿命云图。从图6可知，支架的最小寿命为4.82×107次循环，约为30.56a，位于侧板与顶板接触处，也即为应力最大处。能够满足抽油机支架15a的寿命要求。

图4　改进后支架的位移云图　　　　　　　　　　　　　图5　改进后支架等效应力云图

图6　改进后支架侧板寿命云图

表2为改进前后抽油机支架的结果分析和对比，从中可以发现改进前支架既不满足强度要求，也不满足寿命要求。改进后，各关键部件等效应力下降，全部满足许用应力要求，寿命也大幅增加，满足了15a的寿命要求。

表2　支架改进前后分析结果对比

5结语

应用有限元法和名义应力法对CYJ1850型抽油机支架的静强度和寿命进行了深入分析和评估，发现其支架的强度和寿命都不满足要求。因此提出了该型抽油机支架的改进方案，并对改进后的支架结构重新进行静强度和寿命的分析和验证。验证结果表明，支架结构改进后，等效应力大幅下降，满足了许用应力要求；支架寿命大幅增加，满足了15a的寿命要求。根据该型抽油机的油田运行情况反馈，抽油机支架的疲劳失效情况得到了极大改善，证明改进方案可行并有效。

[参考文献]

[1]陈传尧. 疲劳与断裂[M] . 武汉：华中科技大学出版社，2002.

[2] 龙靖宇. 机械设备焊接结构的疲劳寿命研究[J].煤矿机械，2005(6)：15～17.

[3] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M].北京：国防工业出版社，2003.

[4] 郭登明，余鹏，严坤. CYJW18-5.0-105HF抽油机改进设计[J] .湛江师范学院学报，2013，34(3)：129～133.

[5] 王德俊，何雪宏. 现代机械强度理论及应用[M]．北京：科学出版社，2003.

[6] 董志航，廖志忠. 理论应力集中系数的有限元求法[J] . 航空兵器,2005(3)：15～7.

[7] Heyes P J . 基于有限元的疲劳设计分析系统 MSC/FATIGUE[J] .林晓斌译.中国机械工程，1998，9(11)： 12～16.

[编辑]赵宏敏

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)10-0072-05

[中图分类号]TE933