抽油机驴头销装配可靠性研究

抽油机驴头销装配可靠性研究

李蛟真1，李雪婵2

1.中国石化中原油田分公司第四采油厂（河南濮阳457176）

2.北京林业大学工学院（北京100083）

为提高游梁式抽油机驴头销装配可靠性，建模分析了位置偏差对装配性质的影响。指出，用尺寸偏差代偿位置偏差完成装配属于非刚性连接。阐述了非刚性连接加载后，驴头变形会使销与孔产生相对摩擦运动，进而产生形状偏差而椭圆化，引发非连续性旷动，影响抽油机安全平稳运行，最后给出了两种有效提高装配可靠性的方法。

抽油机；膨胀式驴头销；力偶装置；可靠性

石油开采中，游梁式抽油机的驴头与游梁多采用两侧上、下同轴的4个圆柱销连接。当修井需要驴头让位时，拆下任意一侧上、下两个连接销，以另一侧上、下两个同轴的连接销为中心，将驴头向有连接销的方向侧转180度（图1），即可完成驴头让位动作[1]。驴头销装配公差的大小，在生产现场是一个两难问题。过紧时，传统的锤击方法砸不掉驴头销子，就得动用吊车将抽油机游梁与驴头整体拆除，增加工作量和作业成本[2]。偏松时，因定位不可靠，会出现驴头震动异响、销与孔磨损、雨天有水击声，甚至驴头撕裂。为了解决这个问题，我们对影响装配性质的主要因素进行了研究，并在生产应用中找到了较好的解决办法。

1 位置偏差对装配性质的影响

4销定位的装配，必须考虑位置公差、形状公差对配合性质的影响[3]，对于新机装配，通常位置公差比形状公差影响更大。4组孔因水平坐标的位置偏差，会产生不同轴问题，且4组孔轴线的倾斜和偏移，通常不是简单的同一方向，偏差总量不能简单相加，而是空间矢量上的叠加。

以proe中抽油机游梁与驴头的Φ80销孔模型为例（图2）。孔1、孔2、孔3、孔4为游梁耳孔，孔5、孔6、孔7、孔8为驴头耳孔，假设8个孔与4个销均没有尺寸偏差与形状偏差，仅8个孔间存在位置偏差。

图1 驴头侧转

孔1为孔2、孔3、孔4的基准孔，孔1、孔2的上平面为孔3、孔4上平面的基准面，位置偏差见表1。

孔5为孔6、孔7、孔8的基准孔，孔5、孔6的上平面为孔7、孔8上平面的基准面，位置偏差见表2。

由装配模型的间隙数据分析可知，以销1装配为基准（图2），其间隙与干涉为零。销2（图3）、销3（图4）、销4（图5）的装配，因孔位置偏差造成不同轴，均存在间隙与干涉。要在驴头与孔板不扭转变形条件下实现零配合，生产现场上必须用尺寸偏差置换位置偏差，也就是减小销子直径（表3）以代偿孔的同轴度位置偏差，表3中的销2、销3、销4直径减小值总和，可以随机分摊到4个销子上。

表1 游梁孔位置偏差数据表

表2 驴头孔位置偏差数据表

图2 游梁与驴头销孔装配模拟图

图3 销2装配数据分析

2 尺寸偏差代偿法在加载后产生的形状偏差危害

减小销子直径，用尺寸偏差代偿位置偏差，最直接的后果就是形成非刚性连接[4]。事实上对于大型抽油机，质量、体积与铆焊的加工制造误差都较大，本身装配难度就大，在野外生产条件下，测量同轴度以及运行磨损后的形状偏差更难做到，另外储备大量不同尺寸的销子，也会推高生产成本，延误生产作业时间。现场上为了顺利完成拆、装工作，多数采取与前面理论分析时相反的顺序，即销4、销3、销2先用较大间隙H8/d8配合，销1最后采用小过盈装配，有时甚至4个销全部为间隙配合。

表3 销直径

图4 销3装配数据分析

图5 销4装配数据分析

在这种非钢性连接条件下，抽油机运行加载后，驴头自身重力、惯性力，以及井下负荷作用于销孔连接部位的力量，远大于装配时施加在销孔部位的力量，而驴头销附近为应力集中区，部分材料塑性变形后[5]，将使驴头发生复杂的形变，销孔位置偏差随之呈复杂的动态变化，销与孔就会产生相对运动，在摩擦机理作用下，使销与孔椭圆化而产生越来越大的形状公差，导致驴头非连续性旷动，在每日数千个冲次的反复作用下，非连续性旷动的隐患越来越大，可靠性就会越来越差。

3 解决销与孔相对运动的对策

3.1 驴头预紧力偶装置的研究

为克服销与孔的相对运动，大型抽油机通常在游梁上部前端靠近上驴头销的中间位置，设计一个驴头顶丝，在驴头销组装完成后，扭紧顶丝，对驴头施加一个预紧力，使驴头在垂直空间上产生一个与井下负荷等外力作用方向相同的旋转力矩，以求提前消除驴头加载形变对装配效果产生的不利影响。现场应用表明，顶丝预紧力只对强化上部两组驴头销的装配效果起作用，对下部两组驴头销的作用效果很弱。预紧力在驴头上为非均质传导，它首先克服的是上部两组销孔同轴度偏差形变的反作用力，作用于下部两组驴头销孔的力量仅为残余力量，当驴头过水平中点向下运行时，驴头自重力作用于下驴头销的力矩方向与此残余力量方向相反，抵减以后预紧力矩的方向不确定，则下部两组驴头销与孔的相对运动就会依然存在。

要消除下部两组驴头销与孔的相对运动，可在游梁下部靠近下驴头销的中间位置，加装一个驴头拉紧装置，与驴头顶丝组成一个力偶装置（图6）。拉紧装置由拉力螺栓、受力螺母、锁紧螺母、光孔底座4部分组成。受力螺母焊接在驴头下销孔中间，光孔底座焊接在游梁下端前部相应位置，拉力螺栓从光孔中穿过后连接到受力螺母，锁紧螺母扭力越大，把驴头拉向游梁的拉力越大。下销孔处的拉力与上销孔处顶丝的顶力方向相反，与负载加于驴头上的旋转力矩方向相同，即使在生产中负载换向的瞬间，也可平衡驴头自重和惯性产生的反方向力矩，从而消减相对运动与磨损形变。

图6 驴头预紧力偶装置示意图

驴头预紧力偶装置在现场推广应用30余套，对于解决下驴头销旷动的效果非常明显，其改装成本不足100元，改装时间不超过1h。对于下销旷动严重而又不具备大修理条件的，在下部2个驴头销对应位置分别加装一个驴头拉紧装置，效果更好。

3.2 膨胀式驴头销的研究

要减轻驴头销与孔的相对运动问题，还应在驴头销的直径尺寸上做工作，尽力使销、孔公差接近零配合或小过盈，但野外生产条件下，测量、匹配合适尺寸的驴头销，操作难度较大，且生产成本较高。为了实现免测量条件下，快速匹配合适尺寸的驴头销，我们将一体式圆柱形驴头销改成分体式锥台形膨胀销，使外径尺寸具备可调性。

膨胀式驴头销[6]（图7）由外锥形本体、内锥形衬套、调整垫、螺母组成。外锥与内锥的锥度均为1：32，径向尺寸有0～3mm的调整量。内锥套大端壁厚不超过5mm，沿轴线方向割1～3mm宽伸缩缝，保证内锥套胀开力度适中，同时具备一定的复位性。外锥形本体上端开槽或铣方，用于防止松、紧螺纹时发生连轴转。外锥形本体螺纹的下端部预留一段小于螺纹底径的受力台，用于拆卸外锥形本体时受力而不伤螺纹。

图7 膨胀式驴头销

装配膨胀式驴头销时，首先，将内锥形衬套插入抽油机游梁与驴头的耳板孔中；其次，将外锥形本体插入内锥形衬套中，然后，选择合适厚度的的调整垫，环套在外锥形本体端部；最后，将螺母连接到外锥形端部的公扣螺纹上。转动螺母，外锥形本体在内锥形衬套内作轴向位移，并将其撑开，充满驴头与游梁的销孔，径向膨胀量与轴向位移距离成正比，螺母的松紧程度决定了驴头销的直径大小、装配的松紧程度以及与设定公差的符合程度。拆卸时，首先卸掉螺栓，取下调整垫，即使过盈条件下，由于接合面是锥形，轻击最底端的受力台也可轻易取出外锥形本体，由于纵缝设计保证了复位性，内锥形衬套也可顺利取出，从而完成整个分体式驴头销的拆卸。

膨胀式抽油机驴头销在现场推广应用500余套，通用性非常强，装配现场无需专门测量，安装与拆卸时间均不超过10min，与普通的一体式圆柱销相比，每组材料费用增加200余元，与减少的装配、测量费相比略有节约，对于磨损较重，需要更换或维修驴头、游梁的井，经济效益非常显著，每台可节约1万余元。

4 结论

抽油机驴头的4销定位结构，因销孔位置偏差影响，必须减小驴头销直径，才能以非钢性连接的方式顺利完成拆、装，但加载后驴头变形时，销与孔会产生相对运动，在摩擦机理作用下椭圆化而产生形状偏差，使装配可靠性变差而引发设备损坏。在现场使用膨胀式驴头销与驴头预紧力偶装置，可简化测量与装配工作，能有效解决加载后销与孔的相对运动产生的危害，从而提高抽油机驴头销装配可靠性。

[1]张学鲁,季祥云,罗仁全.游梁式抽油机技术与应用[M].北京:石油工业出版社,2001.

[2]李蛟真,李文星,翟全良,等.抽油机驴头销子取出器[J].石油机械,2010,38(3):78-79.

[3]成大先.机械设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社, 2000.

[4]王康军,季祥云,于胜存,等.大型游梁式抽油机驴头让位方式分析[J].石油矿场机械,2006,35(2):85-86.

[5]李红才,李海东,宋念友.抽油机侧转式驴头改进设计[J].石油矿场机械,2009,38(12):100-102.

[6]李蛟真,陈照林,管菲,等.膨胀式防旷驴头销: ZL201220274709.7[P].2012-06-12.

In order to improve the assembly reliability of the horsehead pin of beam oil pumping unit,the influence of position deviation on the assembly performance was analyzed by modeling.It is pointed out that to compensate the position deviation by dimension deviation is a non rigid connection.It is expounded that after loading,the non rigid connection will lead to the relative movement between pin and hole,and then produces the shape deviation and makes the circular hole become elliptical hole,which results in non continuous shaking and affects the smooth and safe running of the oil pumping unit.Finally,two methods to improve the assembly reliability of the horsehead pin are proposed.

oil pumping unit;expansion horsehead pin;couple device;reliability

贾强

2016-09-13

李蛟真（1973-），男，高级工程师，现从事抽油机安装与维修的管理工作。