浅析双驴头抽油机驴头强度校核

摘 要：双驴头抽油机在现场使用时，经常出现驴头开裂现象，针对这一问题，对驴头和游梁进行三维建模，用有限元分析软件对驴头进行分析，确定驴头强度。

关键词：双驴头抽油机；驴头；游梁；三维建模；有限元；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.080

双驴头抽油机有别于游梁式抽油机，它是在常规游梁式抽油机的结构上进行设计的，双驴头抽油机是在游梁后臂加装后驴头，用吊绳替代连杆连接。这种设计改变了游梁与连杆之间的连接方式，改变了传力特性，改善了抽油机的性能。它除了具有结构简单，适用性强，运行可靠，工作寿命长，维护方便等常规游梁式机的优点，同时还具有附加动载荷小，有较好的节能效果等优点，是一种应用于油田的节能型地面采油设备。

双驴头抽油机在现场使用过程中出现了一些问题，針对出现的问题，我们在现场实地考察，将常出现的问题进行归类，驴头游梁在使用中多次出现开裂的情况，针对这种情况，我们选择常用的抽油机型号进行研究。在研究中对抽油机出现故障的部件做三维建模，进行有限元分析和疲劳寿命计算，依据理论分析和计算结果，并根据现场使用情况提出改进措施。

1 模型

1.1 建立三维模型

依据图纸建三维模型。游梁主体是方箱形结构，由钢板焊接而成，在游梁中间焊接支有支架，与支架上的轴承座相连。前驴头和后驴头均为钢板焊接而成。前驴头在驴头两侧有调节螺栓，用来调节驴头左右对称情况。后驴头在侧板上有连接孔，用销轴来连接游梁，销轴用压板固定。

用CATIA软件建立双驴头抽油机前、后驴头和游梁的三维模型。材料使用钢材Q235-B，钢材的弹性模量值取210×106Pa，泊松比值取0.3。

1.2 确定边界条件

依据前、后驴头和游梁的结构确定边界条件，前驴头与游梁是固定约束，使用软件的固结联接，后驴头与游梁是接触约束，使用软件的接触联结。游梁与固定支架连接的轴是故支约束。在理想状态下，前、后驴头和游梁受三个载荷：前、后驴头吊绳拉力和部件的自重载荷。

根据示功图，前驴头在最大及最小工作载荷时受力情况见下表。

对最大载荷和最小载荷位置分别进行有限元计算。

1.3 有限元网格

有限元网格采用四面体单元，采用catia软件内的有限元分析功能，自动划分有限元网格。由于自动划分的网格在处理固结联接时，可能不匹配，在计算过程中，对不匹配的零件进行了手动单元划分。模型网格及所受载荷条件如图1所示。

2 对部件进行应力分析

2.1 最大载荷时的应力分布

根据示功图，前驴头在最大工作载荷为64kN时，曲柄转角为25?，连杆长3121mm，后臂长2299mm。

图2为最大载荷时的应力分布图，前、后驴头上的应力最大值区域位于驴头与游梁的连接处。游梁上在游梁与支架的连接位置处应力最大值。除局部应力稍大外，模型大部分区域的应力值都不高，低于50MPa。

从部件承受最大载荷时的应力分析中可以得知，承受最大载荷时，应力集中现象产生在驴头与游梁连接处，应力值为168MPa，这部分结构需要加强。

2.2 最小载荷工况时的应力分布

根据示功图，在悬点最小工作载荷为11.2KN时，曲柄转角为220?，连杆长为5899mm，后臂长为1601mm。

对驴头和游梁组合的部件进行应力分析时，在最小载荷时部件的应力分布图上可以看到，部件最大应力为96MPa。从分析得到的总体应力图上看，应力值最大的部位在前驴头与游梁的连接处。游梁上应力最大值区域在游梁与支架连接处。部件大部分区域的应力值较低，小于20MP。

从上述结构及各部件的应力分布图中可以看出，结构的最大应力均出现在驴头与游梁的连接部位，这也是受力较大的部位，有局部的应力集中，这应该是连接部位容易出现故障的主要原因。

3 疲劳寿命计算

此次选用的双驴头抽油机的冲次为4、6、8次/分，在计算时按最大冲次8次/分计算，那么一年的冲次为8×60×24×365=4204800次（一年按365天计算）。驴头和游梁的材料选用Q235-B，抗拉强度Su=375MPa.

疲劳寿命计算公式为N=10（1.3-s/375） ×7.5

通过计算得到部件疲劳寿命如下表：

4 结论

上述应力分析和计算都是在理想状态下得到的。实际工作中会有多种情况出现。根据计算及现场出现的问题得到如下结论及改进措施：

（1）后驴头在模型应力分析中最大应力值为91MPa，位于游梁与后驴头的联接处，在此处有局部应力集中现象。在使用过程中，游梁与后驴头连接处出现过开裂现象，此处开裂现象很可能是应力集中引起的。因此在设计中提高这个连接部位的整体强度，减轻应力集中现象。

（2）在后驴头与游梁结构中，联接处应力值较高，其它地方应力值不高。在后驴头和游梁结构中联接处应力值较大是此处产生开裂的主要原因，在设计时要对联结处提高强度。

（3）在其他焊接部位，也有应力集中现象。但应力值不大，应力集中度不高。通过计算得出的零件疲劳寿命也较高。这些焊接部位在使用时产生的开裂故障，不是由疲劳造成的开裂，很可能是焊接质量不高产生的问题。

（4）改进措施：驴头和游梁连接部位在设计时增加强度，补焊加强板；提高焊接部位的焊接质量，质量监督部门应将焊缝检验标准提高；在安装时注意对中，安装不对中会使驴头所受载荷发生改变，从而引起驴头开裂。

改进后，驴头的使用寿命显著提高。

作者简介：杨晓兰（1972-），女，江苏东台人，硕士，高级工程师，教师，研究方向：油田设备维护。