基于ANSYS的防卡防气抽油泵防气锁结构有限元分析

刘 钊

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

抽油泵是抽油机系统内的关键结构，随着有杆泵使用比率的增加，新型抽油泵的设计与研发已经形成规范的体系[1]。作为抽油系统的关键部分，提高抽油泵在不同工况下的适应性以及工作效率，降低抽油泵的故障率，提高工作的稳定性，可以大幅度提高油田的生产效率。本文应用ANSYS分析软件，对防气锁阀套件进行静力学分析，为防气锁阀与防气锁阀罩的设计提供理论支持[2]。

1 防卡防气抽油泵的主要结构组成

防卡防气抽油泵主要由泵筒、柱塞、泵阀、阀罩、防气结构、防卡结构等组成，其主要结构如图1所示。其中主要结构包括下防气锁阀罩、下防气锁阀座、下防气锁阀、下导向块、柱塞、泵筒、出油阀尔座、出油阀尔罩、拉杆、套筒、上防气锁阀上推块、刮砂环、固定阀尔座、固定阀尔球、固定阀尔罩。

图1 新型防卡防气抽油泵主要结构图

其中，防气锁阀结构套件是其主要结构件（图2）。下防气锁阀的具体结构是一种半球形密闭阀，与防气锁阀罩紧密配合。防气锁出油阀总成在抽油机上冲程的运动过程中，下防气锁阀与下防气锁阀座紧密贴合，防气锁阀开启，使得油液进入腔体，从而带动固定阀尔球开启，实现油路的畅通，并且保证泵腔内部气体可以顺利向上排出，使得泵可以在各种油气比情况下高效地生产[3]。这种结构的特点是密闭性能高，材料使用周期长，半球形密封也有利于在形成气卡时可被强制打开，稳定性高，加工难度小，并且易于拆卸与保养。

图2 防气锁阀主要结构示意图

其中下防气锁阀的主要材料为45钢，下防气锁阀座的主要材料为9Cr18Mo。防气锁阀与防气锁阀罩在抽油泵向上运动的过程中，因为油压而被压紧贴合，形成环状密封。

2 基于ANSYS的防卡防气抽油泵有限元分析

2.1 下防气锁阀与下防气锁阀座配合模型的建立

2.1.1 三维模型的建立

为了满足有限元分析的要求，满足仿真防气锁阀套件在液柱压力下相互间的作用，应用solid works三维绘图软件来进行建模与装配。在建模过程中应注意以下原则：1）模型能够完整、准确地反映出防气锁套件在正常工作下应力、形变与应变的状态；2）在进行有限元分析时，模型所受的加载载荷应与实际工况相符或相同；3）所建造的防气锁阀套件模型，应与实际结构设计的数据相同，保持相同的几何结构，在对整体分析结果影响可忽略的情况下，可对部分机构合理化简化；4）防气锁阀套件仿真模型的边界约束条件，应与实际工况保持一致，以确保有限元分析可以准确地模仿工作状态。

在solid works中建立防气锁阀套件模型时，根据上述原则做出以下处理：1）严格按照实际尺寸进行建模；2）由于下防气锁阀罩固定于抽油泵泵筒壁，因此可将下防气锁阀罩视为固定端，将下防气锁阀视为自由端；3）部分相对复杂但又对整体分析无太多影响的部位如螺纹等，在建立模型阶段可忽略。

2.1.2 防气锁阀套件有限元模型单元分析

依据防气锁阀罩设计要求选用钢材，下防气锁阀的主要材料为45钢。相较而言，45钢具有高强度和好的切削加工特性，易于加工和选材，冷塑性一般，在套件制作过程中，经适当的热处理后，可以获得较好的韧性、耐磨性和塑性。45钢的弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.269，密度ρ=7.89×10-9kg·mm-3。

下防气锁阀座的主要材料为9Cr18Mo。9Cr18Mo不锈钢是一种马氏体，具有较好的力学性能和耐腐蚀性，广泛应用于航空器材零件制造。9Cr18Mo的弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-9kg·mm-3。将材料特性输入ANSYS静力学分析模块中，当施加正确的力时，模型可以做出正确的反应，以获得准确的数据和应力应变变化。

2.1.3 防气锁阀套件有限元模型的创建

本文所描述的防气锁阀套件由下防气锁阀和一个下防气锁阀罩组成，下防气锁阀竖直放入防气锁阀罩中，在液柱压力下形成环形密封。应用solid works软件对套件进行三维建模，在建模过程中，由于螺纹结构对计算分析结果几乎没有影响，因此将防气锁阀罩下端螺纹结构省略，简化建模并且导入ANSYS软件，应用workbench进行静力学分析[4]。导入模型如图3所示。

图3 导入模型

2.2 防气锁阀套件有限元分析

将防气锁阀套件实体模型导入ANSYS软件后，对整个套件进行网格划分。为了获得准确结果同时又方便计算，采取中等程度的网格划分，一共生成11234个节点，5735个单元。网格划分后，防气锁套件的三维实体模型如图4所示，防气锁阀的三维实体模型如图5所示。

图4 划分网格后的套件三维模型

图5 划分网格后的防气锁阀三维模型

选取合适的网格并完成划分后，针对实际工况的真实条件，对系统加载各项要素，在防气锁阀与阀罩之间加载摩擦接触，将阀罩视为固定端并进行约束，对防气锁阀半球形阀体上端平面加载向下的压力，压力大小为1000Pa。将防气锁阀与阀座压紧，以模拟液柱对球阀的压力。经过求解，总体形变如图6所示，防气锁阀等效弹性应变如图7所示，总体等效应力如图8所示。

图6 防气锁阀套件总体形变图

图7 防气锁阀等效弹性应变图

图8 总体等效应力图

由图6～图8可知，防气锁阀套件发生最大形变的位置是半球形阀体与阀座相接触密封的位置。半球形阀以及阀座密封端均发生不同程度的形变，阀座上的最大应力值为1224Pa，最大形变量为1.94×10-8m，最大弹性应变为1.87×10-8J。由结果可知，套件的结构设计安全，材料选取合适，且性能优异，造价低，适合生产实际。

3 结语

抽油泵作为油田生产工具中最重要的环节之一，其耐用性及可靠性，是油井高效低成本运行且有效生产的关键。防气锁阀套件作为防卡防气抽油泵的核心部件，其简明的设计、经济的用料和优异的性能，关系到泵体使用过程的质量。本文应用ANSYS软件的workbench部分，对防气锁阀套件进行静力学分析，为防气锁阀以及阀罩的设计提供理论依据。