皮带抽油机机架机械性能分析

郑美茹

摘要：结合抽油机的工作原理，通过对皮带抽油机的运动规律和悬点载荷等动力学参数进行了分析计算，为后续的皮带抽油机的运动规律分析和悬点载荷的动力学仿真及其结构优化设计提供了理论依据。阐述结构模态分析的理论基础，对抽油机的机架进行性能分析，对其机械结构进行研究，分析机架的结构参数变化及工况变化对模态的影响。

关键词：模态分析;机械性能;抽油机;机架

0  引言

对皮带抽油机的整机进行动力学分析，依据等效原则，对机架进行简化。皮带抽油机悬点载荷可以分为两个部分：外部载荷和内部载荷[1]。外部载荷主要是包括选点载荷、风载荷等;内部载荷主要包括抽油机自身构件之间的一些连接关系，如面接触、约束位置处的摩擦载荷等。通常利用动力示功图的方法来表示悬点载荷和悬点位移之间的变化规律。

1  皮带抽油机的分析

对皮带抽油机进行动态分析，对皮带抽油机模型仿真模拟。研究该模型的運动状态，运动期间的冲击载荷，得到运动受力的具体情况。主要研究皮带抽油机在工作状态下某个时刻的运动规律，考虑到皮带抽油机做周期性的往复运动，设置仿真的时间为2个周期。由皮带抽油机的运动规律可知：皮带抽油机系统是一个把旋转运动转化为皮带的直线运动的机械系统，但是由于系统位于上下死点时速度发生剧烈的变化，此时加速度会产生瞬时的极大值，对系统产生一定的冲击[2]。

最大载荷时机架的各个构件的受力如表1所示：机架的受力分析情况来看，在抽油机机架子的顶部出现应力偏大情况，如果把应力均匀分散到水平和垂直方向，则垂直方向的载荷相对于水平方向来说较大。吊绳方向的应力比机架的应力变化幅度大，这样会导致皮带抽油机和顶部载荷由于弯矩作用，致使整个受力状态不平衡，具体应力参数如表1所示。

2  皮带抽油机主要承载构件

皮带抽油机立柱上端连接传动平台，传动平台上面有轴承座，轴承座与滚筒相连，用来承受悬点载荷;下端与底座相连，构成整个系统的整体，并传递驱动力。立柱是皮带抽油机系统中主要的承载构件，承载整个设备的重量，因此立柱是皮带抽油机最大应力出现的构件，主要承受弯曲应力的作用[3]。

2.1 皮带抽油机机架的模态分析

在实际的机械结构中，由动载荷的作用引起的振动是不可避免的，为保证整体结构具有的良好动态特性，对其进行系统的动态分析是有必要的。模态分析是结构动态分析当中核心，它是把复杂系统变换为单一的自由度系统，为结构系统的特性分析提供依据。

2.2 皮带抽油机的模态分析

在结构模态分析过程中，为得到准确的模态计算结果，必须将模型的部件结构的质量分布位置准确的标记在结构模型当中。在许多有限元结构模型中，如果标记结构的所有部分，模型变得十分复杂，给计算带来不必要的麻烦[4]。在分析过程中，通常采用近似的方法来标记模型的质量分布位置。本课题为尽可能的使模型简化，采用集中质量法计算皮带抽油机的模态振型。主要研究机架结构的整体特性，将传动部件作为集中质量处理，忽略传动部件的模态影响。

2.3 模态求解

ANSYS软件提供7种模态提取方法，本文利用ANSYS软件中的 Lanczos法进行求解计算，提取机架的前九阶固有频率及振型，具体如下所示，如表2所示[5]。

2.4 结果分析

一阶振型（f=14.644Hz）为机架整体绕X轴弯曲扭动，机架主要承受弯矩的作用，底部应力最大，该振型将使机架的扭矩增大。二阶振型（f=20.594Hz）为机架整体绕X轴的弯曲摆动和绕Y轴的扭动，该振型将会增大机架立柱的弯矩和切应力。三阶振型（f=33.493Hz）为整体绕Y轴的左右扭动，对角线最长位置处的扭转刚度最小，该振型使得机架的拐角的弯曲应力及机架和传动平台连接处的应力增大，且整体的刚度降低。四阶振型（f=50.038Hz）为机架整体在YOZ平面内的弯曲摆动，该摆动将加拉杆的弯曲应力及横梁、斜支撑和主支撑连接处的应力。五阶振型（f=58.025Hz）为机架绕X轴的摆动和绕Z轴的扭动，这一振型将会使机架与拉杆连接处及机架拐角的应力增大。六阶振型（f=58.259Hz）为拉杆在连接平面内的弯曲扭动，该振型将会使得机架与拉杆连接处的应力增大。七阶振型（f=58.593Hz）为机架在YOZ平面内的弯曲摆动及拉杆在连接平面内的弯曲扭动，且在机架立柱前的后面内的所受的弯曲方向相反。该振型使立柱的弯矩、机架与传动平台连接处的应力与扭矩变大。八阶振型（f=62.326Hz）为机架绕X轴的摆动及连杆在连接平面内的扭动，该振型使得机架顶部应力及扭矩、拉杆连接处的应力增加。九阶振型（f=70.250Hz）为机架在YOZ平面内的左右扭转摆动及上下的摆动，该振型将会增大机架立柱底部的的扭转力矩，并加大机架与传动平台连接处的连接应力[6]。

3  结论

应用有限元法对皮带抽油机机架进行模态分析，分析表明：皮带抽油机机架的各个阶次模态固有频率偏低，并且各个阶次的模态对机架的整体稳定性有影响，且机架的固有频率与许多的因素有关：有预应力的机架比无预应力的机架的模态频率略小，预应力对皮带抽油机整体特性影响不大，在考虑预应力对机架的特性影响时，可以忽略预应力对机架固有特性的影响;在满足机架结构强度及整体稳定性的前提下，保证采油系统各运动部件有足够的运动空间，可以减少机架的宽度以提高各阶频率，并减小其振幅;随着机架各构件的截面型号的增大，机架的固有频率值逐渐增大，但同时增加了机架的质量。

参考文献：

[1]张亚春.新式出口抽油机皮带罩设计及应用[J].设备管理与维修，2020（03）：79-80.

[2]葛利俊，于红业，徐浩.盘式永磁同步电机在游梁式抽油机上的应用[J].设备管理与维修，2020（01）：54-55.

[3]沈丽娟.探究抽油机减速箱漏油原因与处理方案[J].化学工程与装备，2019（12）：96-97.

[4]杨阳，于继飞，曹砚锋，范白涛，何国刚.皮带抽油机在海外X区块油砂开采中的应用研究[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2019，21（06）：59-61.

[5]顾帅杰.游梁式抽油机能耗分析与参数优化[D].西安石油大学，2019.

[6]徐达.应用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置效果分析[J].石油石化节能，2019，9（05）：36-38，11.