设计计算
引向器
王利成1 郭登明1 李东海2 赵杨民2
(11长江大学机械工程学院 21吐哈石油勘探开发指挥部机械厂)
摘要 针对弯游梁抽油机的性能特点和现场使用中出现的问题，应用ANSYS分析软件对这种抽油机的主要承载构件进行了有限元分析。指出游梁与平衡臂联接支座附件的焊接应力超过材料的屈服极限，易产生局部微裂纹并扩展，是造成该处撕裂损坏的主要原因。为此，对游梁与平衡臂联接部位的结构做了4项改进，改进后的计算和有限元分析结果表明，原焊接处的局部最高应力由276MPa降至150MPa，降至安全范围，改进后结构强度满足使用要求。 关键词 弯游梁抽油机 有限元分析 结构改进
引 言
弯游梁抽油机是在常规抽油机的基础上开发出的一种新型节能抽油机。它具有结构简单、能耗低等优点，特别适合于“小泵深抽”的油井工况。对于重型抽油机的设计与制造，采用“弯游梁平衡”技术，不仅可
以降低抽油机的能耗，还可以减小连杆、曲柄销的受力，改善抽油机运行状况。自从弯游梁抽油机问世以后，迅速在新疆、吐哈及华北油田等推广应用。
弯游梁抽油机同游梁平衡抽油机一样，也有一些固有缺点，最大的缺点是在使用过程中安全性不好。当抽油杆突然断脱时，由于游梁平衡重处于自由落体状态，尽管设有必要的缓冲机构，但当驴头悬点载荷较轻时，就有很大的危险。另外，由于游梁平衡重较大，在运动过程中产生很大的惯性载荷，同样可能产生较大的局部应力。在吐哈油田就曾出现平衡重与游梁联接处被撕开的现象。初步分析是局部应力集中产生微裂纹，随着时间的推移，微裂纹逐步扩大，最后导致整个游梁撕裂。为此，笔者拟用有限元方法对ⅡCYJQ14—6—73HP型弯游梁抽油机的主要部件如游梁、驴头、游梁重及其联接部分等结构件进行有限元分析，出应力集中的原因，然后对相关的结构进行改进，供抽油机制造厂的设计人员和油田现场使用人员参考。
弯游梁抽油机的基本计算
ⅡCYJQ14—6—73HP型弯游梁抽油机的机构简图如图1所示
。
图1 ⅡCYJQ14—6—73HP型弯游梁抽油机机构简图
1—驴头;2—游梁;3—支架;4—游梁平衡重;5—电动机装置;6—刹车机构;7—减速器;8—底座;9—曲柄装置;10—连杆;11—横梁;12—吊绳;13—悬绳器;14—光杆卡瓦 曲柄的旋转方向为逆时针方向。根据图1，运用抽油机设计计算软件、软件包，对该型抽油机进行基本分析和计算，主要内容包括：几何计算、运动计算、动力计算、工艺计算(如泵挂深度、日产液量、有效冲程、悬点载荷等)、平衡计算、扭矩计算及电动机功率计算。从而确定抽油机四连杆
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1
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2007年 第35卷 第8期
石 油 机 械
CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY
3本课题属于长江大学与吐哈油田合作研究项目“抽油机三维动态仿真及有限元分析”(2005110)。
机构的受力，并出在不同工况下机构承受的最大
载荷，作为有限元分析的基础数据(具体计算结果此处从略)。
主要构件的有限元分析
根据上述计算结果，当悬点载荷W =140k N 、冲次n =6m in -1
、泵径D =32mm 时，抽油机处于最恶劣(承受最大的载荷)的工作工况；并且在曲柄转角为15°时，悬点载荷达到最大值。因此，根据抽油机四连杆机构的受力建立整机计算载荷模型图(图2)
。
图2 弯游梁抽油机的机构受力简图
在图2中,W 为悬点载荷,F L 为连杆受力,
F q 为游梁平衡重,F qa 为游梁平衡重产生的切向惯性力。上述4个力对支架产生的弯矩处于平衡状态，将此机构受力图作为有限元分析的基础。
根据有限元理论[1]
，支架的应力和位移可对应方程
[k ]{u}={P}
式中 [k ]———结构的总体刚度矩阵，由单元刚度矩阵组合而成;
{u}———结构节点的位移列向量; {P}———结构节点的外载荷列向量。在进行结构的应力和位移分析时，将游梁、驴头及游梁平衡重简化为板单元。由于所受的载荷为周期性变化的交变载荷，其变化随着曲柄的位置变化而不同。为此，在分析时必须确定必要的载荷谱，使得计算结果与实际受力状
况相符合。根据结构的受力特点，认为驴头在上、下死点附近的受力状况最为恶劣，此时它有较大的力矩和载荷，所以在计算时选择15°作为位置点。整个结构采用板单元，并对连接处加以处理，这样整个结构总的节点
数为94293个，共有54316个单元。电力安全性评价
图3为ANSYS 中的改进前局部有限元网格图。图4为游梁与平衡臂支座附近的Von M ises 应力分布，其中A 处的应力用全焊时为206MPa；用端焊
时达到276MPa，超过了材料的屈服极限[2]
，很容易产生裂纹，从而成为整个游梁损坏的原始缺陷
。
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图3
改进前平衡臂有限元模型局部放大图
图4 改进前平衡臂支座处局部Von M ises 应力图
局部结构的改进设计
根据上述计算结果，将游梁与平衡重连接处的结构做如下改进:
(1)将游梁上、下翼板的厚度由20mm 改为25mm;
(2)去掉支座横向加强筋，纵向筋板中心面
与定位销支承板中心面平齐;
(3)按图纸结构及尺寸将支座纵向筋板延长至游梁上翼板之上并直接与上翼板焊接在一起，筋板厚度取16mm;
(4)减小支座底板宽度，以便与游梁焊接，四周按15mm 焊缝满焊，支座底板中间按图纸尺寸开孔，孔四周按15mm 焊缝满焊。
图5为改进后游梁与平衡臂联接部分的三维图；图6为改进后游梁与平衡臂联接部分有限元分析的网格图，图7和图8为改进后有限元分析的应力云图。计算结果表明，改进后，原焊接处的应力由276MPa 降为约150MPa，降至安全范围内。纵向筋板顶端Von M ises 应力约为266MPa，仍处于不安全范围，但由于此处不是大面积的应力集中，且远离主承载区域，当局部发生小的变形以后，应力会迅速降低至安全范围。因此认为该改进结构可以满足使用要求。
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图5
改进后结构的有限元模型图
图6
改进后有限网格局部放大图
图7
改进后结构局部应力云图
垂直母排图8 改进后结构纵向筋板处应力云图
结 论
从以上的有限元计算分析和结构改进过程可以
u型吊臂得出以下结论:
(1)弯游梁抽油机的平衡臂处于自由状态，且平衡重较大，在运动过程中会产生较大的惯性载荷，从而使局部结构产生较大的应力，这是造成局部撕裂的主要原因。
(2)对游梁与平衡重连接处的结构做了改进后，应力状况大为改善，局部最大应力由276MPa 降至150MPa 。
(3)在结构设计时，应当注意各个连接处的
焊缝形式，避免产生应力集中；同时，应考虑各个
连接板的结构，减少不必要的连接，尽可能将应力传至游梁主体上，以确保抽油机的安全运行。
参 考 文 献
1 蒋孝煜1有限元法基础1北京：清华大学出版社,
1991:36～46
2 张大伦，李琮蓉1材料力学1上海：同济大学出版社,
1987:25～30,190～203,295～303
第一作者简介：王利成，讲师，硕士，生于1964年,
1987年毕业于江汉石油学院，现从事石油机械的教学、科
研与设计工作。地址:
(434023)湖北省荆州市。电话:
(0716)8430475。
收稿日期:2007-03-16
(本文编辑 李学富)
(上接第8页)
材料本身的性能和接触应力的大小(坐封载荷的
大小)，而且还取决于密封机构的结构。
(2)普通胶筒密封结构不能承受高压差反复作用，只能承受1次高压试验，而“完全防突”密封机构可承受多次反复压力试验并保持密封。
(3)笔者的研究突破了原来封隔器设计的密封压差极限，密封机构采用两端支撑设计，有效地提高了胶筒的密封性能，为井下超高压封层工具设计提供了可靠依据。
参 考 文 献
1 周先军，平 利，季公明1封隔器胶筒接触应力分布有
限元计算1钻采工艺,2002,25(4):51～52,57
2 杨秀娟，杨恒林1液压封隔器胶筒坐封过程数值分析1
石油大学学报(自然科学版),2003,27(5):84～87
3 刘天良，施纪泽1封隔器胶筒对套管接触应力模拟试验
研究1石油机械,2001,29(2):10～11
4 贾善坡，闫相祯，杨 丽1封隔器胶筒大变形摩擦接触
的有限元分析1润滑与密封,2005,7(4):71～74,
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第一作者简介：刘化国，高级工程师,1981年毕业于胜利石油学校,1990年毕业于石油大学，现从事井下工艺与工具研究工作，任所长。地址:(257077)山东省东营
市。电话:(0546)8642210。
收稿日期:2007-04-26
(本文编辑 王志权)
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51—2007年 第35卷 第8期王利成等：弯游梁抽油机的有限元分析及结构改进
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