淺談抽油機(jī)曲柄銷子斷裂原因及防治措施

趙明明

（大慶油田第一采油廠機(jī)采設(shè)備維修大隊(duì)，黑龍江 大慶 163000）

曲柄銷是抽油機(jī)采油設(shè)備的關(guān)鍵零部件，主要是由曲柄銷、錐套和緊固元件等構(gòu)成。銷體一側(cè)應(yīng)用螺紋緊固的辦法來(lái)與曲柄體實(shí)現(xiàn)連接，另一側(cè)采用滾動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)與連桿機(jī)構(gòu)的連接，中間部位應(yīng)用圓錐面構(gòu)件和曲柄錐套進(jìn)行緊固連接，錐套元件再與柄體實(shí)現(xiàn)有效的連接。曲柄銷采用螺紋連接的方式主要為銷體和錐套之間的過盈配合形成足夠的過盈力，并保證該種狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)。把曲柄的圓圍運(yùn)轉(zhuǎn)變成游梁的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的傳送作用。但是，曲柄銷部件非常脆弱，而抽油機(jī)裝置工作環(huán)境十分惡劣，一般情況下只有幾年的壽命，曲柄銷斷裂問題比較突出，會(huì)使抽油機(jī)裝置無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，連刊過載或拉斷、抽油機(jī)裝置側(cè)翻，會(huì)給油田企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，需要對(duì)曲柄銷子斷裂問題進(jìn)行深入的分析，并制定出有效地防治措施。

1 抽油機(jī)曲柄銷斷裂位置分析

圖1 抽油機(jī)曲柄銷

如圖1所示，1、2位置是抽油機(jī)曲柄銷容易斷裂的部位，為了更好地對(duì)曲柄銷疲勞壽命進(jìn)行估測(cè)，需要對(duì)曲柄銷做好受力分析來(lái)對(duì)載荷狀態(tài)進(jìn)行深入了解。曲柄銷主要會(huì)受到如下幾種力：（1）連桿施加的拉力。（2）曲柄銷與柄錐套形成的過盈接連力。（3）連接螺紋施加的預(yù)緊力。（4）每個(gè)零件間的作用力，使每個(gè)零部位形成滑移趨勢(shì)，或由產(chǎn)生滑動(dòng)而形成的摩阻。（5）連桿和曲柄銷之間軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對(duì)曲柄銷施加的摩阻。因?yàn)榍N和承軸相互間的摩阻非常小，受力分析可以忽略。

一般情況下，連桿拉力以及連接螺紋施加的預(yù)緊力共同作用之下，曲柄銷以及軸套部位會(huì)發(fā)生一定程度的形變，連桿施加的拉力會(huì)傳遞給銷錐面最小的一側(cè)，在交變載荷影響之下，銷錐較小的一側(cè)、螺紋根部最容易由于疲勞而產(chǎn)生斷裂問題。某采油廠對(duì)在2018年更換了三口抽油機(jī)的曲柄銷子，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是在圖1中的2位置形成了裂紋。引起該現(xiàn)象的原因主要是在加工過程中，退刀槽位置直徑變細(xì)，截面形狀會(huì)形成突變，在該部位中的應(yīng)力比較集中，同時(shí)，該部位是剪切應(yīng)力主要的施加作用點(diǎn)，極易產(chǎn)生斷裂問題。

2 曲柄銷受力分析

三相異步電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能輸送到減裝箱，經(jīng)過減速處理之后通過輸出軸拖動(dòng)曲柄實(shí)現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，曲柄裝置通過銷子把力矩施加給連桿機(jī)構(gòu)，通過抽油機(jī)橫梁帶動(dòng)游梁后臂完成擺動(dòng)，在游梁前部裝有驢頭構(gòu)件，活塞上側(cè)的液柱和抽油桿等負(fù)載，都經(jīng)過懸繩器施加在驢頭上面，當(dāng)驢頭和游梁共同實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)時(shí)，使活塞完成上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把油液從油井中抽取出來(lái)。

從上述的抽油機(jī)工作原理中可以看出，曲柄銷子承受應(yīng)力的方向和大小呈現(xiàn)出周期性變大，受到外部交變載荷施加的影響，曲柄銷子部位形成的斷裂主要是因?yàn)榻饘倨诙霈F(xiàn)斷裂問題，所有導(dǎo)致疲勞源產(chǎn)生的因素都會(huì)引起曲柄銷子斷裂。比如，曲柄銷子退刀槽加工過程中存在缺陷，或者表面創(chuàng)傷等，都會(huì)引起疲勞源的產(chǎn)生，極易導(dǎo)致曲柄銷斷裂。在抽油機(jī)游梁變換方向時(shí)，曲柄銷子會(huì)承受最大的沖擊載荷，因此，驢頭部位承受的載荷會(huì)對(duì)曲柄銷子受到的應(yīng)力形成較大的影響。

3 曲柄銷子斷裂的因素分析

從上面進(jìn)行的受力分析中可以發(fā)現(xiàn)，引起抽油機(jī)曲柄銷子斷裂的因素主要有。

（1）抽油機(jī)承受的負(fù)截太大。

（2）抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)，存在著沖擊負(fù)載。

（3）剪刀差沒有在允許區(qū)間內(nèi)。

（4）連桿機(jī)構(gòu)的下部以及軸承面不平整。

（5）連桿機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度不合理。

（6）曲柄銷子母材內(nèi)部有缺陷。

（7）裝配工序不合理，容易對(duì)曲柄銷子造成傷害。

（8）曲柄銷子退刀槽部位直徑尺寸過小，沒有達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)度。

4 抽油機(jī)曲柄銷子斷裂的防范措施

（1）針對(duì)生產(chǎn)負(fù)載較大的油井，由于具備的靜載荷已經(jīng)確定，抽油泵的深度、液面高度等影響因素較為穩(wěn)定，很難對(duì)其產(chǎn)生較大的改變。但是動(dòng)載荷方面，比如摩擦載荷、慣性載荷等，可以通過人為手段進(jìn)行調(diào)整。例如，對(duì)于沖次大的生產(chǎn)油井，可以合理地減小沖次，使懸點(diǎn)部位的速度以及加速度都變低，從而可以減小抽油機(jī)承受的慣性、震動(dòng)載荷，曲柄銷子部件中的上、下死點(diǎn)會(huì)承受較小的沖擊載荷，可以有效地提升曲柄銷子的使用年限。

對(duì)于稠油生產(chǎn)井或者井口偏磨的油井，可以采用摻水降粘的手段，在井口裝置中添加對(duì)中設(shè)施，可以有效地減小摩擦載荷，懸點(diǎn)部位的最大載荷會(huì)隨之降低，最小載荷會(huì)隨之提升，曲柄銷子會(huì)承受均勻的外力，有助于提高曲柄銷子應(yīng)用年限。如果油井靜載荷太高，必須匹配合理的抽機(jī)油型號(hào)，讓曲柄銷子具備更大的強(qiáng)度來(lái)滿足更大載荷要求，避免曲柄銷子出現(xiàn)斷裂問題。

（2）對(duì)于抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)的油井，需要使其恢復(fù)到平衡狀態(tài)，如果平衡塊數(shù)量不足，應(yīng)該及時(shí)加裝平衡塊。如果平衡塊數(shù)量達(dá)到4個(gè)，但還沒有處于平衡狀態(tài)，需要更換抽油機(jī)型號(hào)。如果抽油機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間的工作在高負(fù)載情況下，曲柄銷子強(qiáng)度達(dá)不到使用要求，則容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，載荷呈現(xiàn)出非均勻性特點(diǎn)，懸點(diǎn)速度、加速度產(chǎn)生的變化又使不均勻性現(xiàn)象更加惡化，會(huì)直接對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行效率以及使用年限產(chǎn)生不利的影響，抽油機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)形成較大的震動(dòng)，曲柄銷子使用壽命會(huì)顯著降低，所以，必須要處理好抽油機(jī)運(yùn)行不平衡的現(xiàn)象。

（3）針對(duì)剪刀差較大的抽油機(jī)，需要返回生廠家修理，對(duì)鍵槽進(jìn)行重開，調(diào)節(jié)兩個(gè)曲柄讓其處于相同平面內(nèi)。但是如剪刀差問題存在，兩個(gè)曲柄則無(wú)法保持在相同平面，在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，曲柄銷承受的力存在差異，會(huì)使剪切應(yīng)力不斷變大，曲柄銷子則產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

（4）如果抽油機(jī)連桿扣環(huán)以及軸承平面存在不正現(xiàn)象，需要及時(shí)采用墊子進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證連桿扣環(huán)以及軸承合面處于穩(wěn)合狀態(tài)。

（5）如果曲柄銷子母材出廠時(shí)存在質(zhì)量問題，在對(duì)曲柄銷子部件進(jìn)行安裝以前，需要對(duì)曲柄銷子進(jìn)行系統(tǒng)、全面的探傷，如果存在質(zhì)量缺陷，不可以用于加工生產(chǎn)。避免存在缺陷的位置承受過于集中的應(yīng)力，從而形成疲勞源，最終引起曲柄銷出現(xiàn)斷裂，從而導(dǎo)致更大的經(jīng)濟(jì)損失。某采油廠曾出現(xiàn)過曲柄銷子斷裂而導(dǎo)致的翻機(jī)安全事故，導(dǎo)致斷裂問題的根本原因在于曲柄銷子母材存在質(zhì)量缺陷，在該部位出現(xiàn)了應(yīng)力過于集中的問題，引起了曲柄銷子斷裂事故。

（6）在對(duì)曲柄銷子部件進(jìn)行安裝過程中，當(dāng)采用緊冕型螺母進(jìn)行緊固時(shí)，如果施加的力臂太長(zhǎng)就會(huì)引起施加作用力過大，曲柄銷子就會(huì)由于應(yīng)力過于集中而產(chǎn)生損傷。所以，在對(duì)曲柄銷子進(jìn)行緊固時(shí)，需要施加合理的外力，避免對(duì)其造成傷害。

（7）為了更好地滿足抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用需求，曲柄銷子加工材質(zhì)需要具備較高的強(qiáng)度和較好韌性，可以承受起更大的載荷，避免由于剪切力的存在而產(chǎn)生曲柄銷斷裂問題。可以采用35CrMo或者40Cr材料，再對(duì)其進(jìn)行熱處理之后可獲得較理想的機(jī)械性能。同時(shí)，由于曲柄銷承受載荷較大，需要根據(jù)受力特性進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，軸肩部位不需要進(jìn)行清根，退刀槽應(yīng)該采用圓弧方法進(jìn)行過渡處理。另外部位的螺紋空刀槽同樣應(yīng)用圓弧結(jié)構(gòu)方式。兩個(gè)部位應(yīng)用圓弧結(jié)構(gòu)方式可以避免曲柄銷子在運(yùn)行時(shí)承受應(yīng)力而產(chǎn)生斷裂，圓弧結(jié)構(gòu)也不可以過小，要不然同樣會(huì)存在應(yīng)力集中的問題，會(huì)使曲柄銷子形成裂紋，在該部位產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，容易引起安全事故。

（8）曲柄銷子應(yīng)用的時(shí)間太長(zhǎng)，銷子在銷孔內(nèi)部會(huì)存在磨損，軸徑就會(huì)逐漸變小，銷子和銷孔間隙就會(huì)變大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)很好地配合，銷子就會(huì)在抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生構(gòu)動(dòng)，在交變載荷施加的作用力下，銷子強(qiáng)度會(huì)不斷變小，在應(yīng)力集中的部位就會(huì)產(chǎn)生斷裂。某采油廠現(xiàn)換了三臺(tái)抽油機(jī)的曲柄銷子，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)銷子存在著較為嚴(yán)重的磨損問題，直徑變細(xì)。在退刀槽部位產(chǎn)生了裂紋，如果沒有及時(shí)更換，可以會(huì)引起翻機(jī)安全事故，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，需要加強(qiáng)對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢查，如果問題需要及時(shí)更換零部件。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，除了采取技術(shù)措施來(lái)對(duì)曲柄銷子斷裂問題進(jìn)行防范，還需要提高工作人員的主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)對(duì)抽油機(jī)的巡查和管理，并定期對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，在曲柄銷子還沒有斷裂時(shí)進(jìn)行及時(shí)地更換，對(duì)存在的安全隱患進(jìn)行處理，避免產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)損失。還需要對(duì)曲柄銷子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督，可以更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量。還需要制定出科學(xué)合理的安裝程序，避免安裝過程中對(duì)曲柄銷子造成損壞。