抽油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析及優(yōu)化改進(jìn)

趙偉軍，萬(wàn) 凱，史建兵

（中國(guó)石油吐哈油田公司，新疆吐魯番 838202）

0 引言

石油資源在我國(guó)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中占有非常重要的位置，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了非常重要的貢獻(xiàn)。抽油機(jī)是石油開(kāi)采中必不可少的機(jī)械設(shè)備，在所有形制的抽油機(jī)中，游梁式抽油機(jī)以其顯著優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐中得到了比較廣泛的應(yīng)用。抽油機(jī)包含很多結(jié)構(gòu)部件，任何一個(gè)結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)故障都會(huì)影響抽油機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。連桿結(jié)構(gòu)是游梁式抽油機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件，由于抽油機(jī)的工作環(huán)境惡劣，且連桿結(jié)構(gòu)工作時(shí)需要承受交變載荷，在工程實(shí)踐中容易出現(xiàn)微裂紋甚至疲勞斷裂，對(duì)抽油機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。利用先進(jìn)的疲勞分析技術(shù)分析游梁式抽油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升連桿結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

1 游梁式抽油機(jī)主要結(jié)構(gòu)

在我國(guó)石油開(kāi)采實(shí)踐中，使用較多的游梁式抽油機(jī)是C-456D-305-144型。該型號(hào)抽油機(jī)重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有驢頭、游梁總成、橫梁總成和連桿結(jié)構(gòu)等，不同機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互配合，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的各項(xiàng)功能。抽油機(jī)正常工作時(shí)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的動(dòng)力需要經(jīng)過(guò)減速裝置，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)曲柄軸做低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)連桿結(jié)構(gòu)將低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成為驢頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最后帶動(dòng)抽油泵做周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽油的目的。

2 建立游梁式抽油機(jī)有限元模型

2.1 建立三維模型

通過(guò)SOLIDWORKS 軟件建立游梁式抽油機(jī)的三維模型，考慮到抽油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了在確保計(jì)算結(jié)果的前提下提升計(jì)算速度，建立模型時(shí)將一些對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果基本沒(méi)有影響的結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略處理，重點(diǎn)對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。圖1 為利用SOLIDWORKS 軟件建立的游梁式抽油機(jī)三維模型。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型建立過(guò)程中，所有參數(shù)按照C-456D-305-144型抽油機(jī)實(shí)際尺寸。模型建立后導(dǎo)出為STP 格式，以便進(jìn)一步導(dǎo)入ANSYS 軟件中建模。

圖1 游梁式抽油機(jī)三維模型

2.2 建立有限元模型

2.2.1 材料屬性設(shè)置

將建立好的三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行進(jìn)一步建模。首先需要對(duì)抽油機(jī)各結(jié)構(gòu)件材料屬性進(jìn)行設(shè)置，不同結(jié)構(gòu)件材料類型存在差異，本研究主要的研究對(duì)象是連桿結(jié)構(gòu)，以下主要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)材料屬性進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)合游梁式抽油機(jī)的實(shí)際情況，連桿結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制作材料主要為ZG230-450。該材料的彈性模量和泊松比分別為172 GPa 和0.3，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為230 MPa 和450 MPa，密度為7.823 g/cm3。將上述材料屬性輸入ANSYS 軟件中進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分是有限元模型非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格類型和網(wǎng)格單元大小會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果產(chǎn)生重要影響。ANSYS 軟件中內(nèi)置很多種類型的網(wǎng)格單元，本模型中選用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量和單元節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為16 786 和18 324。

2.2.3 設(shè)置加載條件

利用專用傳感器測(cè)量游梁式抽油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)X、Y、Z 方向上的載荷，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，連桿結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向上均承受循環(huán)載荷，因此有必要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)的疲勞行為進(jìn)行深入分析與研究。連桿結(jié)構(gòu)承受的最大載荷在Y 方向上，大小為9.352×104N。為簡(jiǎn)化計(jì)算和分析過(guò)程，主要研究連桿結(jié)構(gòu)在1×106次循環(huán)加載條件下的疲勞壽命情況。

圖2 連桿結(jié)構(gòu)循環(huán)加載載荷情況

3 連桿結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度結(jié)果分析

建立游梁式抽油機(jī)有限元模型后，在ANSYS 軟件中調(diào)用計(jì)算分析模塊對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后對(duì)結(jié)果提取分析。圖3、圖4 為游梁式抽油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)和疲勞壽命分布云圖。疲勞安全系數(shù)分布云圖指的是在給定的循環(huán)次數(shù)下，連桿結(jié)構(gòu)不同部位的安全程度。安全系數(shù)超過(guò)1，則認(rèn)為該部位相對(duì)安全，安全系數(shù)小于1，則認(rèn)為該部位存在疲勞斷裂的危險(xiǎn)。從圖3 可以看出，連桿結(jié)構(gòu)的疲勞安全系數(shù)絕大部分位置均大于1，但仍有少數(shù)區(qū)域安全系數(shù)小于1，主要集中在連桿套筒部位，最小安全系數(shù)值為0.586 68。疲勞壽命分布云圖指的是連桿結(jié)構(gòu)能夠承受的最大循環(huán)次數(shù)。由于本研究中將循環(huán)次數(shù)設(shè)置為1×106次，因此所得結(jié)果中疲勞壽命最大值為1×106次。疲勞壽命最小值為14 467 次，意味著該部位在經(jīng)歷14 467 次循環(huán)加載后會(huì)發(fā)生裂紋甚至斷裂，該位置同樣處于連桿套筒部位。

圖3 連桿結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)分布云圖

圖4 連桿結(jié)構(gòu)疲勞壽命分布云圖

基于以上分析可知，連桿結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷循環(huán)加載時(shí)，連桿套筒部位的疲勞性能最差，最容易出現(xiàn)疲勞裂紋。因此有必要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)中的連桿套筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，以提升該部位的疲勞性能，從而提升連桿結(jié)構(gòu)的性能，為游梁式抽油機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)研究

深入分析游梁式抽油機(jī)工作過(guò)程，認(rèn)為連桿結(jié)構(gòu)中的連桿套筒部位容易出現(xiàn)疲勞損傷的原因，主要是抽油機(jī)工作時(shí)較大的慣性力對(duì)裝置的正常運(yùn)行造成很大沖擊。因此需要采取措施降低慣性力的大小，以降低沖擊力。慣性力主要與零部件的質(zhì)量有關(guān)，所以需要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)?？紤]到連桿套筒的疲勞性能最差，以連桿套筒的長(zhǎng)度、凸緣厚度、內(nèi)徑為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際情況將上述3 個(gè)參數(shù)的取值范圍分別設(shè)置在230～270 mm、18～22 mm、58.5～70.5 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算；以連桿結(jié)構(gòu)的最大變形量和最大應(yīng)力為約束條件，分別控制在0.02 mm 和200 MPa 以內(nèi)，確保連桿結(jié)構(gòu)滿足靜力學(xué)受力要求；以連桿結(jié)構(gòu)最小疲勞壽命為優(yōu)化目標(biāo)，要求最小疲勞壽命超過(guò)1×106次。整個(gè)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程在ANSYS 軟件中進(jìn)行，優(yōu)化過(guò)程主要是改變3 個(gè)變量不斷地進(jìn)行迭代計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

在ANSYS 軟件中經(jīng)過(guò)多次循環(huán)迭代計(jì)算后，最終確定最優(yōu)連桿套筒長(zhǎng)度、凸緣厚度、內(nèi)徑分別為231.07 mm、20.176 mm、55.168 mm。對(duì)應(yīng)的連桿結(jié)構(gòu)最大位移量和最大應(yīng)力值分別為0.018 9 mm 和58.696 MPa，最小疲勞壽命為1×106次，圖5為連桿套筒優(yōu)化前后的疲勞壽命分布云圖?？梢钥闯觯还苁俏灰屏窟€是應(yīng)力值，均控制在相對(duì)較小的水平，且疲勞壽命也達(dá)到了相關(guān)要求。以上性能參數(shù)能夠滿足連桿結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用需要。

圖5 連桿套筒優(yōu)化前后疲勞壽命分布云圖

優(yōu)化改進(jìn)前連桿套筒長(zhǎng)度、凸緣厚度、內(nèi)徑分別為255 mm、20 mm、64.5 mm，對(duì)應(yīng)的連桿結(jié)構(gòu)質(zhì)量為17.271 kg，優(yōu)化改進(jìn)后連桿結(jié)構(gòu)質(zhì)量降至13.426 kg。連桿結(jié)構(gòu)重量降低，意味著其慣性力降低，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)造成的沖擊有所減緩，因此整個(gè)連桿結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有了顯著提升。

5 結(jié)語(yǔ)

連桿結(jié)構(gòu)是游梁式抽油機(jī)的重要構(gòu)成部分，但該結(jié)構(gòu)在工作時(shí)需要承受顯著的循環(huán)載荷，容易產(chǎn)生疲勞損傷，進(jìn)而影響抽油機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。利用SOLIDWORKS 和ANSYS 軟件建立抽油機(jī)有限元模型，分析連桿結(jié)構(gòu)的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)連桿套筒部位最容易出現(xiàn)疲勞損傷?；诖?，利用ANSYS 軟件對(duì)連桿套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的連桿結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯降低，在滿足靜力學(xué)要求的情況下，其疲勞壽命有了顯著提升。