雙驢頭抽油機(jī)柔性連桿斷裂機(jī)理分析

許馮平，周 延，趙志聰

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）①

雙驢頭抽油機(jī)有很好的節(jié)能效果，尤其是后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機(jī)，在大慶油田和勝利油田得到了較廣泛的應(yīng)用［1－8］，但在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。根據(jù)雙驢頭抽油機(jī)在大慶油田等單位使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，后驢頭柔性連桿破壞的概率非常大［9］，如表1。

影響柔性連桿使用壽命的因素有多種，如使用安裝問(wèn)題、柔性連桿性能和材質(zhì)問(wèn)題以及疲勞等。本文針對(duì)后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機(jī)，從后驢頭型面尺寸參數(shù)的角度分析柔性連桿的斷裂機(jī)理。

為此，首先應(yīng)完成后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機(jī)的位置分析；其次對(duì)發(fā)生故障的雙驢頭抽油機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，完成后驢頭型面參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 柔性連桿失效統(tǒng)計(jì)

1 變尺度連桿機(jī)構(gòu)位置分析模型

如圖1，后驢頭型面O2T為阿基米德螺線，游梁支點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，O1為曲柄旋轉(zhuǎn)中心，O2為后驢頭型面曲線極點(diǎn)，O2A為阿基米德螺線O2T的極軸。

后驢頭阿基米德螺旋線型面參數(shù)為：OO2為極心距b；阿基米德螺旋線常數(shù)為e；O2A與OO2的夾角為ε。

抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)：R為曲柄半徑，mm；I為機(jī)架OO1水平投影，mm；H為機(jī)架垂直投影，mm；C為游梁后臂長(zhǎng)，mm；L為游梁前臂長(zhǎng)，mm；Lmin為最小連桿長(zhǎng)，mm；θo為上沖程初始角，（°）；λ為極位夾角，（°）；γo為游梁最大擺角的1/2，（°）。

圖1 后驢頭型面為阿基米德螺旋線雙驢頭抽油機(jī)模型

當(dāng)曲柄為任意轉(zhuǎn)角θ時(shí)，有

式中：

由式（1）～（2）可解得該位置時(shí)的ξ，ξ為此時(shí)阿基米德螺線與連桿BT切點(diǎn)處的極角。

上述模型中的ξb由以下模型求得（如圖1），處于下死點(diǎn)位置時(shí)游梁后臂長(zhǎng)處于最大值，有

其中

同時(shí)

由式（3）～（4）可解得ξb，ξb為游梁處于下死點(diǎn)位置時(shí)阿基米德螺線與連桿BT切點(diǎn)處的極角。

在求得以上參數(shù)后，則任意瞬時(shí)∠2可按以下模型求得，由圖中的各角度關(guān)系得

則，任意θ時(shí)刻，B、T點(diǎn)坐標(biāo)分別為

據(jù)此可以得到任意曲柄轉(zhuǎn)角θ時(shí)，變尺度曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系，即柔性連桿BT與后驢頭型面OO2T的位置關(guān)系。

2 變尺度連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)是針對(duì)原設(shè)計(jì)后驢頭型面驢嘴磕咬柔性連桿缺陷的技術(shù)改進(jìn)措施，即在保證原結(jié)構(gòu)尺寸不變或較小變化的條件下，優(yōu)化后驢頭阿基米德螺旋線型面參數(shù)，而使最大轉(zhuǎn)矩因數(shù)最小為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其模型為

式中：X＝（x1，x2，…，x8）T＝（R，I，H，A，b，e，ε，L）T，各變量意義同前。

模型中的約束條件主要包括：

1） 結(jié)構(gòu)性干涉條件 例如橫梁與曲柄平衡塊的干涉、橫梁和后驢頭的干涉、后驢頭和支架的干涉、前驢頭和支架的干涉等。

2） 各參量界限的約束 例如極位夾角、初始角、游梁擺角、柔性連桿長(zhǎng)度、沖程長(zhǎng)度等。

3） 協(xié)調(diào)性約束 例如柔性連桿與后驢頭型面曲線（阿基米德螺旋線）總是相切關(guān)系、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)四邊形總是存在等，該部分內(nèi)容已有較多的研究［1，7－9］，在此不贅述。

3 實(shí)例分析

以某10型抽油機(jī)為例，分析其柔性連桿斷裂的原因，原設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化后的參數(shù)如表2。

表2 某10型抽油機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

按上述模型繪制的柔性連桿機(jī)構(gòu)處于（含后驢頭型面曲線）上下死點(diǎn)位置時(shí)各構(gòu)件位置關(guān)系如圖2。

圖2 柔性連桿機(jī)構(gòu)處于上下死點(diǎn)位置時(shí)各構(gòu)件位置關(guān)系

由圖2可見(jiàn)：當(dāng)處于下死點(diǎn)位置時(shí)，原設(shè)計(jì)柔性連桿與后驢頭型面不相切。且柔性連桿處于后驢頭驢嘴里，這就造成連續(xù)工作時(shí)，后驢頭驢嘴總是磕咬柔性連桿，從而造成柔性連桿斷裂；當(dāng)處于上死點(diǎn)位置時(shí)，兩者也不相切，這時(shí)柔性連桿與后驢頭型面干涉，只造成柔性連桿受力變惡劣，不會(huì)發(fā)生磕咬現(xiàn)象；在其他位置時(shí)，兩者都是相切的，為節(jié)省篇幅，沒(méi)有列出其位置圖。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，情況得到了極大改善，當(dāng)處于上、下死點(diǎn)位置時(shí)，柔性連桿與后驢頭型面都幾乎相切，且在下死點(diǎn)位置時(shí)，柔性連桿位于后驢頭驢嘴外，不會(huì)發(fā)生磕咬現(xiàn)象，柔性連桿受力也不會(huì)變惡劣。分析表明：發(fā)生磕咬現(xiàn)象的主要原因是ξb過(guò)小造成的；同理，在其他時(shí)刻柔性連桿都能與后驢頭相切；除此以外，應(yīng)盡量增加后驢頭型面曲線的曲率半徑，以降低柔性連桿的彎曲應(yīng)力。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)型很好地做到了這一點(diǎn)。

4 結(jié)論

根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的統(tǒng)計(jì)資料，雙驢頭抽油機(jī)柔性連桿經(jīng)常發(fā)生磕咬斷裂的現(xiàn)象。本文建立了針對(duì)后驢頭型面曲線為阿基米德螺旋線的雙驢頭抽油機(jī)柔性連桿斷裂機(jī)理分析模型。通過(guò)實(shí)例分析，給出了原設(shè)計(jì)機(jī)型柔性連桿經(jīng)常發(fā)生斷裂的原因，在不發(fā)生結(jié)構(gòu)尺寸較大變化的基礎(chǔ)上，給出了改進(jìn)設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的機(jī)型可以避免該斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。該研究成果已經(jīng)應(yīng)用到油田實(shí)際生產(chǎn)中。

［1］ 劉健，綦耀光，肖世宏，等.阿基米德螺線雙驢頭抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2001，30（3）：14－17.

［2］ 綦耀光，劉健，肖世宏，等.后驢頭為圓弧的雙驢頭抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2001，30（增刊）：24－28.

［3］ 高鳳云.常規(guī)抽油機(jī)改造為雙驢頭抽油機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.石油機(jī)械，2002（7）：50－52.

［4］ 綦耀升.雙驢頭抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用中存在問(wèn)題的改進(jìn)［J］.石油機(jī)械，2004（7）：46－48.

［5］ 戴楊，陸玲，高學(xué)仕.雙驢頭抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004（1）：26－28.

［6］ 劉華博，劉嬌霞，孫鶴，等.常規(guī)機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特性對(duì)比分析［C］.北京：力學(xué)學(xué)會(huì)第19屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2013：577－579.

［7］ 鄒龍慶，宋振華.雙驢頭抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：21－25.

［8］ 崔曉華，梁柱，鄒龍慶，等.基于Solid Works的雙驢頭抽油機(jī)支架三維建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（1）：42－44.

［9］ 大慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì).雙驢頭抽油機(jī)可靠性研究報(bào)告［Z］.2007.