抽油機橫梁結構優化及工裝配套

楊衛星， 王寶陽， 李乙朝， 李云濤

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839009）

0 引言

彎游梁抽油機是我廠抽油機中的主力產品，它以結構簡單、能耗低等優點在吐哈油田廣泛使用，其外形結構如圖1。

圖1 彎游梁抽油機結構圖

其中橫梁是彎游梁抽油機基礎結構的關鍵部件，是抽油機四桿機構中驅動連桿的一部分，是傳遞動力的關鍵零件之一。其制造一般采用板材組焊、整體鑄造和型材組焊加工等幾種方式。橫梁結構相對復雜，承載較大，特別對于前置式彎游梁系列抽油機用橫梁來說，在現場運轉過程還承受交變應力作用［1］，易發生橫梁擺動故障，對結構尺寸精度、強度及可靠性要求較高。此外抽油機橫梁結構存在不足，造成組焊不便、加工效率低等問題，因此有必要對橫梁結構進行優化，以及對其制造工藝進行研究。下面以14型彎游梁抽油機為例，開展橫梁制作分析、結構優化及工裝配套。

1 現狀分析

我廠常用的12、14、16型彎游梁抽油機橫梁主體為鋼板組焊而成的工字型結構件，中間通過螺栓與橫梁軸承總成相連，兩端則采用δ70 mm厚板加工而成的耳座，通過連桿銷與連桿相連。常見橫梁結構如圖2所示。

圖2 常見橫梁結構

1.1 耳座制作工藝分析

目前我廠耳座制作流程為：下料→銑→鉆→車。

工藝流程分析：耳座由70 mm厚鋼板制成，利用火焰切割機下料，切割面精度參差不齊，且與基準面垂直度嚴重超差。由于采用火焰切割，耳座外形尺寸存在大小嚴重不均，最大差值達到了5 mm，對與橫梁主體組焊加工造成較大影響。

因此，為保證橫梁銷孔圓柱度，下料要求單邊增加5 mm的加工余量，然后再上銑床將外形加工至成功尺寸。由于銑床效率相對較低，每天可加工16件；火焰切割可下料80件，加上中心鉆孔及車削孔，組焊前單個耳座平均工時1.1 h，如圖3所示。

圖3 組焊前耳座

1.2 橫梁制作工藝分析

橫梁制作工藝如下：下料→主體組焊→銑上平面→組焊耳座→鏜削耳座銷孔及內開尺寸。

耳座組焊前的內孔及連桿小頭接觸端面均留有余量，在耳座與主體焊接后，進行鏜削加工，以保障兩耳座孔的尺寸及定位精度。

而現場耳座與橫梁主體焊接時，常采用以耳座周邊加工面為定位基準，采用簡易限位塊方式進行定位在平臺上組焊。由于定位精度差，常造成以下幾個的問題：1）組焊后兩耳座孔軸心偏差過大，鏜削內孔時，加工余量不足，需要重新返工，造成浪費。2）耳座內開襠（見圖2）加工后，由于垂直度精度偏差，為保證耳座對稱度，造成加工后耳座厚度不均。3）由于耳座外側為非加工面，組焊引起的垂直度精度差造成連桿銷裝配出現墊圈或銷軸軸肩與耳座無法緊密貼合問題。

2 優化設計

針對以上分析，結合現場實際，對橫梁結構優化提出以下兩點依據：1）在不降低原結構強度的情況下，合理選用材料進行結構優化。2）耳座制作效率明顯提升，降低成本。

2.1 耳座優化

根據優化依據，采用圓形結構耳座，選用無縫鋼管φ168×40，20鋼（常用料），這樣其下料、加工及組焊等方式均發生變化。耳座制作流程：下料→車。

工藝流程分析：采用鋼管材料，需用鋸床下料，加工時只需采用效率高的車削方式。與方形耳座相比，可節約近50%的工時，見表1，單個耳座材料利用率得到一定提升，成本下降了1/3。

表1 優化前后單個耳座制作工時對比 h

2.2 橫梁優化

在保證整體強度不受影響的依據下，橫梁優化主體保持原結構不變，局部根據耳座的改變進行設計。為保證耳座連接強度，即要保證焊縫連接長度與原結構相當，因此加大了支撐板尺寸，并對筋板結構進行加長。

2.3 校核計算

結合14型設計計算資料，利用有限元分析軟件，建立橫梁模型，對耳座局部進行分析。結果如下：當連桿受拉時，橫梁向下彎曲，耳座局部應力最大值為18.7 MPa；當連桿受壓時，橫梁彎曲，耳座局部應力最大值為48.5 MPa。最大應力與板材及焊縫的屈服強度（225 MPa）相比，安全系數達到4.6，滿足受交變應力部件規定的安全系數3.5的要求，如圖5、圖6所示。

表2 優化前后耳座利用率成本對比

圖4 優化后橫梁結構

圖5 連桿受拉時結構分析

圖6 連桿受壓時結構分析

3 耳座組焊工裝設計

橫梁主體主要在平臺上組焊，尺寸精度能滿足要求。存在問題主要在耳座與橫梁的組焊上，從橫梁工藝分析中可知，如何保證耳座組焊精度是耳座組焊工裝研究重點。因此結合橫梁制造特點，提出以下設計依據：1）以橫梁上加工平面為基準，進行定位。2）保證耳座端面垂直度，確保連桿銷貼合緊密。3）采用穿銷軸方式，確保兩耳座的同軸度，保證加工余量。

根據設計依據，最終設計橫梁耳座組焊工裝見圖7。定位銷滿足了耳座同軸度要求，隔套保證耳座端面與孔的垂直度，同時便于橫梁在工裝的拆裝。

圖7 耳座組焊工裝

4 應用情況

優化后橫梁每件整體制造工時可減少2 h，配套到新制造抽油機共100臺，現場應用70余臺，運轉1年來，效果良好。采用耳座組焊工裝后，橫梁組焊質量提升明顯，沒有出現返工等現象。目前所有橫梁耳座的組焊均采用工裝進行定位。

5結語

圓形耳座的應用，提高橫梁整體制造效率，節約了成本。經過1a的應用，優化后橫梁滿足設計及現場應用要求。工裝的配套，提高了橫梁組焊質量，提高了橫梁的互換性。

［1］ 董世民，張士軍.抽油機設計計算與計算機實現［M］.北京：石油工業出版社，1994：56-58.

［2］ 羅仁全，張學魯，于勝存，等.游梁式抽油機節能機理及其典型構件分析［M］.東營：中國石油大學出版社，2007.