游梁式抽油機支架的有限元模態分析

游梁式抽油機支架的有限元模態分析

潘小兵1董小慶2宋治國3

(1.大慶油田試油試采分公司試油大隊，黑龍江 大慶 163412；2.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024；

3.中石油鉆井院江漢機械研究所，湖北 荊州 434000)

摘要：支架是游梁式抽油機的主要承載部件，其振動特性對抽油機的穩定性和可靠性有重要影響。現以C-228D-173-74抽油機支架為例進行模態分析，得到預應力狀態下支架前6階的振型和固有頻率。模態分析結果表明：該抽油機支架最低頻率為22.39 Hz，工作中發生與電機諧振的可能性較大，可適當調整電機轉速以避開共振頻率；前支撐腿剛度不足，應采取適當措施加強。

關鍵詞：游梁式抽油機；支架；SolidWorks Simulation；模態分析

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：潘小兵(1979—)，男，甘肅靈臺人，工程師，從事石油、天然氣勘探開發工作。

0引言

游梁式抽油機是一種機械采油裝置，是我國各大陸上油田的主力采油設備[1-2]，其主體結構由曲柄、連桿、游梁、橫梁、驢頭、支架等部件組成。游梁安裝在支架的軸承座上，以軸承座中心為支點作旋轉擺動。作為抽油機中重要的結構件之一，支架既為游梁的擺動提供支點，又承受著抽油機工作中懸點載荷和連桿力傳遞給游梁的巨大載荷，其振動特性關系到抽油機穩定性及整個機采系統的可靠性。

有限元模態分析是一種用數值模擬方法確定結構振動特性的技術，可克服實際模態測試中的諸多限制[3]，在石油裝備行業的應用越來越廣泛，為石油裝備零部件乃至整機動態特性的分析提供了有效手段。本文基于SolidWorks的Simulation工程分析模塊對API C-228D-173-74抽油機支架進行了模態分析，得到了支架各階模態的固有頻率及其振型，為抽油機的動態設計提供了有意義的理論指導。

1模態分析的數學方法

抽油機支架可簡化為一個多自由度線性定常系統，其運動微分方程可描述為[4]：

(1)

若系統無外力作用，則F={0}，可得到系統的自由振動方程。在求結構自由振動的頻率和振型即求結構的固有頻率和固有振型時，阻尼對計算結果的影響很小。因此，阻尼項可以忽略，這時無阻尼自由振動的運動方程為：

(2)

其對應的特征方程為：

(K-ω2M)X=0

(3)

式中，ω為系統的固有頻率。

解方程組(3)可得到系統的模態參數。

2抽油機支架的模態分析

2.1模型建立

API C-228D-173-74抽油機是油田使用較多的一種輕型抽油機，其支架主要由支撐腿、支撐板、夾板、加強板、調整座、軸承座、調整螺栓等零部件組成。其中支撐腿由H型鋼制成，支撐板為角鋼，加強板則為一定厚度的鋼板。支撐腿數量為3條，是整個抽油機支架的主體，支撐板和加強板焊接在支撐腿上，軸承座用墊圈和螺栓安裝在支架頂端。

利用SolidWorks基于特征的建模功能建立支架的實體模型，假設所有焊縫均沒有問題，故將整個支架建立為一個實體。建模時省略了軸承座、螺栓螺母等細小結構。所建立的三維實體模型如圖1所示。

2.2有限元網格劃分

在Simulation模塊下進行支架的網格劃分。鑒于抽油機支架的支撐腿、支撐板、加強板間長度尺寸相差較大，故分別對各零件應用不同的網格精度控制參數，以獲得較均勻的網格分布。為增加網格劃分的成功率，網格類型選擇為“基于曲率的網格”[5]，支架的有限元網格模型如圖2所示，共103 494個節點，52 671個單元，經檢查無扭曲單元存在，說明網格劃分的質量較高。根據支架的設計要求，在網格劃分完畢后統一設定材料為“普通碳鋼”。

圖1　抽油機支架三維實體模型　　圖2　抽油機支架的有限元網格

2.3載荷及約束施加

抽油機支架在工作過程中受到一定的載荷，因此預應力模態分析比自由模態分析更能準確反映支架實際振動特性。因驢頭懸點的載荷隨著曲柄轉角的變化而變化，是時間的函數，在軟件中不便施加動態載荷，故本分析根據最惡劣的工況施加載荷，以驢頭位于下死點并即將開始上沖程運動為最大受力位置。依據API規范[6]和該抽油機型號，可計算出此時支架水平和豎直方向受力分別為FX=28.95 kN、方向向右，FY=201.78 kN、方向豎直向下，將這兩個力分別施加于支架頂板上部和側面。

支架的3條支撐腿分別由螺栓固定在基座上，根據其實際安裝狀態，分別在3條支腿的螺栓安裝板上施加“固定”約束。

2.4結果分析

選擇Direct sparse解算器進行求解，可得到支架的各階模態振型和參數。圖3為前6階振型，表1列出了前6階振型所對應的固有頻率和最大振幅。

圖3　抽油機支架的前6階振型

階數振動頻率/Hz最大位移/mm122.397.18242.505.30345.338.11465.597.17587.409.34694.7411.39

由表1知，支架的1階固有頻率為22.39 Hz，已遠遠超過驢頭上下運動的頻率，因此在抽油機工作過程中支架不會與游梁運動頻率耦合而產生共振。但由于該抽油機的電機、減速器和后支撐腿安裝在同一基座上，在電機轉速為1 200 r/min左右時，電機的轉動作為激勵源，可能激起支架的1階模態。其余各階模態頻率均在40 Hz以上，通常不會被抽油機本身的激勵源激發。

由圖3可知，1、3、5階振型主要表現為兩條前支撐腿的彎曲，第2階振型主要為后支撐腿的彎曲，第4、6階振型主要是前支撐腿的彎曲及扭轉。

觀察模態發現最大振幅發生在第6階，前支撐腿中部位移為11.39 mm，最小振幅發生在第2階，后支撐腿上部位移為5.30 mm，而可能被激起的第1階模態位移發生在前支撐腿的中上部，為7.18 mm。

總體而言，除了第2階模態振型以外，前支撐腿在其余各階振型中都發生了最大模態位移，說明支架的后支撐腿、支撐板和加強板具有足夠的剛度，而前支撐腿剛度不足。可采取適當調節電機轉速的方法來避開共振頻率，或對前支撐腿采取加強措施，如在最大模態位移部位焊接加強板或將前支撐腿更換為截面積較大的H型鋼。

3結論

本文以API C-228D-173-74抽油機支架為研究對象，在SolidWorks環境下建立其三維實體模型，并利用Simulation模塊進行了有限元仿真，經模態分析得到支架的前6階振型，得出以下結論：(1) 該支架的第1階模態較容易被電機轉動激起，應適當調整電機轉速以避開共振頻率；(2) 支架前支撐腿模態位移較大，剛度不足，應采取相應的加強措施。

[參考文獻]

[1]齊俊林，郭方元，黃偉，等.游梁式抽油機分析方法[J].石油學報，2006，27(6):116-119.

[2]陳憲侃，陳萬薇，孫建華.游梁式抽油機與直線電機抽油機[J].石油鉆采工藝，2003，25(1):67-70.

[3]楊秀娟，閆相禎，王建軍.C-320D-256-120型游梁式抽油機運動過程中的模態變化規律研究[J].石油礦場機械，2005，34(1):30-34.

[4]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[5]葉修梓，陳超祥.SolidWorks Simulation高級教程[M].北京：機械工業出版社，2009.

[6]API SPEC 11E—2008抽油機規范[S].