CYJ1850型抽油機支架的疲勞壽命分析及結構改進

張益鳴

(中國石油集團濟柴動力總廠成都壓縮機廠，四川 成都 610100)

郭登明，蔣波，左彩靈，周靖力

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

楊衛星，顏丙山

(吐哈石油勘探開發指揮部機械廠，新疆 哈密 839009)

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CYJ1850型抽油機支架的疲勞壽命分析及結構改進

張益鳴

(中國石油集團濟柴動力總廠成都壓縮機廠，四川 成都 610100)

郭登明，蔣波，左彩靈，周靖力

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

楊衛星，顏丙山

(吐哈石油勘探開發指揮部機械廠，新疆 哈密 839009)

[摘要]國內某油田使用的大型抽油機CYJ1850，其支架作為主要的承載構件在使用的過程中發生了疲勞失效的情況。為了減少和規避因疲勞失效問題造成的事故，運用ANSYS軟件通過對該型抽油機支架進行有限元分析，驗證了支架的靜強度及剛度。根據計算結果完成了對該型抽油機支架的結構改進，并對改進前后的抽油機支架進行有限元分析和疲勞壽命分析。分析結果表明，改進后該型抽油機支架的等效應力大幅下降，滿足了靜強度要求；疲勞壽命也大幅增加，達到了規定的壽命要求。

[關鍵詞]抽油機 ；疲勞壽命 ；有限元分析；應力集中

當前，我國各大油田使用的抽油機經常出現各種問題，抽油機的金屬構件發生疲勞破壞是最常見的現象，這對油田的正常開采會造成嚴重的后果。據統計，在機械設備各類承載構件的失效中大約有80%是因為疲勞斷裂[1]所造成的，進而導致一系列災難性事故的發生。抽油機是由一種典型的往復運動機構構成，受力構件都存在疲勞失效問題，其使用壽命很大程度上取決于主要承載構件的壽命。而其中支架的破壞則意味著整機不能正常工作，往往造成巨大的事故和損失，所以針對抽油機支架進行疲勞壽命分析[2,3]具有一定的實際意義。國內某油田使用的CYJ1850型抽油機懸點載荷180kN，沖程長度為5m，減速器額定扭矩為105kN·m，該型抽油機在投入使用后，在滿足靜強度條件下，抽油機支架的關鍵部件發生了不同程度的疲勞損壞，嚴重影響了油田的正常生產。筆者以有限元ANSYS Workbench軟件為工具，分析CYJ1850型抽油機支架在類似實際工作條件之下的壽命，并根據結果對支架結構進行改進[4]和優化，使其靜強度和壽命得到良好的改善。

1抽油機支架改進前的強度分析

1.1支架結構模型的建立

CYJ1850型抽油機支架采用四腿結構，前后主腿使用單根32a工字鋼，斜撐與橫撐使用32a槽鋼，主腿和后撐的高度差為1850mm。在有限元分析中首先要對支架進行適當的簡化，如螺栓等無關分析零件可以忽略。為了盡量減少誤差，支架的主腿用設計時的工字鋼，在支架軸承座與主腿之間使用剛性板連接。簡化支架軸承座，用剛性板代替支架軸承座。根據力學原理，對頂板和側板的簡化，計算結果處于安全范圍，而對支架軸承座的簡化并不影響計算結果。

1.2單元選擇與網格的劃分

由于抽油機支架結構相對復雜，主要由主腿、頂板、連接板、側板和橫撐組成。采用梁單元Shell63(模擬主腿與橫撐)與板殼單元Beam188(模擬頂板、連接板、側板)構建有限元模型。設定控制尺寸劃分網格，板殼精度為20mm，梁單元精度為50mm。網格劃分后共有11560個節點和50753個單元。有限元網格劃分如圖1所示。

1.3材料屬性的設置

圖1　支架的有限元網格模型

抽油機支架的材料為Q235A,定義支架的材料屬性用默認的Structure Steel。默認彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

1.4設定邊界條件及施加載荷

對于支架的邊界條件，一般是采用將前后腿底板全約束。抽油機支架受到的力是由頂板上的軸承座施加的，將此力沿垂直方向和水平方向分解為垂直支座力FY和水平支座力FX。FY加載在頂板處，方向始終垂直頂板向下，FX作用在頂板內孔處，方向沿頂板平面。FX為正時方向后腿指向前腿，FY為負時方向前腿指向后腿。

1.5支架的有限元分析

抽油機支架受支座力FY和FX的位置不變，大小改變。根據抽油機運行時所得到的數據確定支架上的應力的2種極限情況：應力最大時的工況1(曲柄轉角θ=180°)和應力最小時的工況2(曲柄轉角θ=300°)。表1為這2種工況下的有限元分析結果。

表1　支架2種工況有限元分析

該抽油機支架材料為Q235A，屈服應力σs=235MPa，許用應力[σ]=160MPa。按照工況1、工況2的位移變形圖得到該支架的最大位移為3.80mm。 根據標準SY/T 5212—2000《游梁式抽油機質量分等》，抽油機沖程長度為5.13m 時，支架頂部縱向振幅為7.00mm,頂部橫向振幅為6.00mm,該支架剛度滿足要求。按照工況1、2的等效應力云圖得到該支架的最大應力為206.70MPa，大于其許用應力。因此，該抽油機支架滿足剛度要求，但不滿足靜強度[5]要求。

2抽油機支架改進前的壽命分析

2.1支架壽命計算

疲勞分類有多種方式，實際統計數據資料顯示，抽油機的疲勞屬于高周疲勞問題， 因此支架疲勞壽命設計時可采用名義應力法[6]。名義應力法是一種傳統的安全壽命估算方法，它的出發點是構件危險點的名義應力。在計算時，將材料或構件看成是一個理想的連續體，且所受的載荷較小，應力與應變成某種線性關系。

已知材料Q235A疲勞極限σ-1=196.72MPa，由于材料應力幅值為σa(-1)=209.96MPa，大于材料疲勞極限，所以根據P-S-N曲線的通用表達式：

lgNp=ap+bplgσa(-1)(σa(-1)≥σ-1)

當可靠度為p=99.9%時，ap=36.37，bp=-12.8。此時求得危險處的循環次數為：

lgNp=36.37-12.8lg209.96Np=4.4×106

式中，Np為循環次數；ap、bp為材料Q235A在可靠度p下的系數值。

又因為該型抽油機最不利工況沖次為3r/min，即相當于其壽命為2.81a，根據石油天然氣行業規定，該型抽油機支架并不符合其15a的疲勞要求。

圖2　Q235A的S-N曲線示意圖

2.2支架壽命有限元分析

為了支架的安全，取可靠度為p=99.9%的疲勞壽命曲線，得到材料Q235A的S-N曲線如圖2 所示。圖2中曲線是以雙對數形式表現，在壽命大于107時，可以看到圖2中的曲線斜率有一定的減小。

經過Ansys Workbench軟件疲勞壽命分析[7]之后，可以得到該模型的疲勞計算結果。圖3為計算的該模型的對數壽命云圖。通過圖3可知，圖3中側板最小壽命為4.20×106次循環，也即是側板應力最大處。 通過公式計算求得側板危險處有4.4×106次循環，與軟件計算結果4.2×106次相差較小，相對誤差為5.4%。無論是公式計算還是軟件分析結果都表明，該抽油機支架不滿足疲勞壽命要求，需要改進。

圖3　支架側板頂部局部壽命云圖

3抽油機支架的改進方案

由于支架原有的結構滿足不了其強度及壽命的要求，因此提出支架的改進方案為：主腿采用36a的工字鋼取代原有的32a的工字鋼，主腿橫撐和斜撐全部采用36a的槽鋼；后撐采用32a的工字鋼，主腿和后撐的高度差仍為1850mm。制作時將前腿和后撐分開，現場安裝時將支架后撐按要求組裝并鎖緊即可。側板與前主腿之間補上一塊連接板，起穩定加固作用。

4支架改進后的強度和壽命分析

圖4為改進后支架的位移云圖。從圖4可知， 當最大載荷時，支架整體的最大位移分布位于支架的頂部，為3.00mm，位移量較小，符合石油天然氣行業標準。圖5為改進后支架等效應力云圖，從圖5可知，當最大載荷時，支架整體的最大應力為115.63MPa，位置在支架側板與頂板接觸位置，主要是局部載荷大、出現應力集中造成的。最大應力小于材料Q235A的許用應力[σ]=160MPa，符合強度要求。圖6為改進后支架側板壽命云圖。從圖6可知，支架的最小壽命為4.82×107次循環，約為30.56a，位于側板與頂板接觸處，也即為應力最大處。能夠滿足抽油機支架15a的壽命要求。

圖4　改進后支架的位移云圖　　　　　　　　　　　　　圖5　改進后支架等效應力云圖

圖6　改進后支架側板壽命云圖

表2為改進前后抽油機支架的結果分析和對比，從中可以發現改進前支架既不滿足強度要求，也不滿足壽命要求。改進后，各關鍵部件等效應力下降，全部滿足許用應力要求，壽命也大幅增加，滿足了15a的壽命要求。

表2　支架改進前后分析結果對比

5結語

應用有限元法和名義應力法對CYJ1850型抽油機支架的靜強度和壽命進行了深入分析和評估，發現其支架的強度和壽命都不滿足要求。因此提出了該型抽油機支架的改進方案，并對改進后的支架結構重新進行靜強度和壽命的分析和驗證。驗證結果表明，支架結構改進后，等效應力大幅下降，滿足了許用應力要求；支架壽命大幅增加，滿足了15a的壽命要求。根據該型抽油機的油田運行情況反饋，抽油機支架的疲勞失效情況得到了極大改善，證明改進方案可行并有效。

[參考文獻]

[1]陳傳堯. 疲勞與斷裂[M] . 武漢：華中科技大學出版社，2002.

[2] 龍靖宇. 機械設備焊接結構的疲勞壽命研究[J].煤礦機械，2005(6)：15～17.

[3] 姚衛星. 結構疲勞壽命分析[M].北京：國防工業出版社，2003.

[4] 郭登明，余鵬，嚴坤. CYJW18-5.0-105HF抽油機改進設計[J] .湛江師范學院學報，2013，34(3)：129～133.

[5] 王德俊，何雪宏. 現代機械強度理論及應用[M]．北京：科學出版社，2003.

[6] 董志航，廖志忠. 理論應力集中系數的有限元求法[J] . 航空兵器,2005(3)：15～7.

[7] Heyes P J . 基于有限元的疲勞設計分析系統 MSC/FATIGUE[J] .林曉斌譯.中國機械工程，1998，9(11)： 12～16.

[編輯]趙宏敏

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)10-0072-05

[中圖分類號]TE933

[作者簡介]張益鳴(1992-)，男，助理工程師，現主要從事器材供應與管理方面的研究工作；通信作者：郭登明， gdmgygygy@vip.163.com。

[基金項目]湖北省高等學校創新團隊基金項目(T200906)。

[收稿日期]2015-11-22

[引著格式]張益鳴,郭登明，蔣波，等.CYJ1850型抽油機支架的疲勞壽命分析及結構改進[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(10)：72～76.