基于有限元法的脫接器彈簧爪片數(shù)優(yōu)選

王思淇，張 勇，陳有斌

(1.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)(2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163000)

抽油機(jī)與管式抽油泵配套進(jìn)行采油作業(yè)時(shí)，為提高油井產(chǎn)液量，通常采用大排量深井泵抽油。當(dāng)抽油泵柱塞直徑大于油井所用油管內(nèi)徑時(shí)，就必須配套大泵脫接器，以實(shí)現(xiàn)抽油泵柱塞與抽油桿柱的對(duì)接和脫離[1-4]。脫接器在井下對(duì)接、脫離時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷，容易使彈簧爪上的爪片承受的作用載荷超出自身的強(qiáng)度，同時(shí)彈簧爪根部會(huì)因應(yīng)力集中發(fā)生斷裂[5-8]。因脫節(jié)器失效導(dǎo)致的重新檢查泵況時(shí)有發(fā)生，脫節(jié)器爪片的可靠性成為限制機(jī)械采油系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的瓶頸。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同的角度對(duì)脫接器的可靠性開(kāi)展了研究工作。李楓等[9]利用有限元方法對(duì)采油井筒內(nèi)脫接器中心桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；李軍等[10]采用對(duì)比試驗(yàn)法對(duì)不同狀態(tài)的301材料制彈簧片與20C鋼制彈簧片進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和吸片組件力學(xué)特性測(cè)試；孔德平等[11]針對(duì)雙柔性桿碰撞問(wèn)題，提出了雙柔性桿軸向碰撞的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法；朱勛等[12]運(yùn)用有限元分析軟件分析了旋繞比、螺旋升角等參數(shù)對(duì)彈簧剛度的影響，并對(duì)拉伸載荷下截面剪切應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了研究。上述研究對(duì)于脫接器的發(fā)展提供了重要幫助，但未對(duì)脫接器彈簧爪的爪片數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。本文利用有限元軟件Work-bench對(duì)彈簧爪的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，探討彈簧爪的爪片數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，從而選出最優(yōu)爪片數(shù)。

1 幾何模型的建立

彈簧爪為圓筒狀結(jié)構(gòu)，沿周向均勻開(kāi)槽，建立的三維實(shí)體模型如圖1所示。圖中爪片數(shù)n為6，材料為35CrMo，彈性模量E為217 000MPa，泊松比μ為0.3，在850℃淬火和550℃回火情況下，屈服強(qiáng)度Re為835MPa，抗拉強(qiáng)度Eh為980MPa。

圖1 爪片數(shù)為6時(shí)彈簧爪的三維實(shí)體模型

2 有限元分析

彈簧爪作為一種卡扣結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度分析包括脫接器對(duì)接過(guò)程和對(duì)接后工作狀態(tài)兩個(gè)部分。本文首先對(duì)彈簧爪工作狀態(tài)下不同爪片數(shù)時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，確定出最佳爪片數(shù)量，并對(duì)彈簧爪在對(duì)接時(shí)的失效影響進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1 工作狀態(tài)下不同爪片數(shù)的有限元分析

彈簧爪的爪片沿周向均勻分布。根據(jù)彈簧爪的受力情況，并且為了提高計(jì)算效率、簡(jiǎn)化有限元模型，本文僅對(duì)彈簧爪的單爪片進(jìn)行模擬分析，即利用Workbench14.0中的Static Structural模塊對(duì)單爪片進(jìn)行抗拉強(qiáng)度數(shù)值模擬。

不同爪片數(shù)時(shí)彈簧爪的應(yīng)力云圖如圖2所示，不同爪片數(shù)條件下根部應(yīng)力值均較其他位置大；隨著爪片數(shù)的不斷增加，彈簧爪的應(yīng)力分布越來(lái)越不均勻，最大應(yīng)力值位置逐漸趨向于卡槽位置，直至n為16時(shí)主應(yīng)力集中在卡槽凹肩處，其他部位應(yīng)力值與此處差距較大，該位置也是彈簧爪爪片易斷處，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。

圖2 不同爪片數(shù)的爪片應(yīng)力云圖

脫接器工作在井筒內(nèi)部并同時(shí)發(fā)生著上下竄動(dòng)和振動(dòng)，為保證安全，材料的安全系數(shù)不得小于2。圖3所示為爪片的主應(yīng)力、安全系數(shù)與爪片數(shù)的關(guān)系曲線圖，爪片數(shù)n為2～5時(shí)，主應(yīng)力隨爪片數(shù)變化的幅度很小，其中n為5時(shí)，主應(yīng)力為80.1MPa；n為6～16時(shí)，主應(yīng)力隨爪片數(shù)的增加逐漸變大，在n為16時(shí)主應(yīng)力達(dá)到542.0MPa，雖未達(dá)到材料的屈服極限835.0MPa，但安全系數(shù)為1.54，低于許用安全系數(shù)。

圖3 主應(yīng)力、安全系數(shù)與爪片數(shù)關(guān)系曲線圖

由圖3可知，當(dāng)葉片數(shù)大于12時(shí)的安全系數(shù)已不能保證工作的可靠性，所以彈簧爪的爪片數(shù)不應(yīng)超過(guò)12，即在爪片數(shù)為2～12時(shí)均能滿足彈簧爪的抗拉強(qiáng)度。

2.2 不同爪片數(shù)條件下的對(duì)接過(guò)程有限元分析

本文通過(guò)構(gòu)建彈簧爪與中心桿的物理模型，來(lái)分析爪片數(shù)n為3～12時(shí)的最大主應(yīng)力及主應(yīng)力位置和數(shù)值與爪片數(shù)的關(guān)系。

從圖4的最大主應(yīng)力分布可以看出，彈簧爪在各爪片數(shù)中最大應(yīng)力值均發(fā)生在爪片根部直角位置，與單葉片分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。從圖5的主應(yīng)力與爪片數(shù)關(guān)系曲線可以看出，隨爪片數(shù)的增加，彈簧爪爪片根部最大主應(yīng)力降低，爪片數(shù)由3增加到5時(shí)，主應(yīng)力值迅速下降，n為3時(shí)其值為1 349.0MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的屈服極限835.0MPa；n為4時(shí)主應(yīng)力值下降到屈服極限以下，其值為695.0MPa，安全系數(shù)為1.2；n為5～11時(shí)主應(yīng)力值變化平緩。當(dāng)爪片數(shù)n=12時(shí)最大主應(yīng)力值為88.7MPa。

圖4 爪片數(shù)n=3～11對(duì)接時(shí)最大主應(yīng)力

圖5 對(duì)接時(shí)彈簧爪主應(yīng)力與爪片數(shù)關(guān)系曲線圖

為滿足彈簧爪徑向變形的安全要求，取安全系數(shù)為2，因此當(dāng)彈簧爪片數(shù)n為5～12時(shí)可滿足彈簧爪工作強(qiáng)度要求。

3 結(jié)果討論與改進(jìn)措施

3.1 最優(yōu)爪片數(shù)確定

由模擬分析可知，脫接器對(duì)接過(guò)程和對(duì)接后工作狀態(tài)下彈簧爪爪片數(shù)應(yīng)在5～12范圍內(nèi)選擇。此外應(yīng)綜合考慮以下原則：1)在強(qiáng)度滿足條件的前提下，爪片數(shù)應(yīng)盡可能多選，以避免對(duì)接過(guò)程中的沖擊破壞；2)考慮到彈簧爪根部為應(yīng)力集中位置，需要設(shè)計(jì)開(kāi)槽、圓角等以避免應(yīng)力集中，從結(jié)構(gòu)上考慮應(yīng)限定爪片數(shù)不多于10個(gè)；3)爪片數(shù)采取奇數(shù)優(yōu)先原則，避免當(dāng)某一爪片在發(fā)生彎曲時(shí)通過(guò)中心桿直接作用在與其中心對(duì)稱的爪片上，從而造成更大的破壞。綜上所述，確定本文中最優(yōu)彈簧爪爪片數(shù)n為9，并重新設(shè)計(jì)了爪根部結(jié)構(gòu)。

3.2 驗(yàn)證分析

圖6為爪片數(shù)n為9時(shí)的彈簧爪對(duì)接時(shí)爪片的應(yīng)力與時(shí)間變化曲線圖，圖7為爪片的應(yīng)力與位移變化曲線圖。由圖6可看出，應(yīng)力值在對(duì)接初始階段變化劇烈，由0MPa短時(shí)間內(nèi)迅速增大到125MPa，其后應(yīng)力值趨于平穩(wěn)，最后階段由130MPa迅速減小到0MPa。由圖7可看出，彈簧爪徑向位移在初始階段變化劇烈，由0mm短時(shí)間內(nèi)迅速增大到2.30mm，其后位移數(shù)值變化較小，最后階段由2.55mm迅速減小到0mm。由分析結(jié)果知，對(duì)接時(shí)最大應(yīng)力值為130MPa，最大位移值為2.55mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 爪片數(shù)n為9對(duì)接時(shí)應(yīng)力與

圖7 爪片數(shù)n為9對(duì)接時(shí)應(yīng)力與位移變化曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于現(xiàn)有脫接器彈簧爪存在的問(wèn)題，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)脫接器爪數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選研究，從彈簧爪安全系數(shù)和彈簧爪徑向變形兩方面進(jìn)行了綜合優(yōu)化，為脫節(jié)器彈簧爪的設(shè)計(jì)提供了可靠性數(shù)據(jù)支持。但是，目前的研究工作僅通過(guò)數(shù)值仿真手段進(jìn)行評(píng)價(jià)，在后續(xù)的工作中應(yīng)通過(guò)制作樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)際測(cè)試并與仿真結(jié)果互相驗(yàn)證，以保證最終優(yōu)化結(jié)果的真實(shí)性。