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技術文章

新型節能抽油機主要承載構件應力測試

閱讀:232          發布時間:2021-3-10

懸掛偏置游梁抽油機是一種節能新型抽油機,整機結構尤如一架天平,其運動部件與常規機基本相同,但在平衡方式上采用游梁平衡方式,去掉了曲柄平衡塊,增加了懸掛及偏置平衡塊,在游梁上裝有前后驢頭,懸點負荷變化與平衡力距的變化規律趨于一致。同時,減速箱凈扭矩減小,具有較好的節電效果。采用前置橫梁及連桿,雙排*軸承座,沖程增大,四連桿機構設計合理,運行安全可靠。動態平衡率高,調節參數方便,易于操作維護。抽油機能否安全可靠運行,在很大程度上取決于承載構件的結構設計及強度裕度。利用電阻應變測量技術對該型抽油機游梁、連桿等主要承載構件在不同載荷及工況下進行靜、動態應力測試研究,為進一步優化設計提供依據。

應力測試方案

選取新型懸掛偏置游梁抽油機作為測試樣機,在3種不同載荷下,采用應變儀進行動、靜態應力測試。并對減速器輸出軸扭矩與常規抽油機進行對比測試。

動靜態應力測試點選取

根據受力分析,應變片選取在游梁、連桿的大應力處。將各種電阻應變片按一定方向粘貼在結構表面,接成測量電橋,采用JHDJ動靜態應變儀進行數據采集,將應變片測出的構件表面某點應變換算后得到應力值,不同應力狀態采用不同的換算關系。

應力測試加載方案

為研究該機應力與載荷的關系,試驗中分3次加載。加載前驢頭自重608kg,負載2100kg;后驢頭自重1860kg,后驢頭平衡塊重2080kg。

靜應力測試

第一次加載,前驢頭加載2100kg;第2次加載,后驢頭加載2700kg;第3次加載,前驢頭加載3500kg,后驢頭加載728kg。

動應力測試

對于工況1,前驢頭加載5600kg,后驢頭加載3428kg,沖次9min-1,次程3m;對于工況2,前驢頭加載3840kg,后驢頭加載3092kg,沖次6min-1,次程3m;工況3,前驢頭加載5600kg,后驢頭加載3428kg,沖次4min-1,次程3m。

試驗數據分析

  • 游梁 游梁理論計算采用ASP91分析程序對危險工況進行有限元計算,邊界條件處理以*軸承座為固定鉸支,以橫梁軸承支座為可動鉸支,可得到模型非常直觀清晰的全場應力分析情況,比較二者結果可知,計算與實測工況相當吻合。游梁大應力發生在上翼板中部,大靜應力為47MPa(工況1),游梁動應力大僅為10MPa(發生在工況1,9min-1),強度足夠,計算所得全場應力分布圖也是準確的。
  • 連桿 2根連桿各測點靜測數值增量及計算值可計算出2根連桿在3次加載條件下所引起的總平均應變值及每噸載荷引起的平均應變值。

3次加載實測結果與理論計算誤差分別為18.7%、-4.9%、39%。從第一次和第二次加載每噸載荷分別引起的應變值,即可得到總載荷作用下2根連桿的總應變數值。

實測連桿總壓力P=44.766KN;連桿上平均應力σA=Eε=6.86MPa。可見,當抽油機兩邊載荷平衡時,連桿上的靜應力很小。

由各測點應變量及應力可看出,大動應力發生在連桿及軸承座部位,當采用大負荷沖次9min-1時,連桿測點應力幅峰值達到許用應力的1/8,但靜應力較小,不致于影響連桿強度,但對連桿兩端的聯接部位,應注意應力集中對其使用壽命的影響。當采用6min-1時,連桿動應力幅度大幅降低,平均不僅為前者的23%,而事實上,抽油機在生產中基本上都采用中低沖次。因此,該抽油機連桿的設計是合理的。

扭矩測試

為檢測該型機減速箱輸出扭矩特性,在3種典型工況中,對其減速箱輸出軸扭矩及常規游梁抽油機進行對比測試,沖程調為3m,沖次及懸點掛重*一樣。測試采用在減速器輸出軸兩側布置2組±45°扭矩應變片,測量時,組成全橋。工況1,沖次9min-1、懸點掛重7.11*103kg、沖程3m(懸點動載9.3*103kg);工況2,沖次6min-1、懸點掛重5.35*103kg、沖程3m(懸點動載6.1*103kg);工況3,沖次4min-1、懸點掛重5.35*103kg、沖程3m(懸點動載6.1*103kg)。

由不同工況下減速箱輸出軸扭矩數據可知,新型機所使用37KN*m減速箱在工況2、3時,正負扭矩峰值與常規型53KN*m減速箱相比,在低沖次時,減速箱輸出軸正扭矩峰值比常規抽油機低73%,負扭矩峰值比常規抽油機低80%。

總結

對該井新舊機型進行了安裝前后及使用過程中跟蹤對比測試,取得了較為完整和可信的數據,與常規抽油機對比臺架試驗節電率達17%-42%,現場試驗在使用節能電機基礎上節電率達15%(而常規機本身為節能機型,所配電機為節能雙速電機)。

  • 主要承載構件如游梁、連桿各點應力與理論計算結果吻合,均能滿足設計要求,技術條件選擇恰當,應力分布合理。
  • 減速箱輸出扭矩小,平衡性能優于曲柄平衡抽油機,節能機理合理有效。
  • 該型抽油機機構設計合理,綜合性能有一定優勢,有一定市場潛力。
  • 抽油機運行安全可靠,節能效果好。

由于天氣等原因,少數測點數據不太準確,且理論值與實測值之間有一定的誤差,但誤差仍在工程允許范圍內,測試方法正確可行,結論可靠。

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