游梁式抽油机曲柄销可靠性设计

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1、抽油机曲柄销的可靠性设计研1407焦峥辉142020340摘要：抽油机是应用最广泛地面采油设备，根据其连续不断工作和工作环境恶劣的特点，因此对抽油机的可靠性提出了更高的要求。特别是曲柄销，是抽油机的关键零件，如果曲柄销发生失效，使抽油机不能正常工作甚至发生事故。因此本文就抽油机曲柄销的可靠性设计进行讨论。关键词：曲柄销，可靠性0前言可靠性是一门多学科交叉的边缘性学科，可靠性设计技术是综合众多学科成果，以解决产品可靠性为出发点的一门应用性工程学科。根据GJB-451A的定义:可靠性指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计的基本思想是以应力和强

2、度为随机变量作为出发点，应用概率和统计方法进行分析、求解，能定量的回答产品的失效概率和可靠度，并综合考虑环境的影响和维修性等因素。抽油机是应用最广泛地面采油设备，根据其连续不断工作和工作环境恶劣的特点，因此对抽油机的可靠性提出了更高的要求。特别是曲柄销，曲柄销是连接曲柄和连杆的一个铰销，在抽油机中是一个关键零部件也是一个易损件。根据一些油田统计，抽油机故障中曲柄销失效约么一半，且曲柄销的失效模型一般均为疲劳断裂失效，曲柄销断裂可能造成抽油机侧翻，抽油杆断裂，抽油泵损坏，人员伤亡等严重后果。[1]曲柄销的作用是连接曲柄与连杆，并传动运动和动力。曲柄的一端通过轴承和连杆

3、连接，另一端通过锥面和曲柄过盈配合连接并用螺母预紧。曲柄销失效主要有三种形式：曲柄销磨损、螺母松动、曲柄销断裂。[2]'[4]曲柄销的磨损主要是指曲柄销锥面和锥套之间的磨损。曲柄销和锥面之间由于装配或制造等原因存在微动，或者是预紧螺纹发生松动后，破坏了曲柄销和锥套的过盈配合状态，使之松动，从而改变了曲柄销的受力状况，如果曲柄销传到曲柄体上的力产生的应力超过了曲柄体的强度极限，曲柄体丌始扩孔，曲柄销的悬臂长增加，曲柄销的中部和小端承受的弯曲载荷增加，在应力集中的部位产生疲劳破坏。[5]曲柄销螺纹联接松动的原因分析：（1）连杆作用力的影响。抽油机正常工作时，连杆作用于曲

4、柄销上的拉力（以下称作用力）垂直于曲柄销轴线，其大小与位置随曲柄转角的改变而时刻发生变化，是变动载荷。在进行曲柄销设计时此作用力是强度和结构设计的重要依据，而对于曲柄销螺纹联接体（由曲柄销、拧紧螺母、垫圈及曲柄体等组成的整体）而言，此作用力实际是一种振动载荷，它能够使曲柄销螺纹联接产生松动。此外，来自整个抽油机工作系统的振动也能引起各部位螺纹联接的松动。由于连杆的作用力是抽油机工作过程中所必须的，无法避免与克服，因此它对螺纹联接产生的松动影响也是无法消除的。（2）预紧力不足。在螺纹联接屮，施加于螺母上的拧紧力矩是用来克服螺纹副间的摩擦阻力矩T,和螺母与其支承面间的摩

5、擦阻力矩T2的。由T,，T2的计算原理知道，T,,T2的大小均与预紧力的大小直接相关。在弹性形变范围内，预紧力增大，T,,T2随之增大，则此时拧紧或松动螺母时所需要的扭矩就愈大;反之，预紧力减小，1,1随之减小，此时拧紧或松动螺母时所需要的扭矩也就愈小。这正是工程上采用紧螺纹联接吋需要控制预紧力的原因之一。由上述分析可知，预紧力不足吋，不利于防松，螺纹联接容易松动，影响联接的可靠性。（3）螺纹件的加工质量较差。螺纹件的加工质量比较差时对螺纹副的配合质量影响是比较大的，主耍表现为:减小螺纹牙的工作高度，增大了配合间隙;螺纹牙侧接触面积减小，严重时会使面接触变为线接

6、触；负荷集中于个别螺纹牙齿面上等。这些影响大大减小了螺纹牙的有效承载面积，不仅降低了联接的工作能力，也极不利于螺纹联接的防松。曲柄销螺纹及其螺母的加工质量也是导致曲柄销螺纹联接松动的主要因素之一。曲柄销的断裂失效：[6][7]交变载荷引起的疲劳破坏，是由微裂纹源开始，在交变载荷的作用下，裂纹源逐步扩展，直到截面强度不足时，突然断裂，在裂纹源附近出现光滑断裂带，而剪切破坏断面没有溜线形光滑断裂带。根据游梁式抽油机的结构与承受载荷特点来分析，连杆传递给曲柄销的拉力大小是变化的，而且作用的方向也在不断的变化，即曲柄销承受的载荷为交变载荷。这个交变载荷与曲柄销和锥套的过盈配

7、合面上产生一个交变弯矩。在交变弯矩的作用下，使过盈配合面产生和对滑动，形成滑动区。如果滑动区的长度超过过盈配合的结合长度，连杆拉力产生的交变弯矩就会传到曲柄销的小端和螺纹根部，使锥面小端和螺纹部分受到交变载荷的作用，从而引起锥面小端和螺纹根部出现疲劳破坏。如果锥面屮部开有退刀槽，在交变弯矩的作用下，则在退刀槽处产生较大的应力集中现象，因此锥面中部都是疲劳断裂失效，这与实际情况是相符的。曲柄销锥面设计参数的可靠性设计[8]抽油机曲柄销的外载荷包括螺母预紧力和连杆拉力，螺母预紧力在抽油机曲柄销的工作过程屮可以视为静载荷，而连杆拉力则会给工作屮的抽油机曲柄销带来交变扭