抽油機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工裝配套

楊衛(wèi)星， 王寶陽， 李乙朝， 李云濤

（吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆 哈密 839009）

0 引言

彎游梁抽油機(jī)是我廠抽油機(jī)中的主力產(chǎn)品，它以結(jié)構(gòu)簡單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)在吐哈油田廣泛使用，其外形結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 彎游梁抽油機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其中橫梁是彎游梁抽油機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，是抽油機(jī)四桿機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)連桿的一部分，是傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵零件之一。其制造一般采用板材組焊、整體鑄造和型材組焊加工等幾種方式。橫梁結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，承載較大，特別對(duì)于前置式彎游梁系列抽油機(jī)用橫梁來說，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程還承受交變應(yīng)力作用［1］，易發(fā)生橫梁擺動(dòng)故障，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸精度、強(qiáng)度及可靠性要求較高。此外抽油機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)存在不足，造成組焊不便、加工效率低等問題，因此有必要對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以及對(duì)其制造工藝進(jìn)行研究。下面以14型彎游梁抽油機(jī)為例，開展橫梁制作分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工裝配套。

1 現(xiàn)狀分析

我廠常用的12、14、16型彎游梁抽油機(jī)橫梁主體為鋼板組焊而成的工字型結(jié)構(gòu)件，中間通過螺栓與橫梁軸承總成相連，兩端則采用δ70 mm厚板加工而成的耳座，通過連桿銷與連桿相連。常見橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 常見橫梁結(jié)構(gòu)

1.1 耳座制作工藝分析

目前我廠耳座制作流程為：下料→銑→鉆→車。

工藝流程分析：耳座由70 mm厚鋼板制成，利用火焰切割機(jī)下料，切割面精度參差不齊，且與基準(zhǔn)面垂直度嚴(yán)重超差。由于采用火焰切割，耳座外形尺寸存在大小嚴(yán)重不均，最大差值達(dá)到了5 mm，對(duì)與橫梁主體組焊加工造成較大影響。

因此，為保證橫梁銷孔圓柱度，下料要求單邊增加5 mm的加工余量，然后再上銑床將外形加工至成功尺寸。由于銑床效率相對(duì)較低，每天可加工16件；火焰切割可下料80件，加上中心鉆孔及車削孔，組焊前單個(gè)耳座平均工時(shí)1.1 h，如圖3所示。

圖3 組焊前耳座

1.2 橫梁制作工藝分析

橫梁制作工藝如下：下料→主體組焊→銑上平面→組焊耳座→鏜削耳座銷孔及內(nèi)開尺寸。

耳座組焊前的內(nèi)孔及連桿小頭接觸端面均留有余量，在耳座與主體焊接后，進(jìn)行鏜削加工，以保障兩耳座孔的尺寸及定位精度。

而現(xiàn)場(chǎng)耳座與橫梁主體焊接時(shí)，常采用以耳座周邊加工面為定位基準(zhǔn)，采用簡易限位塊方式進(jìn)行定位在平臺(tái)上組焊。由于定位精度差，常造成以下幾個(gè)的問題：1）組焊后兩耳座孔軸心偏差過大，鏜削內(nèi)孔時(shí)，加工余量不足，需要重新返工，造成浪費(fèi)。2）耳座內(nèi)開襠（見圖2）加工后，由于垂直度精度偏差，為保證耳座對(duì)稱度，造成加工后耳座厚度不均。3）由于耳座外側(cè)為非加工面，組焊引起的垂直度精度差造成連桿銷裝配出現(xiàn)墊圈或銷軸軸肩與耳座無法緊密貼合問題。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)以上分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出以下兩點(diǎn)依據(jù)：1）在不降低原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，合理選用材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2）耳座制作效率明顯提升，降低成本。

2.1 耳座優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化依據(jù)，采用圓形結(jié)構(gòu)耳座，選用無縫鋼管φ168×40，20鋼（常用料），這樣其下料、加工及組焊等方式均發(fā)生變化。耳座制作流程：下料→車。

工藝流程分析：采用鋼管材料，需用鋸床下料，加工時(shí)只需采用效率高的車削方式。與方形耳座相比，可節(jié)約近50%的工時(shí)，見表1，單個(gè)耳座材料利用率得到一定提升，成本下降了1/3。

表1 優(yōu)化前后單個(gè)耳座制作工時(shí)對(duì)比 h

2.2 橫梁優(yōu)化

在保證整體強(qiáng)度不受影響的依據(jù)下，橫梁優(yōu)化主體保持原結(jié)構(gòu)不變，局部根據(jù)耳座的改變進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證耳座連接強(qiáng)度，即要保證焊縫連接長度與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)，因此加大了支撐板尺寸，并對(duì)筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加長。

2.3 校核計(jì)算

結(jié)合14型設(shè)計(jì)計(jì)算資料，利用有限元分析軟件，建立橫梁模型，對(duì)耳座局部進(jìn)行分析。結(jié)果如下：當(dāng)連桿受拉時(shí)，橫梁向下彎曲，耳座局部應(yīng)力最大值為18.7 MPa；當(dāng)連桿受壓時(shí)，橫梁彎曲，耳座局部應(yīng)力最大值為48.5 MPa。最大應(yīng)力與板材及焊縫的屈服強(qiáng)度（225 MPa）相比，安全系數(shù)達(dá)到4.6，滿足受交變應(yīng)力部件規(guī)定的安全系數(shù)3.5的要求，如圖5、圖6所示。

表2 優(yōu)化前后耳座利用率成本對(duì)比

圖4 優(yōu)化后橫梁結(jié)構(gòu)

圖5 連桿受拉時(shí)結(jié)構(gòu)分析

圖6 連桿受壓時(shí)結(jié)構(gòu)分析

3 耳座組焊工裝設(shè)計(jì)

橫梁主體主要在平臺(tái)上組焊，尺寸精度能滿足要求。存在問題主要在耳座與橫梁的組焊上，從橫梁工藝分析中可知，如何保證耳座組焊精度是耳座組焊工裝研究重點(diǎn)。因此結(jié)合橫梁制造特點(diǎn)，提出以下設(shè)計(jì)依據(jù)：1）以橫梁上加工平面為基準(zhǔn)，進(jìn)行定位。2）保證耳座端面垂直度，確保連桿銷貼合緊密。3）采用穿銷軸方式，確保兩耳座的同軸度，保證加工余量。

根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)，最終設(shè)計(jì)橫梁耳座組焊工裝見圖7。定位銷滿足了耳座同軸度要求，隔套保證耳座端面與孔的垂直度，同時(shí)便于橫梁在工裝的拆裝。

圖7 耳座組焊工裝

4 應(yīng)用情況

優(yōu)化后橫梁每件整體制造工時(shí)可減少2 h，配套到新制造抽油機(jī)共100臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用70余臺(tái)，運(yùn)轉(zhuǎn)1年來，效果良好。采用耳座組焊工裝后，橫梁組焊質(zhì)量提升明顯，沒有出現(xiàn)返工等現(xiàn)象。目前所有橫梁耳座的組焊均采用工裝進(jìn)行定位。

5結(jié)語

圓形耳座的應(yīng)用，提高橫梁整體制造效率，節(jié)約了成本。經(jīng)過1a的應(yīng)用，優(yōu)化后橫梁滿足設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。工裝的配套，提高了橫梁組焊質(zhì)量，提高了橫梁的互換性。

［1］ 董世民，張士軍.抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：56-58.

［2］ 羅仁全，張學(xué)魯，于勝存，等.游梁式抽油機(jī)節(jié)能機(jī)理及其典型構(gòu)件分析［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2007.