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1、驴头断裂原因分析张 胜 向瑜章 蒲子宁新疆油田公司采油二厂摘 要： 以CYJY12-5-73HF型游梁式抽油机为研究对象，通过对驴头各部位的受力情况进行分析，发现导致驴头断裂的根本原因是：驴头局部的疲劳强度偏低和驴头本身结构不合理。在此基础上，提出并实施了驴头修复和结构改进措施。关键词： 抽油机；驴头断裂；受力分析；修复措施2003年，采油二厂第四采油作业区在巡检和维修过程中，发现有不少抽油机驴头存在明显断裂现象，作业区抽油机总数的12.6%，主要集中在CYJY14-5.5-89HF和CYJY12-5-73HF型游梁式抽油机驴头（简称14型和12型），占两种抽油机的26.4%，已严重影响到抽油
2、井的安全生产。统计发现，驴头断裂现象主要有三种，一是驴头连接板的“C型”侧板拐角处出现裂纹，这是最普遍的一种，占总数的91.4%；二是横撑梁出现裂纹，占总数的6.9%；三是驴头R5.5弧面板及两侧角钢发生断裂，占总数的1.7%。为了弄清原因，选择以12型抽油机的驴头作为研究对象，进行断裂原因分析。1 驴头的结构及基本参数如图1所示，DE为40510的钢板；CF为25510的钢板；AD、AF、AG为40号槽钢；C型加强板HI为12400的钢板；驴头弧面两侧用L125808的角铁，上面铺6mm钢板，驴头宽40cm。经现场测试12型抽油机驴头的几何尺寸如下表所示：代号长度代号长度LDE40cmLHI
3、89cmL1275cmLAF120cmLAC85cmLCF93cmLBK170cmLAH12cmLBJ116cmLBN58cm取12型抽油机的额定载荷为工作载荷，上冲程载荷P上=120KN；抽油机下冲程载荷P下=60KN；12型抽油机的驴头自重为P重=11.55KN，方向始终垂直于水平面。驴头弧面长5.5米，冲程为5.5米，旋转半径r为5.5米。驴头在上死点时，（图1） M点受力，驴头在下死点时，E点受力；由于驴头固定在游梁上，故B点不受垂直方向的力。由cos=，得=60；令角FAG为，由于sin=,得=45；由sin=，得=18.44；由驴头结构图可知：=90-=71.56=180-=63.
4、442.驴头受力分析由于裂纹都集中在驴头的中上部，再加上受力点主要为驴头顶部，所以，首先用理论力学知识对驴头上部各部件的受力情况进行分析计算，将驴头各组成杆件看成刚体。2.1 驴头自重XY方向分量的计算由图1知，上下死点时，驴头偏离水平面的角度为：EOJ=90-=30，上下死点时，驴头自重在XY方向的分力分别用PX重、PY重、PX重、PY重表示。上死点受力分析：PX重= sin30P重= 5.78 KN（力沿X轴反方向）PY重= cos30P重= 10 KN（力沿Y轴反方向）下死点受力分析：PX重= sin30P重= 5.78 KN（力沿X轴正方向）PY重= cos30P重= 10 KN（力沿
5、Y轴反方向）2.2 驴头上下支撑点的受力分析以驴头整体为研究对象，在上下死点时，支撑点A、B在X、Y方向的受力分别用RXA、RYA、RXB、RYA、RXA、RYA、RXB、RYA表示，可得力的平衡方程：上死点受力分析： RxBLHI=P上(L1+LHI)cos+P上LDEsin+ PX重LHI + YP重LBNRxALHI= P上L1cos+P上LDEsin+ PY重LBNRyA=P上sin+ PY重计算结果为:RxB=304.4KN（力沿X轴正方向）RxA=238.62KN（力沿X轴反方向）RyA=113.92KN（力沿Y轴正方向）下死点受力分析：RxBLHI =P下(L1- LHI)cos
6、+P下LDEsin- XP重LHI + YP重LBNRxALHI = P下L1cos+P下LDEsin+ YP重LBNRyA=P下Sin+YP重计算结果为：RxB= 86.79 KN（力沿X轴正方向）RxA= 122.57 KN（力沿X轴反方向）RyA= 61.96 KN（力沿Y轴正方向）2.3 CD、EF及DE杆件受力分析 用截面法进行求解，如驴头总图所示，紧贴CF杆件上侧作一截面-，分别用REF、RDC、RDE、REF、RDC、RDE表示EF、DC、DE杆件在上下死点的受力情况，假设EF、DC受压力作用，DE受拉力作用。LDC=L1-LHI-LAC=275-89-85=101cm。由此，可
7、列截面的平衡方程为：上死点受力分析：REFsin+RDE = P上cosREFcos+RDC = P上sinRDELDC +REFcosLCF-P上cosLDC- P上sinLDE=0计算得：REF = 73.86KN（压缩）RDE = 36.64KN（拉伸）RDC = 33.85KN（压缩）下死点受力分析：REFsin+RDE = P下cosREFcos+RDC= P下sinRDELDC +REFcosLCF-P下cosLDC- P下sinLDE=0计算得：REF=36.93KN（压缩）RDE=18.32KN（拉伸）RDC=16.93KN（压缩）根据力在杆件中直线传递的原理，可得：RAC =
8、 RDC = 33.85KN（压缩）RAC=RDC=16.93KN（压缩）2.4 AF及FG杆件受力分析用截面法进行求解，如驴头总图所示，紧贴CF杆件下侧作一截面-，用RAF、RFG、RAF、RFG表示AF及FG杆件在上下行程死点的受力，由驴头结构图可列力的平衡方程：上死点受力计算：RFGsin+RAFsin= P上cosRFGcos+RAC-RAFcos= P上sin计算得：RFG = 102.83 KN（压缩）RAF = 38.85 KN（拉伸）下死点受力计算：RFGsin+RAFsinC= P下cosRFGcos+RAC-RAFcos= P下sin计算得：RFG= 51.41 KN（压缩
9、）RAF= 19.43 KN（拉伸）2.5 AH杆件受力分析用RAH、RAH表示AH杆件在上下死点的受力，采用节点进行分析，由驴头结构图可列X轴方向力的平衡方程：上死点受力分析：RAH=RXA-RAFcos代入数据得：RAH =221.56 KN（拉伸）下死点受力分析：RAH=RXA-RAF cos代入数据得：RAH=119.24 KN（拉伸）由力在杆件中直线传递原理可得：RGH= RAH = 221.56 KNRGH=RAH= 119.24 KN2.6 CF杆件的受力分析采用节点法对驴头F点周围各段杆件的受力情况进行分析计算，将CF杆件在上下行程死点的受力用RCF、RCF表示，假设杆件按拉伸
10、力作用，由此可列截面力的X轴向平衡方程为：上死点受力计算：REF-RCFcos+RAFcos-RFG=0代入数据得：RCF = -36.67 KN（压缩） 下死点受力计算：REF-RCFcos+RAFcos-RFG=0代入数据得：RCF= -18.31 KN（压缩）2.7 HI和GJ杆件的受力分析用截面法进行求解，如驴头总图所示，紧贴BJ杆件上侧作一截面-，RHI、RGJ、RHI、RGJ分别表示HI和GJ杆件在上下死点的受力情况。由于RYB=RYB=0，LBI=LAH =12cm，因此可列如下平衡方程：上死点受力分析:RHI+RGJ-PY重=0 P上cos（L1-LHI）+ P上sinLDE
11、+ RHILBI+ RGJ LBJ=0计算得:RHI = -136.12 KN（压缩） RGJ = 146.12 KN（拉伸）下死点受力分析:RYA+RHI+RGJ = P下sin RHILBI+ RGJLBJ= P下sinLDE+ P下cos（L1-LHI）计算得:RGJ= 76.637 KN（拉伸） RHI= -102 KN（拉伸）3. 驴头各杆件的强度校核及原因分析为了弄清驴头断裂的原因，在不考虑腐蚀、损伤等外来因素影响的前提下，利用机械设计手册上提供的公式，对驴头中上部各主要杆件的强度进行校核计算。3.1 驴头断裂处H点的强度计算由现场勘测发现，驴头断裂处主要集中在H点。H点受弯曲应力
12、的作用，其应力幅为： =（RYA-RYA）LAH/（rWB）式中，-为疲劳破坏的应力幅，Mpa；-为动力载荷增大系数，查资料2，取=1.3；-应力集中系数，查资料1，取=6；LAHA点和H点之间的距离，12cm；r截面塑性发展系数，查资料2，取r =1；WB和支点作用力RYA方向垂直的侧板截面抵抗矩，m3；侧板的材料为12的钢板，根据驴头的结构尺寸得：WB=0.00144 m3；则：=33.774Mpa；根据资料2中，结构件疲劳应力幅计算公式=（C/n）1/其中，n应力循环次数；由资料2查得C=0.651012，=3；将数值代入上式有：n=1.687107；按5次/分（冲次），一年运转330天
13、计算，疲劳破坏时间约为7.1年。3.2 驴头横梁AG的疲劳强度计算由资料1得，杆AG处的应力幅为： =（RAH-RAH）/ SAG其中，-应力集中系数，查资料1得，=2.3；SAG为杆AG的截面积，m2；杆AG的材料为40a槽钢，其截面积为0.0075 m2；代入上式得杆的应力幅为：=31.378Mpa；所以，应力循环次数为：n=2.104107；按5次/分（冲次），一年运转330天计算，疲劳破坏时间约为8.9年；3.3 驴头弧面GJ的疲劳强度校核使用的公式和计算方法同杆件AG，驴头弧面两侧用L125808的角铁，上面铺6mm钢板，驴头宽40cm，其受力截面积为：SGJ=0.00568m2。所
14、以，刚体GJ的应力幅为：=（RGJ-RGJ）/ SGJ=27.391MPa 应力循环次数为：n=3.163107；按5次/分（冲次），一年运转330天计算，疲劳破坏时间约为13年；3.4 加强侧板CF的疲劳强度计算使用的公式和计算方法同杆件AG，驴头的CF杆件由两侧厚12mm的钢板构成，钢板宽25.5cm，厚10mm，其受力截面积为：SGJ=20.2550.01=0.0051m2所以，刚体CF的应力幅为：=（RCF-RCF）/ SCF= 8.28MPa 所以，应力循环次数为：n= 1.145109；按5次/分（冲次），一年运转330天计算，疲劳破坏时间约为482年；按同样的方法，求得杆件AF、AC、CD、DE、EF、FG、HI的疲劳破坏时间均在17年以上。3.5 驴头断裂原因3.5.1原有驴头存在设计缺陷由计算结果可以看出，由于抗疲劳强度较低，最容易产生断裂现象的是驴头连接板处的“C型”侧板拐角处，其次是侧板与横撑梁的焊接处，计算结果与现场统计数据相符。
