新型游梁式抽油机尼龙套连杆销设计

邓 阳，兰 真，方艳辉，洪 涛，姚高祥，边洪伟

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300280）

0 引言

在石油开采技术领域，机械举升原油主要采用游梁式抽油机。其作用是通过减速箱、曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头等机构将动力机的旋转运动变为抽油杆的上下往复运动，连杆的下端与曲柄连接，上端与横梁连接，目前大部分抽油机连杆上接头通过连杆销与横梁连接。游梁式抽油机在上冲程时连杆受拉力，在下冲程时连杆受压力，连杆销在一个完整冲程中受向下和向上的交变载荷，这种工况使得连杆销处容易发生异响，造成油田甲方用户的不满。同时抽油机长时间运转之后，连杆销与连杆上接头磨损，使得较多抽油机发生连杆上接头销孔被磨成“椭圆”状，导致整根连杆报废，增加更换成本。

1 结构设计

一种新型游梁式抽油机连杆销处，在原结构基础上增加了一个尼龙套，如图1 所示。尼龙套镶嵌在连杆上接头内，抽油机运转时，尼龙套隔在连杆销与连杆上接头金属之间，由于尼龙材料相较金属材料特有的自润滑和较软的属性，可以起到保护连杆上接头和横梁耳座金属结构的作用，即使发生磨损也是先将尼龙套磨损失效，修理时可以将旧套取出，更换新套即可，同时其具有耐磨性好、成本低等特点，可以消除游梁平衡式抽油机连杆销处异响，解决连杆上接头的销孔被磨成椭圆的问题。

图1 横梁连杆连接结构

尼龙套结构为圆筒状，如图2 所示，长105 mm 与连杆上接头宽度一样，内径70 mm 与连杆销外径采用过度配合，外径90 mm 与连杆上接头内径采用过盈配合，厚度为10 mm。

图2 尼龙套

2 尼龙套强度校核

2.1 计算连杆力

以CYJ8-4.2-53HY 抽油机为例，根据其几何参数计算连杆力F连：

式中 B——整机结构不平衡重，kN

A——抽油机前臂长，mm

C——抽油机后臂长，mm

β——抽油机后臂C 与连杆P 之间的夹角，°

F——悬点载荷，kN

将最大悬点载荷8000 kg 代入公式中计算可得，上冲程时最大连杆力为63 kN，下冲程时最大连杆力为-39 kN，因此校核尼龙套强度时取上冲程时最大连杆力F连=63 kN。

2.2 材料选取

尼龙套材料选取为此设计的关键部分，直接影响尼龙套的使用效果。随着尼龙制备和改性技术的不断发展，其种类已达几十种，在查阅相关资料并综合考虑其机械性能和加工成本后，选取浇筑尼龙（MC 尼龙）作为尼龙套的主材。MC 尼龙是用已内酰胺单体在强碱（如NaOH）和助催化剂的作用下，用模具直接聚合成型得到制品的毛坯件，由于把聚合和成型过程结合在一起，因而成型方便，易于制造大型机器零件。它的力学性能和物理性能都比尼龙6 高，可制造几十千克的齿轮、涡轮、轴承等。按文献［2］，热处理工艺对尼龙属性有较大影响，MC 尼龙经不同处理工艺的机械性能对比见表1。

表1 处理前后MC 尼龙拉伸强度的变化

通过表1 可得，MC 尼龙处理前拉伸强度已经达到84 MPa可以满足作为轴套的强度要求，但是伸长率为17%略高，说明其抗变形能力较差，在受到连杆交变载荷后容易变形，而水处理拉伸强度虽然73 MPa 略低于84 MPa，但是伸长率降为10%，抗变形能力明显提高，在综合考虑抽油机慢速并且长时间持续运转的工况后，选择了MC 尼龙水处理材料。

2.3 有限元分析

利用SolidWorks 软件的有限元分析模块对尼龙套进行应力分析，为了便于计算，忽略接触问题等非线性算例，选择“静应力分析”类型，通过对尼龙套设立边界条件、加载、画网格计算后可得图3 的应力计算结果，其最大应力值σmax=16.5 MPa。

图3 尼龙套应力分析

计算其安全系数：

式中 n——安全系数

σs——材料MC 尼龙的屈服强度，取73 MPa

依照GB/T 29021—2012《石油天然气工业 游梁式抽油机》，承受压应力的结构件，安全系数应≥3.3，因此校核结果符合标准要求，选择MC 尼龙（水处理）作为尼龙套的材料是可行的。

3 现场使用

目前已有50 余台在连杆上接头处镶嵌了尼龙套的CYJ8-4.2-53HY型抽油机在现场使用，运转时间达1 年以上，均未发生尼龙套损坏现象。此新型结构彻底消除了连杆销处异响和连杆上接头磨损现象，得到了甲方好评。

4 结论

（1）通过在抽油机关键受力部位首次试用非金属材料的成功，为抽油机设计开辟了新的思路，拓展了材料选取范围。

（2）常规游梁抽油机结构发展已经遇到瓶颈，下一步可以考虑对老机型在材料上进行升级优化。目前非金属材料技术发展迅猛，其强度和耐磨性等参数均有大幅度提高，在校核强度不变或者略微降低的情况下，可以考虑使用成本更低的非金属材料替代金属材料制造更多的关键零部件。