抽油机曲柄销断裂受力分析及防范策略

抽油机曲柄销断裂受力分析及防范策略

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摘要：曲柄销是抽油机采油设备的关键零部件，主要是由曲柄销、锥套和紧固元件等构成。销体一侧应用螺纹紧固的办法来与曲柄体实现连接，另一侧采用滚动轴承实现与连杆机构的连接，中间部位应用圆锥面构件和曲柄锥套进行紧固连接，锥套元件再与柄体实现有效的连接。曲柄销子断裂容易引起安全事故,本文对抽油机曲柄销断裂位置、受力情况和影响因素进行了分析,并提出有效防范措施。

关键词：曲柄销；抽油机；采油设备；断裂位置；受力情况；防范措施

曲柄销采用螺纹连接的方式主要为销体和锥套之间的过盈配合形成足够的过盈力，并保证该种状态处于稳定状态。把曲柄的圆围运转变成游梁的上下往复运动，实现了动力的传送作用。但是，曲柄销部件非常脆弱，而抽油机装置工作环境十分恶劣，一般情况下只有几年的寿命，曲柄销断裂问题比较突出，会使抽油机装置无法正常运转，连刊过载或拉断、抽油机装置侧翻，会给油田企业造成较大的经济损失，需要对曲柄销子断裂问题进行深入的分析，并制定出有效地防治措施。

1抽油机曲柄销断裂位置分析

如图1所示，1、2位置是抽油机曲柄销容易断裂的部位，为了更好地对曲柄销疲劳寿命进行估测，需要对曲柄销做好受力分析来对载荷状态进行深入了解。曲柄销主要会受到如下几种力：（1）连杆施加的拉力。（2）曲柄销与柄锥套形成的过盈接连力。（3）连接螺纹施加的预紧力。（4）每个零件间的作用力，使每个零部位形成滑移趋势，或由产生滑动而形成的摩阻。（5）连杆和曲柄销之间轴承在运转过程中对曲柄销施加的摩阻。因为曲柄销和承轴相互间的摩阻非常小，受力分析可以忽略。

一般情况下，连杆拉力以及连接螺纹施加的预紧力共同作用之下，曲柄销以及轴套部位会发生一定程度的形变，连杆施加的拉力会传递给销锥面最小的一侧，在交变载荷影响之下，销锥较小的一侧、螺纹根部最容易由于疲劳而产生断裂问题。某采油厂对在2018年更换了三口抽油机的曲柄销子，经过检查发现是在图1中的2位置形成了裂纹。引起该现象的原因主要是在加工过程中，退刀槽位置直径变细，截面形状会形成突变，在该部位中的应力比较集中，同时，该部位是剪切应力主要的施加作用点，极易产生断裂问题。

2曲柄销受力分析

三相异步电机高速旋转的动能输送到减装箱，经过减速处理之后通过输出轴拖动曲柄实现较低转速的运行，曲柄装置通过销子把力矩施加给连杆机构，通过抽油机横梁带动游梁后臂完成摆动，在游梁前部装有驴头构件，活塞上侧的液柱和抽油杆等负载，都经过悬绳器施加在驴头上面，当驴头和游梁共同实现上下摆动时，使活塞完成上下往复运动，把油液从油井中抽取出来。从上述的抽油机工作原理中可以看出，曲柄销子承受应力的方向和大小呈现出周期性变大，受到外部交变载荷施加的影响，曲柄销子部位形成的断裂主要是因为金属疲劳而出现断裂问题，所有导致疲劳源产生的因素都会引起曲柄销子断裂。比如，曲柄销子退刀槽加工过程中存在缺陷，或者表面创伤等，都会引起疲劳源的产生，极易导致曲柄销断裂。在抽油机游梁变换方向时，曲柄销子会承受最大的冲击载荷，因此，驴头部位承受的载荷会对曲柄销子受到的应力形成较大的影响。

3曲柄销子断裂的因素分析

从上面进行的受力分析中可以发现，引起抽油机曲柄销子断裂的因素主要有。

(1）抽油机承受的负截太大。(2）抽油机处于不平衡状态，存在着冲击负载。(3）剪刀差没有在允许区间内。(4）连杆机构的下部以及轴承面不平整。(5）连杆机构的长度不合理。

(6）曲柄销子母材内部有缺陷。(7）装配工序不合理，容易对曲柄销子造成伤害。(8）曲柄销子退刀槽部位直径尺寸过小，没有达到应有的强度。

4抽油机曲柄销子断裂的防范措施

(1）针对生产负载较大的油井，由于具备的静载荷已经确定，抽油泵的深度、液面高度等影响因素较为稳定，很难对其产生较大的改变。但是动载荷方面，比如摩擦载荷、惯性载荷等，可以通过人为手段进行调整。例如，对于冲次大的生产油井，可以合理地减小冲次，使悬点部位的速度以及加速度都变低，从而可以减小抽油机承受的惯性、震动载荷，曲柄销子部件中的上、下死点会承受较小的冲击载荷，可以有效地提升曲柄销子的使用年限。

对于稠油生产井或者井口偏磨的油井，可以采用掺水降粘的手段，在井口装置中添加对中设施，可以有效地减小摩擦载荷，悬点部位的最大载荷会随之降低，最小载荷会随之提升，曲柄销子会承受均匀的外力，有助于提高曲柄销子应用年限。如果油井静载荷太高，必须匹配合理的抽机油型号，让曲柄销子具备更大的强度来满足更大载荷要求，避免曲柄销子出现断裂问题。

(2）对于抽油机处于不平衡状态的油井，需要使其恢复到平衡状态，如果平衡块数量不足，应该及时加装平衡块。如果平衡块数量达到4个，但还没有处于平衡状态，需要更换抽油机型号。如果抽油机较长时间的工作在高负载情况下，曲柄销子强度达不到使用要求，则容易出现断裂现象。在上下往复运动过程中，载荷呈现出非均匀性特点，悬点速度、加速度产生的变化又使不均匀性现象更加恶化，会直接对抽油机运行效率以及使用年限产生不利的影响，抽油机运行过程中会形成较大的震动，曲柄销子使用寿命会显著降低，所以，必须要处理好抽油机运行不平衡的现象。

(3）针对剪刀差较大的抽油机，需要返回生厂家修理，对键槽进行重开，调节两个曲柄让其处于相同平面内。但是如剪刀差问题存在，两个曲柄则无法保持在相同平面，在抽油机运行过程中，曲柄销承受的力存在差异，会使剪切应力不断变大，曲柄销子则产生断裂现象。

(4）如果抽油机连杆扣环以及轴承平面存在不正现象，需要及时采用垫子进行调节，保证连杆扣环以及轴承合面处于稳合状态。

(5）如果曲柄销子母材出厂时存在质量问题，在对曲柄销子部件进行安装以前，需要对曲柄销子进行系统、全面的探伤，如果存在质量缺陷，不可以用于加工生产。避免存在缺陷的位置承受过于集中的应力，从而形成疲劳源，最终引起曲柄销出现断裂，从而导致更大的经济损失。某采油厂曾出现过曲柄销子断裂而导致的翻机安全事故，导致断裂问题的根本原因在于曲柄销子母材存在质量缺陷，在该部位出现了应力过于集中的问题，引起了曲柄销子断裂事故。

(6）在对曲柄销子部件进行安装过程中，当采用紧冕型螺母进行紧固时，如果施加的力臂太长就会引起施加作用力过大，曲柄销子就会由于应力过于集中而产生损伤。所以，在对曲柄销子进行紧固时，需要施加合理的外力，避免对其造成伤害。

(7）为了更好地满足抽油机现场使用需求，曲柄销子加工材质需要具备较高的强度和较好韧性，可以承受起更大的载荷，避免由于剪切力的存在而产生曲柄销断裂问题。可以采用35CrMo或者40Cr材料，再对其进行热处理之后可获得较理想的机械性能。同时，由于曲柄销承受载荷较大，需要根据受力特性进行合理地设计，轴肩部位不需要进行清根，退刀槽应该采用圆弧方法进行过渡处理。另外部位的螺纹空刀槽同样应用圆弧结构方式。两个部位应用圆弧结构方式可以避免曲柄销子在运行时承受应力而产生断裂，圆弧结构也不可以过小，要不然同样会存在应力集中的问题，会使曲柄销子形成裂纹，在该部位产生断裂现象，容易引起安全事故。

参考文献

[1]李明,马健强.游梁式抽油机危险点源分析与应对措施[J].设备管理与维修,2018(12):18-20.