基于SOLIDWORKS抽油机驴头有限元优化设计

范 强陈 健张季冬陈大彬

（1.庆新油田开发有限公司 黑龙江大庆 2.装备制造集团抽油机制造分公司国内总装厂 黑龙江大庆）

（3.大庆油田第二采油厂机械维修大队 黑龙江大庆 4.大庆油田公司资产设备管理部 黑龙江大庆）

抽油机作为一种常规的有杆抽油举升装置，已经有80多年的历史，相关技术已经十分成熟。抽油机主要由电机、减速器、支架、四连杆机构和驴头等部件组成。驴头作为联接抽油杆和横梁的重要部件，需要满足一定的刚度和强度要求。常规的驴头都是使用钢板焊接而成。

目前，驴头的设计有很多种形式，每种形式都有各自的优缺点。为了进一步优化驴头设计，并且减少设计成本和时间，最好的方式就是使用有限元分析软件进行模拟。目前，有限元分析软件在机械设计上的应用十分广泛，并且成熟可靠。本文针对抽油机驴头优化问题，使用有限元软件进行数值模拟分析，研究了驴头优化后的应力、应变的分布规律。

一、常规游梁抽又得的数理模型及三维建模（图1）

图1 抽油机数理模型

根据API相关标准及SY/T 5044-2003《游梁抽油机》里的相关条款，使用

由数理模型可以看出，由于驴头上下摆动时，为了满足所承载的抽油杆直线往复运动运动和自身强度、刚度的需要，所以驴头的体积很难做得很小。SOLIDWORKS 2013进行三维建模。SOLIDWORKS 2013是法国 Dassault Systemes公司旗下的CAD产品，其自带的SIMULATION插件可以很方便的对所建立的三维模型进行有限元分析。经过建立模型，抽油机的最终模型如图2所示。

图2 抽油机三维模型

二、优化方案与分析

1.改进原则与边界条件设定

（1）常规游梁抽油机驴头的改进原则主要包括。①强度、刚度需满足要求，不得降低太多。②在满足上一条件下，材料使用尽量少，结构轻质化。

（2）为保证有限元分析结果的准确性和合理性，规定边界条件设定准则。①驴头所使用的材料为均质材料，各项同性，材料无缺陷。②驴头的变形属于小位移变形。③工作环境为室温，压力为1个大气压。

（3）边界条件设定。①使用钢材为45#。②加载悬点载荷为14 t。③工作环境为室温，1个大气压。④零件间无穿透。

在有限元分析划分网格时，采用的网格单元为六面体，而不采用四面体。虽然四面体有着划分快速的优点，但在计算精度上与六面体相比还有一定差距。六面体划分虽然在细化时比较麻烦，但计算精度可接近真实数值。

2.改进方案

（1）方案一。在驴头侧面开4个长方形切口，并且使用圆角过渡。经过网格划分，加载边界条件后，经计算安全系数能满足工况要求，驴头质量是原来的89%。

（2）方案二。在驴头侧面开多个不规则四边形和三角形，并使用圆角过渡。经网格划分，加载边界条件后，经计算安全系数能满足工况要求，驴头质量是原来的84%。

对比上述方案，最终选择方案二，理由：①方案一的3处应力集中出现在同一平面上，生产安全隐患大。方案二则比较分散，设计较为合理，能有效防止驴头在工作中出现开裂等情况，大大延长工作寿命。②方案二的驴头质量是原来的84%，节省材料，降低成本。③方案二截面积较小，产生的风阻也小，对整机的稳定性能起到较好作用。目前方案二正在生产样机，争取投产并观察效果。

三、结论

（1）常规游梁抽油机的驴头设计没有最佳的方案，要根据实际生产工况条件不断改进和优化。

（2）驴头设计中应主要关注应力集中问题，即如何减轻应力集中对驴头的影响，这也是设计上的难点。

（3）方案二所设计的驴头，具有重量轻、成本低、应力集中小、强度大和风阻小等优点，完全可以替代原有常规游梁抽油机的驴头。