游梁式抽油机曲柄销结构与工艺改进研究

王晓方

(沈阳工学院，辽宁抚顺 113122)

游梁式抽油机是开采原油的主要设备，抽油机性能的可靠性不但影响采油量和采油成本，而且对井口装置和人的生命安全意义重大。根据对现场事故调查统计得知，曲柄销过早损坏占抽油机故障总数的30%以上。

采用常规的分析方法，即从强度、疲劳破坏等常用的力学方法来分析曲柄销损坏的原因，并将这些研究成果应用于生产实际后，人们发现并没有从根本上解决问题。利用微动磨损理论，对曲柄销的工作状态和损坏特征进行分析，提出了对曲柄销结构和加工工艺进行改进的新方法。

1 曲柄销损坏机制分析

在采油现场，实际的曲柄销断裂面通常发生在曲柄销的锥面上。利用微动磨损理论，分析曲柄销的工作状态和损坏特征如下:

(1)在曲柄转动过程中，连杆对曲柄的拉力大小和方向都是变化的，曲柄销所处的工作环境，存在引起微动的振动源或交变运动。

(2)观察损坏的曲柄销与锥套配合面磨损照片(图1)可见:其表面存在明显的压痕接触区，即存在微动破坏的表面形貌。

图1 曲柄销和锥套配合面磨损照片

(3)观察锥套上的磨屑，发现其颜色为红棕色，这是判定微动磨损的最好依据。

(4)观察锥套磨损面裂纹照片(图2)可见，锥套上的主裂纹方向和曲柄销轴线方向(水平方向)一致，即生成垂直于滑动方向的疲劳裂纹，这是微动磨损的突出特点。

图2 锥套磨损面裂纹照片

由此可见，曲柄销和锥套之间确实存在微动磨损，这种微动磨损一旦形成疲劳裂纹，在交变应力的作用下裂纹逐渐扩展，达到一定程度时就必然发生曲柄销断裂事故。这才是曲柄销损坏的根本原因。

2 曲柄销结构及参数的合理选择

在曲柄销的结构参数中，有些参数是根据曲柄销所传动的功率和扭矩，通过强度和刚度计算，并结合结构需要来确定的，如曲柄销各部分直径、各部分长度、螺纹螺距等，这些参数通过力学计算可以很方便得出结果。

现讨论上述参数以外其他参数的确定问题。它们虽然是细小部分参数，但对微动影响较大，极易造成曲柄销断裂。

2.1 合理确定锥面上空刀槽的位置和尺寸

图3 曲柄销结构示意图

由于曲柄销锥面较长，为了提高曲柄销锥面与锥套的接触性能，通常在曲柄销锥面上加工出空刀槽，如图3中间段锥面凹入部分所示。

由于曲柄销锥面与锥套是一个微动幅，为使接触面间不产生滑动，就必须满足条件:

p·μ＞τ式中:p为表面间的正压力;μ为摩擦因数;τ为表面间的剪应力。

该式为曲柄销空刀槽尺寸设计提供了理论依据。通过该式还可看出，空刀槽还具有提高接触压力、增加抗微动的能力。

空刀槽的位置应设置在锥面全长的中间，空刀槽的宽度为锥面全长的1/3左右，空刀槽的深度一般为5 mm。

2.2 改变空刀槽与锥面间的过渡结构

以往曲柄销空刀槽与锥面之间均采用倒角过渡。由于微动的存在，造成该过渡处应力集中大大增加。为了解决这一问题，采用圆弧代替倒角的过渡结构，如图3中间段锥面凹入部分两侧圆角所示。

2.3 锥面锥度的合理选择

根据曲柄销的工作特点，参照其使用、安装要求，通常选择曲柄销锥面锥度为1∶8、1∶10、1∶12等。通过分析不同锥度时锥面上最大工作压力的特点，最后确认最佳锥度为1∶8。

2.4 螺纹退刀槽过渡圆角半径的合理选择

由于螺纹退刀槽处直径最小，是曲柄销最薄弱的环节，该处过渡圆角过大将造成直径减少和曲柄销长度增加;过小将产生严重的应力集中。综合上述观点并考虑曲柄销的尺寸大小，一般选择圆角半径为5 mm。

3 曲柄销加工工艺的改进

在加工曲柄销时，除应满足一般零件对尺寸、公差、表面粗糙度、形位公差等要求外，还应特别重视如下要求:

3.1 材料和硬度要求

由于微动磨损既是机械作用，又是化学作用，曲柄销表面性能对微动影响尤为突出，为此，曲柄销材料一般选40Cr，调质处理，硬度为HB250～280，且要求同一零件上不同点的硬度差小于5 HB。同时，要对零件整体进行无损探伤检验，确保材料内部无缺陷。

3.2 严把锥面磨削关

曲柄销锥面磨削加工时，砂轮硬度、进给量要合适，冷却要充分，砂轮不能太钝，否则将产生过大的表面应力。1∶8锥体上要求涂色检验，其接触斑点在圆周和长度方向应均匀分布，且接触面积不小于80%。

3.3 螺纹退刀槽过渡圆角加工与检验

螺纹退刀槽过渡圆角最终采用滚压加工，用样板检验。

4 结论

由于采用常规的分析方法对曲柄销损坏机制进行分析和结构工艺改进，不能解决曲柄销过早损坏问题。利用微动磨损的基本理论，通过对曲柄销的工作状态和损坏特征进行分析，得出了曲柄销过早损坏和微动有关。根据这一结论，提出了在结构和加工工艺等方面改进曲柄销的方法。

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