潘小兵1董小庆2宋治国3
（1.大庆油田试油试采分公司试油大队，黑龙江大庆163412；2.中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北荆州434024；
3.中石油钻井院江汉机械研究所，湖北荆州434000）
摘要：支架是游梁式抽油机的主要承载部件，其振动特性对抽油机的稳定性和可靠性有重要影响。现以C?228D?173?74抽油机支架为例进行模态分析，得到预应力状态下支架前6阶的振型和固有频率。模态分析结果表明：该抽油机支架最低频率为22.39Hz，工作中发生与电机谐振的可能性较大，可适当调整电机转速以避开共振频率；前支撑腿刚度不足，应采取适当措施加强。
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关键词 ：游梁式抽油机；支架；SolidWorksSimulation；模态分析
0引言
游梁式抽油机是一种机械采油装置，是我国各大陆上油田的主力采油设备［1?2］，其主体结构由曲柄、连杆、游梁、横梁、驴头、支架等部件组成。游梁安装在支架的轴承座上，以轴承座中心为支点作旋转摆动。作为抽油机中重要的结构件之一，支架既为游梁的摆动提供支点，又承受着抽油机工作中悬点载荷和连杆力传递给游梁的巨大载荷，其振动特性关系到抽油机稳定性及整个机采系统的可靠性。
有限元模态分析是一种用数值模拟方法确定结构振动特性的技术，可克服实际模态测试中的诸多限制［3］，在石油装备行业的应用越来越广泛，为石油装备零部件乃至整机动态特性的分析提供了有效手段。本文基于SolidWorks的Simulation工程分析模块对APIC?228D?173?74抽油机支架进行了模态分析，得到了支架各阶模态的固有频率及其振型，为抽油机的动态设计提供了有意义的理论指导。
1模态分析的数学方法
抽油机支架可简化为一个多自由度线性定常系统，其运动微分方程可描述为［4］：
2抽油机支架的模态分析
2.1模型建立
APIC?228D?173?74抽油机是油田使用较多的一种轻型抽油机，其支架主要由支撑腿、支撑板、夹板、加强板、调整座、轴承座、调整螺栓等零部件组成。其中支撑腿由H型钢制成，支撑板为角钢，加强板则为一定厚度的钢板。支撑腿数量为3条，是整个抽油机支架的主体，支撑板和加强板焊接在支撑腿上，轴承座用垫圈和螺栓安装在支架顶端。
利用SolidWorks基于特征的建模功能建立支架的实体模型，假设所有焊缝均没有问题，故将整个支架建立为一个实体。建模时省略了轴承座、螺栓螺母等细小结构。所建立的三维实体模型如图1所示。
2.2有限元网格划分
在Simulation模块下进行支架的网格划分。鉴于抽油机支架的支撑腿、支撑板、加强板间长度尺寸相差较大，故分别对各零件应用不同的网格精度控制参数，以获得较均匀的网格分布。为增加网格划分的成功率，网格类型选择为“基于曲率的网格”［5］，支架的有限元网格模型如图2所示，共103494个节点，52671个单元，经检查无扭曲单元存在，说明网格划分的质量较高。根据支架的设计要求，在网格划分完毕后统一设定材料为“普通碳钢”。
2.3载荷及约束施加
抽油机支架在工作过程中受到一定的载荷，因此预应力模态分析比自由模态分析更能准确反映支架实际振动特性。因驴头悬点的载荷随着曲柄转角的变化而变化，是时间的函数，在软件中不便施加动态载荷，故本分析根据最恶劣的工况施加载荷，以驴头位于下死点并即将开始上冲程运动为最大受力位置。依据API规范［6］和该抽油机型号，可计算出此时支架水平和竖直方向受力分别为FX=28.95kN、方向向右，FY=201.78kN、方向竖直向下，将这两个力分别施加于支架顶板上部和侧面。
支架的3条支撑腿分别由螺栓固定在基座上，根据其实际安装状态，分别在3条支腿的螺栓安装板上施加“固定”约束。
2.4结果分析
选择Directsparse解算器进行求解，可得到支架的各阶模态振型和参数。图3为前6阶振型，表1列出了前6阶振型所对应的固有频率和最大振幅。
由表1知，支架的1阶固有频率为22.39Hz，已远远超过驴头上下运动的频率，因此在抽油机工作过程中支架不会与游梁运动频率耦合而产生共振。但由于该抽油机的电机、减速器和后支撑腿安装在同一基座上，在电机转速为1200r/min左右时，电机的转动作为激励源，可能激起支架的1阶模态。其余各阶模态频率均在40Hz以上，通常不会被抽油机本身的激励源激发。
由图3可知，1、3、5阶振型主要表现为两条前支撑腿的弯曲，第2阶振型主要为后支撑腿的弯曲，第4、6阶振型主要是前支撑腿的弯曲及扭转。
观察模态发现最大振幅发生在第6阶，前支撑腿中部位移为11.39mm，最小振幅发生在第2阶，后支撑腿上部位移为5.30mm，而可能被激起的第1阶模态位移发生在前支撑腿的中上部，为7.18mm。
总体而言，除了第2阶模态振型以外，前支撑腿在其余各阶振型中都发生了最大模态位移，说明支架的后支撑腿、支撑板和加强板具有足够的刚度，而前支撑腿刚度不足。可采取适当调节电机转速的方法来避开共振频率，或对前支撑腿采取加强措施，如在最大模态位移部位焊接加强板或将前支撑腿更换为截面积较大的H型钢。
3结论
本文以APIC?228D?173?74抽油机支架为研究对象，在SolidWorks环境下建立其三维实体模型，并利用Simulation模块进行了有限元仿真，经模态分析得到支架的前6阶振型，得出以下结论：（1）该支架的第1阶模态较容易被电机转动激起，应适当调整电机转速以避开共振频率；（2）支架前支撑腿模态位移较大，刚度不足，应采取相应的加强措施。
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参考文献］
［1］齐俊林，郭方元，黄伟，等.游梁式抽油机分析方法［J］.石油学报，2006，27（6）：116?119.
［2］陈宪侃，陈万薇，孙建华.游梁式抽油机与直线电机抽油机［J］.石油钻采工艺，2003，25（1）：67?70.
［3］杨秀娟，闫相祯，王建军.C?320D?256?120型游梁式抽油机运动过程中的模态变化规律研究［J］.石油矿场机械，2005，34（1）：30?34.
［4］傅志方，华宏星.模态分析理论与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2000.
［5］叶修梓，陈超祥.SolidWorksSimulation高级教程［M］.北京：机械工业出版社，2009.
［6］APISPEC11E—2008抽油机规范［S］.
收稿日期：2015?06?26
作者简介：潘小兵（1979—），男，甘肃灵台人，工程师，从事石油、天然气勘探开发工作。