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[摘 要]长期服务的抽油機受到其自身结构设计的影响，驴头、连杆等部位多出现裂纹或断裂。本文主要是选取连杆为研究对象，从计算方式出发，对连杆断裂的形式进行分析，探讨通过结构设计优化、接头处设计与制造工艺的改进和控制焊接质量几个方面来提升连杆质量，促进抽油机的高效运行。
[关键词]抽油机 连杆 载荷 断裂
中图分类号：TE153 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）19-0025-01
游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面装置，由动力机、减速器、支架、四连杆机构和驴头等组成。减速器的旋转运动通过四连杆机构和驴头转换为抽油泵的上下直线运动，实现抽汲地下原油的目的。抽油机的工作原理决定了其各部件会承受周期性的交变载荷，因此部分部件长期工作后易发生疲劳损坏。抽油机各部件首先要有足够的强度和刚度，在抽油机的强度计算中，均以最大悬点载荷、最大冲程及最高冲次所组成的工况，对游梁、横梁、曲柄、连杆及支架等进行计算。这种计算方法一般能满足设计要求，但这种常规校核计算对部件某些部位的受力情况反映不够准确，如连杆的连接杆和连杆头的焊接处就比较容易断裂。本文对连杆结构进行分析，并借助再制造技术提出改进方案。
1、连杆的载荷计算
游梁式抽油机游梁平衡受力示意图见图1。
抽油机连杆质量较轻，其运动产生的惯性力及惯性力矩较小。如果忽略连杆运动所产生的惯性力矩，则可认为连杆为二力杆，设连杆受力为PL，则：
式中：A为游梁前臂长度，mm；C为游梁后臂长度，mm；β为C与P的夹角，称传动角；P为悬点载荷值，kN；B为摆动部件的自重折算作用在悬点处的载荷，kN；KC为游梁平衡块重心到游梁旋转中心的距离，mm；Q游为游梁平衡块重量，kN。对于常规游梁式抽油机，当曲柄逆时针旋转时，K与R成一条直线时，β角偏离90°最远，则：
式中：β0为上冲程中偏离90°最远的β角（连杆与游梁的夹角）；R为曲柄半径，mm；L为连杆长度，mm；K为减速器输出轴到游梁旋转中心的距离，mm。根据已知情况可以计算β0值、连杆最大受力和最小受力情况。
2、连杆的断裂及分析
2.1 连杆的断裂形式及分析
连杆在抽油机的传动系统中，上连接游梁，下连接曲柄，主要承受轴向交变载荷，工作一段时间后，会产生疲劳断裂，出现断裂。从现场统计中发现，很多断裂位置为连接杆和连杆头的连接处。通过对现场多根已产生裂纹但尚未断裂的连杆进行分析，发现裂纹几乎都在连接杆和连杆头的连接处产生，并沿周向扩展，可能连杆的结构存在一定问题。将连杆头和连接杆的连接处沿截面剖开，发现两者都存在毛坯面，连杆头与连接杆组焊过程中的对中性较差，在实际工作中会产生附加应力。同时，连接杆两端较粗糙，难免出现许多微小裂纹，在长期的交变载荷作用下，连杆在该部位断裂的倾向更趋增大。
2.2 改进措施
再制造是采用新技术、通过更换新部件、实施表面修复或者改变部分结使损坏的设备恢复甚至提升使用功能，达到甚至超越原设备的技术标准，形成新产品。它必须以具有再制造价值的现有设备（损坏的、报废的、闲置的、在用的）为载体，采用新技术和新工艺对设备进行再制造，再制造设备能够像新产品一样进入市场流通，在原地或者异地使用。
焊接工艺是再制造过程中使用的主要工艺之一，而焊接结构的破坏往往起源于焊接接头区，这除了受材料选择、焊接结构的制造工艺影响外，还与焊接接头的设计有关。很明显，用于此连杆的焊接材料广泛用于其他部位，少有开裂的现象，因此排除材料不合格的因素。为解决连杆的断裂问题，采取了下面改进措施。
（1）接头处设计与制造工艺的改进
现场经验表明，连杆的两个接头在正常使用中基本不会损坏，因此，断裂的连杆只需更换连接杆即可。改用截面尺寸更大的连接杆，连接杆截面尺寸的增加能够提高连接杆与连杆接头焊接部位的强度，降低连杆截面应力。对新的连杆连接杆两端进行精加工，提高其与连杆接头的配合精度，同时消除潜在微小裂纹。优化连接杆与连杆接头连接方式。
（2）焊接裂纹的控制及检测
焊前预热能够使焊件在焊后降低冷却速度，一定程度上降低残余应力及材料的淬硬性；焊接材料要妥善保管，焊前必须严格烘干，进行保温，同时要保持焊接材料的清洁；控制焊接参数（电流、焊速、焊丝直径）及焊缝成型；利用超声波对焊接处进行裂纹缺陷检测，检测出存在焊接裂纹的连杆不得投入使用，必须进行返工或报废处理。
3、结论
经过分析，连杆原结构设计缺陷是引起连杆断裂的主要原因，焊接质量、加工工艺是次要原因。改进后的连杆消除了应力集中，提高了连杆接头和连接杆的配合精度，能够有效抑制焊接裂纹的产生，大幅降低了连接部位的应力水平，使连杆强度高、寿命长。再制造技术的运用能够使闲置、废旧的部件和机械重新得到使用，再制造的费用相对于采购新机低廉许多，降低了生产成本。
参考文献
[1] 袁德洲.弯游梁抽油机连杆抖动问题的分析及结构改进[J/OL].当代化工研究，2017（09）：90-91[2018-01-12].
[2] 高晓萌.长冲程抽油机机械换向装置技术现状及发展趋势探讨[J].化学工程与装备，2017（12）：289-290.
[3] 刘俊龙，杨勇，高诚.基于电流图变化判断抽油井井下异常工况可行性探讨[J].化工设计通讯，2017，43（10）：37.
[关键词]抽油机 连杆 载荷 断裂
中图分类号：TE153 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）19-0025-01
游梁式抽油机是有杆抽油系统的地面装置，由动力机、减速器、支架、四连杆机构和驴头等组成。减速器的旋转运动通过四连杆机构和驴头转换为抽油泵的上下直线运动，实现抽汲地下原油的目的。抽油机的工作原理决定了其各部件会承受周期性的交变载荷，因此部分部件长期工作后易发生疲劳损坏。抽油机各部件首先要有足够的强度和刚度，在抽油机的强度计算中，均以最大悬点载荷、最大冲程及最高冲次所组成的工况，对游梁、横梁、曲柄、连杆及支架等进行计算。这种计算方法一般能满足设计要求，但这种常规校核计算对部件某些部位的受力情况反映不够准确，如连杆的连接杆和连杆头的焊接处就比较容易断裂。本文对连杆结构进行分析，并借助再制造技术提出改进方案。
1、连杆的载荷计算
游梁式抽油机游梁平衡受力示意图见图1。
抽油机连杆质量较轻，其运动产生的惯性力及惯性力矩较小。如果忽略连杆运动所产生的惯性力矩，则可认为连杆为二力杆，设连杆受力为PL，则：
式中：A为游梁前臂长度，mm；C为游梁后臂长度，mm；β为C与P的夹角，称传动角；P为悬点载荷值，kN；B为摆动部件的自重折算作用在悬点处的载荷，kN；KC为游梁平衡块重心到游梁旋转中心的距离，mm；Q游为游梁平衡块重量，kN。对于常规游梁式抽油机，当曲柄逆时针旋转时，K与R成一条直线时，β角偏离90°最远，则：
式中：β0为上冲程中偏离90°最远的β角（连杆与游梁的夹角）；R为曲柄半径，mm；L为连杆长度，mm；K为减速器输出轴到游梁旋转中心的距离，mm。根据已知情况可以计算β0值、连杆最大受力和最小受力情况。
2、连杆的断裂及分析
2.1 连杆的断裂形式及分析
连杆在抽油机的传动系统中，上连接游梁，下连接曲柄，主要承受轴向交变载荷，工作一段时间后，会产生疲劳断裂，出现断裂。从现场统计中发现，很多断裂位置为连接杆和连杆头的连接处。通过对现场多根已产生裂纹但尚未断裂的连杆进行分析，发现裂纹几乎都在连接杆和连杆头的连接处产生，并沿周向扩展，可能连杆的结构存在一定问题。将连杆头和连接杆的连接处沿截面剖开，发现两者都存在毛坯面，连杆头与连接杆组焊过程中的对中性较差，在实际工作中会产生附加应力。同时，连接杆两端较粗糙，难免出现许多微小裂纹，在长期的交变载荷作用下，连杆在该部位断裂的倾向更趋增大。
2.2 改进措施
再制造是采用新技术、通过更换新部件、实施表面修复或者改变部分结使损坏的设备恢复甚至提升使用功能，达到甚至超越原设备的技术标准，形成新产品。它必须以具有再制造价值的现有设备（损坏的、报废的、闲置的、在用的）为载体，采用新技术和新工艺对设备进行再制造，再制造设备能够像新产品一样进入市场流通，在原地或者异地使用。
焊接工艺是再制造过程中使用的主要工艺之一，而焊接结构的破坏往往起源于焊接接头区，这除了受材料选择、焊接结构的制造工艺影响外，还与焊接接头的设计有关。很明显，用于此连杆的焊接材料广泛用于其他部位，少有开裂的现象，因此排除材料不合格的因素。为解决连杆的断裂问题，采取了下面改进措施。
（1）接头处设计与制造工艺的改进
现场经验表明，连杆的两个接头在正常使用中基本不会损坏，因此，断裂的连杆只需更换连接杆即可。改用截面尺寸更大的连接杆，连接杆截面尺寸的增加能够提高连接杆与连杆接头焊接部位的强度，降低连杆截面应力。对新的连杆连接杆两端进行精加工，提高其与连杆接头的配合精度，同时消除潜在微小裂纹。优化连接杆与连杆接头连接方式。
（2）焊接裂纹的控制及检测
焊前预热能够使焊件在焊后降低冷却速度，一定程度上降低残余应力及材料的淬硬性；焊接材料要妥善保管，焊前必须严格烘干，进行保温，同时要保持焊接材料的清洁；控制焊接参数（电流、焊速、焊丝直径）及焊缝成型；利用超声波对焊接处进行裂纹缺陷检测，检测出存在焊接裂纹的连杆不得投入使用，必须进行返工或报废处理。
3、结论
经过分析，连杆原结构设计缺陷是引起连杆断裂的主要原因，焊接质量、加工工艺是次要原因。改进后的连杆消除了应力集中，提高了连杆接头和连接杆的配合精度，能够有效抑制焊接裂纹的产生，大幅降低了连接部位的应力水平，使连杆强度高、寿命长。再制造技术的运用能够使闲置、废旧的部件和机械重新得到使用，再制造的费用相对于采购新机低廉许多，降低了生产成本。
参考文献
[1] 袁德洲.弯游梁抽油机连杆抖动问题的分析及结构改进[J/OL].当代化工研究，2017（09）：90-91[2018-01-12].
[2] 高晓萌.长冲程抽油机机械换向装置技术现状及发展趋势探讨[J].化学工程与装备，2017（12）：289-290.
[3] 刘俊龙，杨勇，高诚.基于电流图变化判断抽油井井下异常工况可行性探讨[J].化工设计通讯，2017，43（10）：37.