双驴头抽油机减速器失效原因分析

摘要：分析了双驴头抽油机的减速器故障率高，磨损速度快等问题，并通过理论分析，结合现场试验数据，得出双驴头抽油机减速器失效的原因，集中表现在驱动绳断裂和减速器磨损加速，寿命变短，出现打齿现象。分析表明，驱动绳与驴头弧面高频次的接触应力和减速器选型过小是造成驱动绳断裂和寿命较短的重要原因之一。

关键词：抽油机；减速器；失效

中图分类号： TE933文献标识码：A 文章编号：

减速器是游梁抽油机的核心部件之一，它的技术状况和寿命对抽油机的使用至关重要。在近几年的油田采油一线，大家普遍反映双驴头抽油机的减速器故障率高，磨损速度快等问题。双驴头抽油机是中石油重点推广的节能机型之一，它不但结构紧凑，实现了小结构、大冲程，分析了减速器寿命较常规游梁抽油机等其他机型相差很多，揭示了双驴头抽油机容易失效的原因。

1双驴头抽油机减速器失效原因

1.1减速器失效形式分析

减速器失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤两类。齿面损伤又有齿面接触疲劳磨损（点蚀）、胶合、磨粒磨损和塑性流动等。重点研究齿面接触疲劳磨损（点蚀）。

1.1.1轮齿折断

折断一般发生在齿根部位。折断有两种：一种是由多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是因短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。

1.1.2齿面接触疲劳磨损（点蚀）

由于齿面接触应力是交变的，应力经过多次反复之后，在节线附近靠近齿根的表面上，会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的油在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点，这种疲劳磨损现象称为“点蚀”。在这个过程中，油是处接触疲劳磨损的媒介。实践证明，油粘度愈低，愈容易渗入裂纹，点蚀扩展愈快。新齿轮在短期工作后出现的点蚀痕迹，继续工作不再发展或反而消失的称为收敛性点蚀。收敛性点蚀只发生在软齿面上（≤350 HB），原因是轮齿初期工作时表面接触不够好，在个别凸起出有很大的接触应力，但当点蚀形成后，凸起逐渐变平，接触面积扩大，待接触应力小于极限值时，点蚀即停止发展。随工作时间的延长而继续发展的点蚀成为扩展性点蚀。软齿面齿轮经跑合后，接触应力高于接触疲劳极限时发生。硬齿面齿轮不会发生收敛性点蚀，原因是齿面出现小凹坑后，由于材料的脆性凹坑边缘不易被碾平，而是继续碎裂为大凹坑，直到齿面完全破坏为止。

（1）齿面胶合。胶合时比较严重的粘着磨损。高速重载传动因滑动速度过高而产生瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，齿面沿滑动方向形成沟痕。低速重载传动不易形成油膜，摩擦热虽不大，，也可能因重载而出现冷焊粘着。

（2）齿面磨粒磨损。当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿啮合时，由于相对滑动，轮齿表面易出现划伤而产生齿面磨粒磨损。外界硬屑落入啮合面也将产生磨粒磨损。磨损后正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后因强度不足而折断。

（3）齿面塑性流动。齿面较软的轮齿，重载时可能在摩擦力的作用下产生齿面塑性流动，从而破坏正确齿形。主动齿面的节线两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，因此在节线附近形成凹槽，从动齿则相反，在节线附近形成凸脊。在抽油机的现场使用中（齿轮的表面硬度都小于350HB），上述几种失效形式都有发生。由于减速器的生产工艺已经成熟，可以视为标准部件，所以探讨减速器失效问题重点是分析抽油机结构和使用条件对减速器的影响。

2双驴头抽油机与常规游梁抽油机减速器工作分析

双驴头抽油机创造性地采用了后驴头与曲柄之间软连接，通过合理设计后驴头的曲线使驴头悬点载荷作用到减速器的扭矩接近标准的正弦曲线，从而便于曲柄平衡块的平衡力矩来平衡，所以减速器输出力矩与常规游梁抽油机相比峰值大大降低，而且在一个冲程过程中，扭矩波动较小，见常规游梁抽油机扭矩曲线和异形游梁抽油机扭矩曲线。

曲线分析表明，常规游梁抽油机（以下简称常规机）的净扭矩曲线不仅峰值较高，而且还有很深的谷值，即存在负扭矩；而双驴头抽油机扭矩峰值较小，而且消除了负扭矩。这就是说，同样的负载，双驴头抽油机可以选用较小的减速器，与常规机相同运行参数的双驴头抽油机减速器降低了1~2个等级，电机功率也大幅降低，所以节能效果显著。从另一方面讲，由于优化后驴头曲线而且采用软连接，有效减弱了常规抽油机传动角（连杆与游梁的夹角）过大或过小对构件受力恶化的程度，游梁可以大摆角运行，从而实现了抽油机的小结构、长冲程。正是这样两个优点使双驴头抽油机得以大面积推广，而后在抽油机多年现场使用中，暴露出一些问题，集中表现在驱动绳断裂和减速器寿命短。

首先是驱动绳断裂频繁。原设计两根驱动绳加两根保护绳，后来全部改成四根驱动绳，即便如此寿命仍然不能满足要求。从减速器扭矩曲线中可以看出，在曲柄处于0°和180°位置，减速器仍有较大的负载扭矩，而此时曲柄与连杆的夹角很小且游梁有效后臂长度很小，所以驱动绳拉力很大。如果单从拉力角度分析驱动绳受力，它完全可以满足要求，而事实上驱动绳与驴头弧面高频次的接触应力是造成驱动绳断裂的重要原因之一。

第二是减速器磨损加速，寿命变短，出现打齿现象。抽油机在选用减速器时一般按照其峰值扭矩进行选择，所以双驴头抽油机可以选用较小的减速器，这显然会提高减速器的负载率。仍以上述两个扭矩曲线为例，画出减速器负载图如下所示（注：图中数据仅代表一般意义）。常规游梁机减速器扭矩图中，负扭矩时段是磨损齿轮的另一面，由于齿轮硬度从表面到材料内部递减，而且负扭矩值较小，如果只计算正扭矩部分，负载率只有51.7%。如果考虑换向冲击应力，可以将负扭矩部分直接计入负载率，这样负载率为56.4%。

在双驴头抽油机的减速器净扭矩图中，扭矩全部是正值，它的负载率为72.3%。如果仅计算正扭矩，它的负载率比常规机高出20个百分点。

显然，扭矩曲线波动越小，其接近其额定扭矩的程度越高。由疲劳强度理论定性分析，在低于疲劳极限应力（σr，τr）时不会对其疲劳寿命产生影响。常规机减速器低于疲劳极限应力的时段比双驴头抽油机要多得多，即造成减速器齿轮疲劳断裂的时间比后者不仅仅多28.2%（按（72.3/56.4-1）%），甚至不仅仅多39.8%（按（72.3/51.7-1）%）。

双驴头抽油机在设计上过于追求节能效果而降低减速器规格是造成减速器寿命短的主要原因。对于抽油机设计，一般均认为减速器扭矩与冲程长度成正比，与最大最小载荷差正相关。实际上， 10型3米冲程常规抽油机的普遍选用的是53型减速器，12型4.8米冲程抽油机普遍选用73型减速器（如抚顺石油机械厂、兰州石油化工机器厂），而双驴头抽油机12型4.8米冲程选用了48型减速器，相比同型号常规机差了整整两个级别。

3结束语

双驴头抽油机与常规机相比，双驴头抽油机连杆采用软连接的结构形式和减速器选型过小是造成其负载率过高从而导致减速器寿命较短的主要原因。

参考文献：

[1] 张学鲁，季祥云，罗仁全.游梁式抽油机技术与应用[M].北京：石油工业出版社，2001.

[2] 张建军，李向齐，石惠宁.游梁式抽油机设计计算[M].北京：石油工业出版社，2005.

[3] 陶景明，杨敏嘉.采油机械[M].北京：石油工业出版社，1988.