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设计、研究、分析 Sheii Yanjiu Fenxi
抽油机皮带应力分析
聂龙,何林,岳冬
(贵州大学机械工程学院,责州贵阳550025)
摘要:本文从橡胶皮带失效入手,统计分析失效原因,得出皮带主要失效为疲劳失效。由于疲劳失效与弯曲应力
有着一定的联系,所以作者推导了皮带的弯曲应力公式,然后具体分析了抽油机配重端皮带上行和下行时的应力,
并得出了应力分布情况,为设计带轮和皮带的选取及研究皮带传动疲劳失效理提供理论依据。
关键词:疲劳失效;弯曲应力;应力分析
图文分类号:TH114;TH123+.4
文献标识码:A
文章编号:1002-686(2014)01-0047-04
Pumping unit belt stress analysis
NIE Long, HE Lin, YUE Dong
Abstract: This paper analyzed rubber belt failure reasons, statistical analysis of the failure reason, it is concluded that the
ly failure types is fatigue failure. Due to the fatigue failure involves bending stree, this article deduced the bending
formula of the belt, and analyzed the belt upstream and downstream stress of the pumping unit balance weight port
and the stress distribut on is obtaine It pride theoretical basis for belt wheel design, belt selection and the study of belt
drive fatigue failure mechanism
Key word fatigue failure; bending stress: stress analysis
0引言
1抽油机皮带失效分析
随着我国油田的大力开发,越来越多的抽油机
由于橡胶带的质地分布不均匀,一般的认为橡
用于油田,为了提高油田抽油机的安全性和经济胶带的横截面是由拉伸层、强力层、和压缩层三层组
性,需要对抽油机各个部件做更加合理的科学的分成。根据强力层结构的不同,皮带可分为绳芯橡胶
析和仿真。皮带是抽油机的一个不可或缺的重要组带或者帘布橡胶带两种,其中强力层的组织是不连
成部分,在日常生产中,抽油机因载荷大,皮带更续和不均匀的,在制造成型时影响因素很多,一般来
换频繁,据不完全统计,其平均使用寿命大约1-2说是不能采取解析来描述。从以往抽油机皮带失效
年。皮带在交变应力作用下,容易产生断带失效,最结果来看,抽油机皮带失效主要分为强力层失效和
终直接影响抽油机的釆油能力,并且还存在安全隐两橡胶层失效,其中强力层失效是指由于强力层的
患。抽油机皮带工作时的应力分析是皮带失效机理破坏而最终造成整个皮带拉断失效,这种失效占到
研究的理论基础。所以正确的科学的分析抽油机皮总失效的20%左右。而两橡胶层失效是指由于两
带工作时的应力,可以为皮带的选取及抽油机的设橡胶层裂口或者断裂最后导致抽油机皮带失效,这
计提供理论依据,对提高皮带使用寿命具有现实的种失效却占到了70~80%。由此可见,两橡胶层失
意义。
效是橡胶带失效的主要失效形式。考虑到强力层一
般比较薄,弯曲应力对它影响不大,所以认为强力层
失效为强度不够最终导致整个皮带失效。而两橡胶
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层由于受到交变的弯曲应力作用,所以两橡胶层失
又根据应变的定义,可以求得纤维bb的应变为
效为疲劳失效。所以分析皮带的应力具有实际意
△bbb'b-bb
义,特别是研究皮带的弯曲应力。
r
皮带弯曲应力公式推导
(3
2.2物理关系
为了探究抽油机皮带的弯曲应力,须得综合考
尽管纵向纤维之间有正应力作用,我们还是可
虑几何变形、物理等两方面的关系。
以认为每一纤维都是单向拉伸或者单向压缩。而且
2.1几何变形关系
当应力小于比例极限时,我们认为它是处于弹性阶
在推导皮带弯曲应力前,设想皮带由很多平行段的,所以有应力与应变。成正比,即它是遵循拉
于轴线的纵向纤维所组成的。发生如图1所示的弯伸或者压缩的胡克定律,写成公式即:
曲变形,必然会引起靠向上的纤维伸长,而靠向下的
o= FE
4
纤维缩短,由于横截面仍为一个平面,应有靠向上纤式中E是于材料有关的比例常量,称作弹性模量
维伸长连续的逐渐的变为靠向下的纤维缩短,这中弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的
间定有一层纤维长度不变。这一层纤维称为中性指标,其值越大,使材料发生一定弹性变形的应力也
层。中性层与横載面的交线我们称作中性轴。弯曲越大,即材料刚度越大,亦即在一定应力作用下,发
变形前和弯曲变形后的皮带段分別表示于图1(a)生弹性变形越小。
和(b)。
将式(3)代人式(4)中,可得:
E
(5
式中ん为皮带的厚度,D为带轮的直径。
3皮带应力分析
如图2所示,为某公司研发的一种抽油机三维
图,通过电机的正反转动,不断带动抽油杆上升或者
下降(配重端下降或者上升)从而把石油从油井里
面抽出来。显然皮带中的应力分析应该分为以下两
种情况,即抽油端和配重端。但是考虑到抽油端和
图
配重端的受力情况差不多,只不过力的大小不一样
罢了。所以这里只做配重端皮带受力分析。
根据平面假设,变形前相距为dx的两个横截
面,变形后各自绕中性轴相对旋转了一个角度d的,
并仍保持为平面,于是距中性层为y的纤维b的长
度变为
b'b'=(r+y)do
其中r为中性层曲率半径,也有r=R+y,R为带轮
的半径,而纤维b的原长为dx,且有bb=dx
00。因为变形前、后中性层纤维OO的长度不变,所
以有:
=dx=00=0'0=rdゅ
2)
图2抽油机三维图
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