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第卷第期应用力学学报.
年月⑤.
抽油杆表面感应淬火引起的残余应力

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。摘要
末文讨论抽油杆通过感应线圈和水冷装置时的温度场和由温度场引起的相
变。在有限元计算中,通过与实验数据对比,认为考虑温度对弹性模量有影响的计算
模型更合理,并用此模型计算由温度和相变共同作用的弹塑性应力场,及最终的残
余应力。结果表明淬火层超过一定厚度后,残余应力分布的合理性降低;淬火前抽油
杆的强度与残余应力的太小关系较弱。.
关键词塑;壅壹皇;担查;虎坪堑
前言
抽油杆由直径和长为的圆柱体节节连接构成,通过往复运动抽取石油。由于抽
油杆自重作用,。从文献
可知,材料通过热处理可提高疲劳寿命。对于抽油杆,表层的残余压应力与疲劳寿命有关。
本文对淬火层厚度以及淬火前杆的强度与残余应力的关系进行了研究,并认为过厚的淬火层
对疲劳强度的提高不利淬火前抽油杆的强度与残余应力关系较弱。
分析热处理工艺造成的应力已有不少工作,。用解析方法讨论了热弹塑性问题,但
未考虑相变口在他的有限元计算模型中计入了温度对弹性模量的影响;而
.,. 日等许多人沿用口的模型,即不考虑温度对弹性模量的影响;
对这些年在此方面的工作做了总结。在本文中,用上述两种模型进行计算,发现考虑
温度影响的模型更适于本问题。在计算感应加热的杆子的温度场时,没有采用.
通过电磁场来计算温度场,这主要基于减少计算费用和材料常数不全这两个原因。
计算模型
淬火工艺简图如图。感应线圈由抽油杆底部向上运动,进行感应加热和表面淬火,同
来稿日期,—
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第期抽油杆表面感应谇火引起的残亲应力
时抽油杆绕自身轴线均匀旋转,因此可当成轴对称问题处理。冷水通过感应器上的密排小孔以
角喷射到工作表面上,从圈可看出,工件的换热边界条件可分为三个区:冷水换热区、热
水换热区和空气换热区,三个区域的换热条件要分别处理,同时要顾及它们在淬火中的变动情
况相比之下,力学边界条件较为简单,表面无外力作用,固定抽油杆下端个别点以消除刚体位
移由于抽油杆自旋角速度很慢,通常为转/分,因而略去惯性力。
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水区
热水区

图工艺宴越简图图有限元计算用图
抽油扦所用材料通常为一类低合金钢,具有铁磁性。表面加热开始时,工件表面涡
流很大,升温很快,但当表面温度一旦超过居里点,约在℃左右便失去铁磁性,导磁系数
急剧降低,从而使加热层分为内外两层,外层失磁,层内涡流强度明显下降,从而最大涡流强度
发生在两层交界处。研究表日月,存在一个加热层厚≤/厂,,为高频电流频率,在此层
内温度差别不大,,因此,在范
围内采用了等强度内热源,并用整个加热过程的平均热源强度值作为计算值。涡流透入深度
也,本文在一范围内以及在漏磁区布置了较弱的内热源。平均热源强度值的计算可通过
下式进行:
·
其中,为平均热源强度,为含有热源的空间为比功率,即单位面积、单位