Дослідження впливу конструктивних елементів різьбових з'єднань насосних штанг на їх напружено-деформований стан

Abstract

Досліджено напружено-деформований стан різьбового з’єднання насосних штанг при сумісній дії на нього зусиль осьового розтягу, моменту згвинчування, моменту згину. За допомогою програмного продукту ANSYS Workbench отримано розподіл еквівалентних, осьових, радіальних напружень та контактного тиску у стандартному з’єднанні насосних штанг діаметром 19 мм. Встановлено, що перерозподіл напружень з врахуванням дії моменту згину на різьбове з’єднання відбувається таким чином: напруження у впадинах витків різьби в лівій частині (відносно осі) різьбового з’єднання зростають, а у правій – спадають. Збільшення величини осьової складової еквівалентних напружень при збільшенні згинального моменту призведе до розкриття стику між торцями муфти та головки насосної штанги, внаслідок чого відбудеться самовідгвинчування або руйнування різьбового з’єднання. З метою підвищення втомної міцності різьбових з’єднань насосних штанг за рахунок зменшення дії зусиль, які сприймають торці ніпеля та муфти, запропоновано та досліджено нові конструкції зарізьбових канавок за допомогою методу кінцевих елементів. Згідно з результатами досліджень найбільш стійким до втомного руйнування є запропоноване різьбове з’єднання з проточкою бурта штанги під муфту, менш стійким – різьбове з’єднання з проточкою в бурт штанги та найменш стійким – стандартне різьбове з’єднання насосних штанг.

The paper studied the stress-strain state of the sucker rods threaded connection when it is simultaneously influenced by the axial tension forces, make-up torque, and bending moment. Using the software ANSYS Workbench, the distribution of equivalent, axial, and radial stresses and contact pressure in the standard connection of the sucker rods with the diameter of 19 mm was obtained. It was determined that the stress redistribution with the account of the bending moment influence onto the threaded connection occurs in the following way: the stresses in the bottoms of the thread turns on the left side (with respect to the axis) of the threaded connection increase, and on the right – decrease. The increase in the axial equivalent stresses when increasing the bending moment will lead to disclosure of the joint between the coupling faces and sucker-rod head, which will result in self-unfastening or destruction of the threaded connection. In order to improve the fatigue strength of the sucker rods threaded connections by reducing the influence of the forces that take nipple and coupling faces, new designs of clearance grooves were developed and studied with the help of the finite element method. According to the study results, the developed threaded connection with the rod clamp groove for a coupling is the most resistant to fatigue failure, the threaded connection with the rod clamp groove is less stable, and the standard threaded connection of the sucker rods is the least stable.