TC-225天車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析

易先中,曹良波 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

張國麗,楊立文 (長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院,遼寧盤錦1 2401 0)

劉顯用 (河南興華機(jī)械制造有限公司,河南濟(jì)源1 59009)

胡德祥 (遼河石油裝備制造總公司,遼寧盤錦124010)

TC-225天車是與JJ225/42-KC井架配套使用的石油鉆機(jī)的重要提升設(shè)備之一。天車、游車、鋼絲繩和大鉤,通常統(tǒng)稱為游動系統(tǒng)。游車、天車和鋼絲繩是3個(gè)用來連接支撐井架并承載、下放或提升鉆柱的主要部件。鋼絲繩纏繞在井架上部天車的滑輪上。天車與游動滑車之間,是用鋼絲繩聯(lián)系起來的復(fù)式滑輪系統(tǒng)。該滑輪系統(tǒng)可以大大降低快繩拉力,減輕鉆機(jī)絞車在鉆井各個(gè)作業(yè) (起下鉆、下套管、鉆進(jìn)、懸持鉆具)中的負(fù)荷和起升機(jī)組發(fā)動機(jī)應(yīng)配備的功率。

天車是安裝在井架頂部的定滑輪組。它主要由天車架、滑輪、滑輪軸、軸承、軸承組和輔助滑輪等零件組成。天車架是由鋼梁焊接的矩形框架 (如圖1所示),用以安裝天車滑輪組和快繩滑輪并與井架頂部相連接,確保其游動系統(tǒng)可靠工作。因此,對天車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析和強(qiáng)度計(jì)算十分重要。

安全系數(shù)法是國內(nèi)石油機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算的基本方法[1～3],是一種簡單有效的判定結(jié)構(gòu)安全性的準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則中關(guān)于結(jié)構(gòu)許用安全系數(shù)值的選擇,是全面考慮載荷特征、材料特性、制造環(huán)境因素以及該類結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐的重要性等后,根據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。若物體的安全系數(shù)大于給定的許用安全系數(shù)值,則該物體判定為安全可靠。

圖1 天車架結(jié)構(gòu)的示意圖

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》中,充分考慮到實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)物體常常承受拉壓彎扭剪等多種形式載荷的聯(lián)合作用,其構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力是一個(gè)綜合折算后的當(dāng)量最大應(yīng)力。為此,ANSI/AISC 360-05提出了Maximum Component Unity Check的概念 (即UC值)[4],并用之來評價(jià)構(gòu)件單元的綜合強(qiáng)度性能。對于UC值小于1.0的構(gòu)件,ANSI/AISC認(rèn)為構(gòu)件綜合強(qiáng)度滿足要求,視為合格的單元;對于UC值大于1.0的構(gòu)件,則認(rèn)為綜合強(qiáng)度不夠。設(shè)計(jì)者應(yīng)對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和修改,直到使得構(gòu)件的UC值小于1.0,滿足綜合強(qiáng)度要求[4]。

ANSYS是現(xiàn)行大型結(jié)構(gòu)有限元分析的國際主流軟件平臺,隨著我國石油機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平的迅速提高,并逐步與國際結(jié)軌,采用國際通用的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對產(chǎn)品進(jìn)行分析十分重要[5,6]。因此,筆者以ANSYS為結(jié)構(gòu)分析軟件,采用ANSI/AISC 360-05中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo) (UC值),對TC-225天車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。

1 基本參數(shù)

1)型號及參數(shù) 天車型號為TC-225;最大靜鉤載為2250kN;滑輪數(shù)為6;滑輪外徑為1120mm(5個(gè));導(dǎo)向滑輪外徑為1270mm(1個(gè)):鋼絲繩直徑為32mm;最大快繩拉力為80kN;外形尺寸為3483mm×3022mm×4150mm;理論重量為5967kg。

井架有效高度為43m;井架工作高度為42m;井架設(shè)計(jì)鉆井深度 (5in鉆桿)為4000m;配套鉆機(jī)型號為ZJ40RL/2250;配套井架型號為JJ225/42-KC;配套底座型號為DZ225/6-KX。

3)材料規(guī)格及材料特性 天車架由主梁 (1左1右)、天車軸支撐梁 (2根)、快繩滑輪支撐梁(2根)、前后輔助梁及部分加強(qiáng)筋板焊接而成。

主梁為焊接工字鋼,16Mn,規(guī)格為630×300×18×26mm,定義號為ID1;天車軸支撐梁為焊接工字鋼,16Mn,規(guī)格為630×240×18×26mm,定義號為ID2;前輔助梁為焊接工字鋼,16Mn,規(guī)格為630×200×18×26mm,定義號為ID3;快繩滑輪支撐梁為焊接工字鋼,16Mn,規(guī)格為480×140×10×14mm,定義號為ID5;后輔助梁為45a工字鋼,Q235A,定義號為ID4。天車所采用的材料主要為Q235A型鋼和16Mn型鋼2種,其機(jī)械物理性能見表1。

表1 天車材料性能一覽表

2 天車架力學(xué)模型的建立

天車架的結(jié)構(gòu)形式為典型的鋼架模型。大鉤載荷是通過滑輪、天車軸、軸承座、墊板傳給天車軸支撐梁,其作用方向?yàn)榇怪毕蛳??？炖K拉力是通過一個(gè)滑輪及其2個(gè)支撐梁后均勻地施加在前輔助梁上的?？炖K拉力的方向相對于井架雖有一定的傾斜,但該角度較小,也可簡化為垂直向下。這樣,可將天車架簡化為一個(gè)平面鋼架結(jié)構(gòu)[4,5]。

由于天車架的前聯(lián)接梁的非對稱性,因此,在用有限元工程分析軟件建模時(shí),可采用能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)非對稱的空間梁單元BEAM44。在各梁的長度方向,為了保證分析的高精度,每0.1m劃分為一個(gè)單元,整個(gè)結(jié)構(gòu)共有128個(gè)結(jié)點(diǎn),132個(gè)單元 (見圖2)。

圖2 天車架的加載及約束模型

3 天車架的強(qiáng)度分析

天車架是一個(gè)正方形的鋼架。輸入各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值并連線,即可確定其幾何結(jié)構(gòu)[5,6]?？臻g梁單元BEAM44,通過Section定義各個(gè)單元的截面形狀和尺寸。

3.1 位移約束和載荷的定義

1)天車架的4個(gè)角點(diǎn)為固定節(jié)點(diǎn),限制其3個(gè)方向的所有自由度。

2)天車架的最大靜載2250kN是均布地作用在2個(gè)支撐梁上,主要是在81,88-92和99,106-110等節(jié)點(diǎn)部位。

3)快繩拉力2×280kN是作用在2根快繩滑輪支撐梁,即作用于120-123和128-131等節(jié)點(diǎn)部位。然后,通過快繩梁施加在前輔助梁和相鄰的天車軸支撐梁上。天車架加載及約束模型見圖2。

3.2 基于安全系數(shù)方法的強(qiáng)度分析

1)由天車架受載的結(jié)構(gòu)變形圖 (見圖3)知,天車架的最大變形量出現(xiàn)在天車軸支撐梁的中部91號單元,即在91和92號節(jié)點(diǎn)之間,其值為1.5656mm。

參照橋式起重機(jī)等重型鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械的變形剛度設(shè)計(jì)指標(biāo)[7],起重機(jī)在最大工作載荷下的最大變形量δmax≤0.002Lmax(Lmax為起重機(jī)大梁的跨度)。對于天車支撐梁Lmax=3022mm,允許的最大相對變形量δmax≤6.044mm。天車架中出現(xiàn)最大變形量91號單元的值為1.5656mm,小于允許的δmax,其安全系數(shù)為3.86,說明天車梁具有足夠的剛度。

2)圖4為天車架的應(yīng)力分布圖。天車架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在天車軸支撐梁的中部91號單元 (與發(fā)生最大彎曲變形是同一個(gè)地方),即在91和92號節(jié)點(diǎn)之間,其值為σmax=98.775MPa。該支撐梁的材料是16Mn,屈服強(qiáng)度極限為σs=343MPa。即天車梁的安全系數(shù) n=σs/σmax=3.47。

圖3 天車架的受載變形圖

圖4 天車架的應(yīng)力分布圖

這說明天車支撐架在滿負(fù)荷極限工作狀態(tài)下的受力,相對于天車支撐梁材料的承載能力是一個(gè)較小的量,是支撐梁屈服強(qiáng)度極限的28.8%,天車架具有足夠的強(qiáng)度[7]。

3.3 基于UC值的強(qiáng)度分析

天車架主要承受的是彎曲載荷,其軸向力的分量較小。在承載能力和穩(wěn)定性分析中,UC值由如下公式計(jì)算[4～6]:

當(dāng)fa/Fa≤0.15時(shí),可用式(3)代替式(1)和式(2)。式中,Fa為只有軸向力存在時(shí)允許的軸向壓應(yīng)力,MPa;Fb為只有彎矩存在時(shí)允許的軸向壓應(yīng)力,MPa;fa為計(jì)算點(diǎn)的軸向壓應(yīng)力,MPa;fb為計(jì)算點(diǎn)的彎曲應(yīng)力,MPa;Cm為折算系數(shù),對于節(jié)點(diǎn)有(側(cè)向)位移的框架中的受力構(gòu)件,取0.85;F′e為除以安全系數(shù)的歐拉應(yīng)力,MPa;且有 F′e=12π2E/[23(klb/rb)2],lb為彎曲平面內(nèi)無支撐的實(shí)際計(jì)算長度,m;k為有效長度系數(shù);rb為回轉(zhuǎn)半徑,m。x和y表示某一應(yīng)力或設(shè)計(jì)參數(shù)所對應(yīng)的彎曲軸。

在天車架的強(qiáng)度和安全性校核中,采用式(3)計(jì)算 UC值。表2為天車架單元前14個(gè)UC值的降序排列。顯然,天車架的最大 UC值在天車軸支撐梁的中部91號單元 (與出現(xiàn)最大彎曲變形、最大彎曲應(yīng)力是同一個(gè)地方),即在91和92號節(jié)點(diǎn)之間,其值為0.38396(其余各單元的UC值均小于此值)。該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0,這說明天車架具有足夠的安全性[8]。

表2 天車梁UC值較大的14單元及相關(guān)的應(yīng)力值

4 結(jié) 論

1)UC值是美國ANSI/AISC《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》中,針對鋼結(jié)構(gòu)物體承受壓縮彎曲等多種組合載荷聯(lián)合作用時(shí)所提出的一個(gè)綜合機(jī)械強(qiáng)度性能的量度指標(biāo)。它包含了對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等方面因素的綜合考慮。

以ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析軟件為平臺,運(yùn)用UC值方法,對TC-225天車架進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。分析數(shù)據(jù)表明,TC-225天車架的最大彎曲變形、最大應(yīng)力以及最大UC值均發(fā)生在天車支撐梁的中部,且最大UC值等于0.38396,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0。這說明,TC-225天車架的設(shè)計(jì)符合ANSI/AISC的要求,具有足夠的剛度、強(qiáng)度以及可靠性。

2)安全系數(shù)法是從單因素出發(fā)對安全性能指標(biāo)分別進(jìn)行考慮。于是在結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能評價(jià)中,則需要對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等分別進(jìn)行校核。筆者采用安全系數(shù)法對天車架的強(qiáng)度和剛度分別進(jìn)行了校核(剛度安全系數(shù)為3.86,強(qiáng)度安全系數(shù)為3.47),符合強(qiáng)度要求。

3)以天車架為例,若對表2最大的UC值取倒數(shù)計(jì)算,可發(fā)現(xiàn)1/UC=1/0.38396=2.60,該值可近似地說明天車架的綜合安全系數(shù)為2.60左右。這樣,與天車架剛度安全系數(shù)3.86和強(qiáng)度安全系數(shù)3.47相比,可說明2點(diǎn):①ANSI/AISC的當(dāng)量安全系數(shù) (1/UC)是一個(gè)綜合機(jī)械性能的折算指標(biāo),它是一個(gè)定量的數(shù)值,使用方便簡單,具有一定的科學(xué)性的先進(jìn)性。②當(dāng)量安全系數(shù) (1/UC)比傳統(tǒng)的單項(xiàng)安全系數(shù)值要小。因而,采用ANSI/AISC中的UC值方法對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核,比傳統(tǒng)的安全系數(shù)方法更安全和可靠。

[1]SY/T5609-1999,石油鉆機(jī)型式與基本參數(shù) [S].

[2]SY/T502-1999,鉆機(jī)和修井機(jī)井架、底座規(guī)范 [S].

[3]SY/T5112-1999,鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范 [S].

[4]ANSI/AISC 360-05,Allowable Stress Design,Ninth Edition[S].

[5]張學(xué)軍,張樹,陳孝珍.JJ22547型井架有限元靜動力特性分析 [J].石油礦場機(jī)械,2008,37(9):49～51.

[6]李宏茹.JJ225/43-K石油鉆機(jī)井架強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2005.

[7]劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].第4版.北京:高等教育出版社.2003.19～33,203.

[8]SY/T6326-1997,石油鉆機(jī)用井架承載能力檢測評定方法[S].