車載修井機井架靜強度有限元分析

劉 智

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077)

車載修井機以其機動性強、使用方便等優(yōu)點在油田的修井和鉆井作業(yè)中被廣泛使用。井架是修井機的主要工作部件，用來支撐井口防噴系統(tǒng)、強制起下系統(tǒng)等裝置的重要承載部件，為了使井架應(yīng)力分布均勻，需要對井架系統(tǒng)在工作狀態(tài)進行受力分析以及強度校核，以保證其具有高度的安全性［1，2］。筆者利用ABAQUS有限元分析軟件對井架在不同靜鉤載與風(fēng)載作用下進行了靜力分析，得出井架所能承受的最大靜鉤載，并通過計算合理縮短了繃?yán)K的斜拉范圍。

1 井架結(jié)構(gòu)

井架為前開口、組合式井架，主要由橇座、井架主體、繃?yán)K、梯子、托架、天車等組成。井架主體分為上體井架和下體井架，是由立柱、橫撐、斜撐、液壓缸支腿組成。上體井架與下體井架由螺栓和銷軸聯(lián)接。井架主體最上端一層為焊接的4面封閉結(jié)構(gòu)，其余為前開口結(jié)構(gòu)。井架主體兩側(cè)扇為焊接的平面結(jié)構(gòu)。背扇橫撐、斜撐將兩側(cè)扇連接成為一個整體。橇座與下體井架由銷軸、伸縮液壓缸總成等部件連接，并由伸縮液壓缸總成負(fù)責(zé)井架的起放。井架設(shè)計高度為27 m，最大設(shè)計靜鉤載為700 kN。

2 井架有限元模型的建立

2．1 簡化模型

利用ABAQUS有限元分析軟件，對井架進行了整體建模。建模過程中將梯子簡化掉，在相應(yīng)節(jié)點施加集中質(zhì)量。簡化后的模型由下體井架、上體井架、液壓缸支腿、繃?yán)K組成。根據(jù)井架結(jié)構(gòu)的實際連接方式不同，將構(gòu)成井架的各桿件之間設(shè)置為剛性連接;液壓缸支腿與井架之間設(shè)置為鉸接。

計算中，井架主體材料均為16Mn，其彈性模量為200 GPa，屈服極限345 MPa，取安全系數(shù)為1．6，其許用應(yīng)力為215 MPa。繃?yán)K結(jié)構(gòu)為6×19+1鋼芯鋼絲繩，其彈性模量為93．2 GPa，抗拉強度179 MPa?？?yán)K的初始拉應(yīng)力為180 MPa。

2．2 單元劃分

井架主體和液壓缸支腿選用三維梁單元，繃?yán)K總成選用三維桁架單元。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)，整個模型共定義了9種截面類型，其中包括7組梁的實常數(shù)和2組桁架的實常數(shù)。井架主體有限單元模型長度尺寸設(shè)置為0．05 mm，共由6930個節(jié)點和3795個單元組成;液壓缸支腿有限單元模型大小設(shè)為0．31 mm，共由20個單元22個節(jié)點組成;繃?yán)K總成有限單元模型大小設(shè)置為3．5 mm，共由40個單元44個節(jié)點組成。另外，還有5個代替梯子和滾筒的質(zhì)量單元。建模過程中先建立井架的兩個側(cè)面，然后按照實際結(jié)構(gòu)連接成一個完整的井架主體，通過添加繃?yán)K、液壓缸支腿等部件最終完成井架總體的有限元模型。

2．3 施加載荷

井架的工作工況由恒定載荷(即結(jié)構(gòu)靜載荷)、鉤載、立根載荷、環(huán)境載荷以及這些載荷的組合所決定［3，4］。建模過程中，將井架主體支腿末端、液壓缸支腿末端和繃?yán)K末端完全固定。井架承受自重的前提下，在井架頂部滾筒重心位置施加集中力載荷，該點上的集中力會自動轉(zhuǎn)化為加載在井架頂端相應(yīng)節(jié)點上的作用力。分別加載700、800 kN兩種載荷。在每種載荷下又根據(jù)風(fēng)向劃分為4種典型工況:(1)無風(fēng)狀態(tài);(2)縱向風(fēng)(風(fēng)從車頭吹向車尾);(3)橫向風(fēng)(風(fēng)從井架側(cè)面吹);(4)斜向風(fēng)(風(fēng)從車頭吹向車尾，并與車輛軸線成28°角)。對于車載修井機井架的結(jié)構(gòu)要求是十級風(fēng)不破壞。按一般規(guī)定，十級風(fēng)的風(fēng)速為24．5～28．4 m/s。本文取風(fēng)速區(qū)間的最大值，即保證風(fēng)速為28．4 m/s時結(jié)構(gòu)不破壞。因此，總共分析了8種工況。

2．4 風(fēng)載［5，6］

風(fēng)載是一種自然載荷，風(fēng)在運動中一般有一定的傾角，但基本小于±10°。而且其豎向分風(fēng)力對于細(xì)長的井架來說，基本上只引起豎向軸力的變化，模擬計算中可以不考慮，只需考慮水平風(fēng)力對于井架結(jié)構(gòu)的影響。風(fēng)的強度一般用風(fēng)壓來表示。風(fēng)壓是指垂直于風(fēng)向的單位面積構(gòu)件所受到的壓力。單位面積上風(fēng)速提供的風(fēng)壓為:

式中:ω——單位面積上的風(fēng)壓，kN/m2;ρ——空氣密度，kg/m3;v——風(fēng)速，m/s;γ——空氣的重度，取0.012018 kN/m3(在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫15℃時);g——重力加速度，取 9.8 m/s2。

經(jīng)過計算十級風(fēng)速條件下的平均單位風(fēng)壓為0.495 kN/m2，將計算所得的風(fēng)壓以線載荷的形式施加到井架上，則得到相應(yīng)方向的風(fēng)載。

3 有限元計算結(jié)果

3．1 井架承載能力分析

分別對8種工況下井架的受力情況進行逐一分析。以700 kN靜鉤載作用下，側(cè)向風(fēng)狀態(tài)井架的受力情況為例，如圖1所示。由圖1(a)和(b)可以看出，井架4根立柱為主要承載構(gòu)件，上體井架前開口處2根立柱頂端受到的軸向壓縮載荷最大，最大應(yīng)力為182．1 MPa，是整個井架的薄弱部分。其余桿件應(yīng)力值遠(yuǎn)小于最大應(yīng)力值。下體井架與機車體接觸的的人字斜撐承載較大載荷，其他斜撐及橫撐受力較小。分析相應(yīng)數(shù)據(jù)可知，井架前面2根立柱軸向應(yīng)力變化趨勢相一致，井架后面2根立柱的軸向應(yīng)力變化趨勢也相一致。在同一高度下，前面2根立柱的軸向應(yīng)力明顯大于后面2跟立柱軸向應(yīng)力。同前左右兩側(cè)和同后左右兩側(cè)立柱的軸向應(yīng)力差別不大。井架斜撐與橫撐所受應(yīng)力都比較小，相比之下，斜撐受力普遍要大于橫撐，橫撐的設(shè)計安全系數(shù)較高。井架各單元在各種載荷作用下承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、扭矩作用，扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力很小，主要是拉、壓作用產(chǎn)生軸向變形與彎曲變形。由圖1(c)可以看出，在靜鉤載作用下，井架發(fā)生了微前傾現(xiàn)象，井架后部的2根繃?yán)K受拉，前部2根繃?yán)K處于自然下垂?fàn)顟B(tài)。繃?yán)K的最大位移值為796 mm。井架本體上頂部4個節(jié)點的前開口方向的位移最大，位移方向為井架前傾方向，最大位移值為73．6 mm。最大靜鉤載工況下，井架立柱豎直方向的位移很小。2根前立柱與2根后立柱發(fā)生的位移變化量相接近，最大位移僅為23．2 mm。

圖1 井架受力情況

由大量的計算結(jié)果可以看出，雖然工況不同，但整個井架薄弱環(huán)節(jié)的位置以及繃?yán)K的受力形式不變。表1為不同工況下，井架受到的最大Mises應(yīng)力值以及繃?yán)K最大張力值。當(dāng)作用力為900 kN時，無風(fēng)狀態(tài)下井架所受到的最大Mises應(yīng)力為234．9 MPa，大于鋼材的許用應(yīng)力。因此，本文在最大靜鉤載為700和800 kN兩種載荷下對不同風(fēng)向下的井架受力情況做了詳細(xì)計算。結(jié)果證明，在最大靜鉤載為800 kN作用下井架剛度足夠滿足正常使用要求。

表1 不同工況計算結(jié)果

3．2 繃?yán)K斜拉范圍的計算

繃?yán)K固定在地面上的4個點呈正方形分布，邊長為36 m。井架位于此正方形對角線相交位置?？?yán)K與地面夾角如圖2所示。已知井架高h(yuǎn)=21.97 m，繃?yán)K在地面上的投影半徑r=25.5 m。計算可得繃?yán)K與地面夾角θ=arctan(h/r)=40.7°。前述有限元計算結(jié)果中繃?yán)K所受的最大拉力F=20887.8 N，此拉力在水平方向上的分力Fx=Fcosθ=15835.8 N。

繃?yán)K所能承受的最大拉力:

式中:［σ］——繃?yán)K許用抗拉強度;ns——安全系數(shù)，此處取1．5;A——繃?yán)K橫截面積。

圖2 繃?yán)K與地面夾角

優(yōu)化中保持繃?yán)K水平分量不變，軸向拉力取繃?yán)K所能承受的最大值，計算得繃?yán)K與地面的最大夾角 θ=cos－1θFx/F1=48.7°。因此，可得最小斜拉半徑r1=19.3 m。也就是說可以把初始的36 m邊長縮短到27．2 m極限位置。

4 結(jié)論

(1)利用有限元方法確定了井架頂部第一層門框處為整個井架的危險截面。因此在設(shè)計選材方面需要慎重考慮，不能減弱鋼材的尺寸。井架其他斜撐及橫撐受力不大，可以適當(dāng)縮小鋼材尺寸規(guī)格。

(2)井架后面2根繃?yán)K受力要明顯大于前面2根繃?yán)K，可以優(yōu)化繃?yán)K的選材，適當(dāng)降低前面2根繃?yán)K的規(guī)格尺寸。

(3)通過計算，合理地縮小了繃?yán)K的斜拉范圍。

(4)風(fēng)載對井架主體的受力分布形式影響不大，對繃?yán)K的拉力影響較大。

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