鉆機(jī)TC585天車強(qiáng)度分析

徐建寧，田 麗

(西安石油大學(xué)，陜西西安 710065)

0 引言

天車是鉆機(jī)重要部件之一，它通過(guò)固定滑輪組將鉆機(jī)提升系統(tǒng)固定在鉆機(jī)井架內(nèi)部，鋼絲繩貫穿天車滑輪組，提升系統(tǒng)和絞車，完成正常鉆進(jìn)、起下鉆柱和下套管，以及處理事故作業(yè)，承擔(dān)著重要的鉆井作業(yè)。天車由天車架、滑輪組、快繩滑輪、軸及軸承等部件組成。天車架采用焊接工字鋼組成的整體焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主材料選用Q345B，主要焊縫進(jìn)行磁粉探傷?；喗M和快繩輪軸選用40CrNiMoA，滑輪選擇通用60英寸(φ1 524 mm)。TC585的設(shè)計(jì)和制造符合美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API 4F和API 8C規(guī)范。

1 天車設(shè)計(jì)參數(shù)

天車的重要參數(shù)見(jiàn)表1 TC585參數(shù)表。

表1 TC585參數(shù)表

2 天車主結(jié)構(gòu)平面圖

如圖1為TC585天車主結(jié)構(gòu)平面圖。

圖1 TC585天車主結(jié)構(gòu)平面圖

3 天車軸的強(qiáng)度計(jì)算

3.1 天車軸彎曲強(qiáng)度計(jì)算

Qmax=5 850 kN，天車軸上7個(gè)滑輪施加在上面的力可以近似視為均布載荷。如圖2為天車軸受力分析圖。

天車軸最大載荷:

天車軸的直徑 D為 304.8 mm，材料為40CrNiMoA，屈服強(qiáng)度Rel≥827 MPa

抗彎截面系數(shù):

受力分析如下:

由∑MA=0，可得:

圖2 天車軸受力分析圖

軸彎矩及剪力方程為:

(1)當(dāng)x在AC之間時(shí)

由第四強(qiáng)度理論得:

(2)當(dāng)x在CD之間時(shí)

在O點(diǎn)剪切力為0，所以:

(3)當(dāng)x在DB之間時(shí)，受力情況與AC相同，天車軸安全。

3.2 天車軸的撓度計(jì)算

WMAX＜［W］，天車軸安全。

4 快繩輪軸的強(qiáng)度計(jì)算

快繩滑輪與天車滑輪選取相同，考慮到滑輪互換性問(wèn)題。

快繩輪軸材料為40CrNiMoA，屈服強(qiáng)度Rel≥827 MPa。根據(jù)API RP 9B標(biāo)準(zhǔn):

式中:Z為有效繩數(shù);η游為游動(dòng)系統(tǒng)效率［2］。

作用在快繩滑輪軸上的力為:

式中:θ為豎直方向快繩夾角。

快繩滑輪快繩另一側(cè)繩力:

作用在快繩輪軸上的力為:

P總=P快+P2=553.87+533.35=1 087.22(kN)

受力分析，得到:

快繩輪軸剪應(yīng)力:τMAX=3148(MPa)(快繩輪軸的直徑D為304.8 mm)。

5 關(guān)鍵焊縫強(qiáng)度計(jì)算

承載滑輪組的梁GH，梁EF與之相連接的梁MP，梁NQ為主要受力焊縫，焊接采用50 kg級(jí)焊條，焊縫的許用應(yīng)力［σ］焊縫=0.3σ焊縫=0.3×500=150(MPa)，母材的需用應(yīng)力［σ］=0.6×315=189(MPa)

經(jīng)過(guò)受力分析得到:

NG=1 537.13 kN，NH=1 824.75 kN，NE=1 546.32 kN，NF=1 443.48 kN，其中 H 點(diǎn)彎曲應(yīng)力最大。

焊縫應(yīng)力:σ焊MAX==24.71 MPa＜0.7 [ σ焊縫]，焊縫安全。

6 天車滑輪軸承強(qiáng)度校核

天車滑輪及快繩輪軸承型號(hào)相同，均選用雙列圓錐滾子軸承37 961 K。

選用雙列圓錐滾子軸承37 961 K，查表得額定載荷 C=906 kN，fh=1.71，fn=0.719，則:

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TC585天車的關(guān)鍵部件天車軸彎曲，剪切的強(qiáng)度分析，撓度計(jì)算，快繩輪軸強(qiáng)度分析，以及天車滑輪軸承使用壽命等問(wèn)題，得出結(jié)論TC585天車設(shè)計(jì)滿足API規(guī)范，整體結(jié)構(gòu)安全。

［1］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第五版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社 ，2007.

［2］ 美國(guó)石油學(xué)會(huì)API Spec RP 9B-2011［S］.第十三版《油田鋼絲繩的應(yīng)用、保養(yǎng)和使用的推薦方法》.美國(guó):API出版服務(wù)，2011.

［3］ 美國(guó)石油學(xué)會(huì)API spec 8C-2012［S］.第五版《鉆井和采油提升設(shè)備》.美國(guó):API出版服務(wù)，2012.