基于多路況的沙漠修井車車架強(qiáng)度分析

安紹敏，陳德勇，張維東

（1.中石化石油工程機(jī)械有限公司 第四機(jī)械廠，湖北 荊州434000；2.中石油蘭州石化客運(yùn)分公司，蘭州730060）①

目前，全世界已發(fā)現(xiàn)了324個(gè)儲(chǔ)量在億噸級(jí)別的油氣田，其中有109個(gè)分布在沙漠地區(qū)，并且至關(guān)重要的幾個(gè)油田是在沙漠中。沙漠環(huán)境對(duì)工程機(jī)械的性能與可靠性提出了更高的要求。在把修井機(jī)運(yùn)輸?shù)缴衬蜌馓锏倪^程中，對(duì)底盤的要求非常高，尤其是大型修井機(jī)，在道路顛簸的山路、凹凸不平的壞路和高低起伏且松軟的沙漠地形上，遇到的問題要遠(yuǎn)多于普通環(huán)境［1－3］，整車承受地面給車架的動(dòng)載荷是很大的，所以研究沙漠修井車的車架在各種惡劣路況下強(qiáng)度就顯得更加重要［4］。本文分析沙漠修井車在平穩(wěn)路面、輪胎懸空、緊急制動(dòng)、沙漠凹凸坡道4種路況下行駛時(shí)車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)提高整車道路通過性和整車使用壽命具有重要意義。

1 路況分類

在駛往沙漠油氣田的過程中，沙漠修井車需要經(jīng)歷山路、沼澤地、沙漠地形下的凹凸顛簸路面，承受地面對(duì)車身的巨大沖擊力。這些工況可分為4種：

1） 普通平穩(wěn)道路行駛路況 沙漠修井車在平穩(wěn)路面上行駛時(shí)受到的載荷，或者駐車停止時(shí)，都可以近似于只承受車架上部設(shè)備重力的靜壓力載荷，包括井架、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱、分動(dòng)器、絞車架等上裝設(shè)備的垂向靜載荷。SXJ550ZJM型沙漠修井機(jī)在平整路況下行駛，如圖1，底盤為三江瓦力特航天公司特制的WS5650ATXJ型沙漠專用底盤，全獨(dú)立懸掛，最大載質(zhì)量48t，高越野性能。

2） 單側(cè)前輪懸空路況 沙漠修井車在比較崎嶇的道路上行駛時(shí)，很容易出現(xiàn)單側(cè)前輪懸空的情況，這時(shí)候車架受到的力是不對(duì)稱的，在上裝設(shè)備的重力作用之下，車架左右兩側(cè)會(huì)形成彎矩，將會(huì)產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力。

3） 緊急制動(dòng)路況 道路行駛過程中，遇到緊急情況需要緊急制動(dòng)時(shí)，模擬車架0.5s內(nèi)制動(dòng)，計(jì)算相應(yīng)減速度慣性載荷對(duì)車架的縱向沖擊載荷。施加載荷時(shí)模擬1條載荷譜，橫坐標(biāo)為時(shí)間，歷時(shí)0.5 s，縱坐標(biāo)為整車慣性力（F＝ma），此時(shí)車架受到垂向靜載荷＋制動(dòng)減速度沖擊載荷。

4） 凹凸沙漠坡道路況 在顛簸山路中行駛，沙漠修井車會(huì)遇到各種凹凸不平的坑道，加上沙漠中行駛時(shí)，各種大沙坑、沙堆坡道。模擬沙漠修井車以30km／h的速度遇到1個(gè)接近5m的凹坑，然后越過沙堆的路譜，如圖2。

當(dāng)前軸輪胎進(jìn)入凹坑時(shí)，后軸輪胎還沒有進(jìn)入凹坑，前輪準(zhǔn)備出凹坑時(shí)，后輪準(zhǔn)備進(jìn)入凹坑，前輪駛出凹坑時(shí)，后輪準(zhǔn)備越過凹坑，分析前后軸所受沖擊載荷對(duì)車架各處產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。圖3為SXJ550ZJM型沙漠修井機(jī)的前輪已經(jīng)駛出凹坑，后輪準(zhǔn)備越過凹坑時(shí)的后軸受力情況。

其中垂向靜載荷為4種路況下都具有的永久上裝設(shè)備重力載荷，主要包括井架、滾筒及剎車系統(tǒng)、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱、分動(dòng)箱、絞車架等設(shè)備對(duì)車架的重力靜載荷，同時(shí)包括車架本身的重力，如表1。

2 有限元分析

以SXJ550ZJM型沙漠修井機(jī)為例進(jìn)行分析。

2.1 模型建立

采用Pro／E軟件建立了沙漠修井車車架的三維裝配體模型.為了提高車架強(qiáng)度分析的計(jì)算效率，在滿足主要因素計(jì)算精度的前提下，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去承受載荷較小和對(duì)整體變形影響很小的部件，得到的模型無縫連接到ANSYS中。

在建立有限元模型時(shí)，由于車架結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，小特征較多，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格。為提高建模精度，選取合適的的單元尺寸（10～15mm）［5－6］，劃分單元總數(shù)為213 358 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為891 658個(gè)。在處理有限元模型的載荷條件時(shí)，采用面均勻加載模擬真實(shí)載荷工況。

2.2 分析結(jié)果

在有限元的計(jì)算中，車架的材料為16Mn，材料的許用應(yīng)力為350MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。針對(duì)4種路況，給車架施加相應(yīng)的載荷，得到4種路況下有限元應(yīng)力云圖和變形云圖。由于篇幅所限，此處只給出車架在比較危險(xiǎn)的輪胎懸空路況（路況2）和凹凸沙堆坡道路況（路況4）下的應(yīng)力分布圖和最大變形分布圖。如圖4～7。4種路況下有限元分析數(shù)據(jù)對(duì)比如表2。

4種路況下普遍應(yīng)力在30MPa左右，車架強(qiáng)度比較安全。其中，路況2的最大應(yīng)力約為150MPa，第4種路況下車架所受應(yīng)力和變形最大，最大應(yīng)力為181MPa，位于后4軸中間車架上端處，屬于受力較大位置，由于材料的屈服強(qiáng)度為350MPa，所以滿足強(qiáng)度要求；最大變形為13.9mm，位于車架中后部，第4、5軸中間位置，車架前端的井架支撐架位置變形也比較大，受井架重力集中引起的局部變形也在允許變形范圍之內(nèi)；第2種路況下，變形明顯比其他工況大很多，為24mm，這是由于輪胎懸空引起不平衡彎矩，導(dǎo)致單側(cè)車架前端變形較大，加上駕駛室后邊的井架支撐架處變形比較大，屬于局部受井架重力集中引起的變形，需要局部加強(qiáng)。所以，針對(duì)這幾個(gè)明顯的應(yīng)力較大和變形明顯的局部可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，而且在惡劣路況行駛的時(shí)候，車速不能太快，顛簸路面更加注意避免車輪懸空，凹坑不平路面不能快速通過，這樣保證沙漠修井車的使用壽命和道路通過更加安全。

3 結(jié)論

1） 建立了沙漠修井車車架裝配體模型，并無縫連接到有限元分析軟件ANSYS中，按照修井車4種實(shí)際路況設(shè)置有限元車架模型。

2） 將沙漠修井車進(jìn)行了平穩(wěn)路面、輪胎懸空、緊急制動(dòng)、凹坑及沙漠坡道4種真實(shí)路況下的有限元分析，得到車架應(yīng)力云圖和變形云圖，從而得到應(yīng)力、變形較大位置，為以后的沙漠修井車在惡劣路況下的車架強(qiáng)度校核和改善提供依據(jù)。

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