鉆機(jī)天車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)分析

黃澤旭 常加彪

（1.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，荊州 434023；2.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安 710018）

天車是石油鉆機(jī)的重要部件之一，為鉆桿提供了支撐平臺(tái)。鉆機(jī)通過鋼絲繩將絞車、天車的滑輪組和提升系統(tǒng)連接起來。天車將鉆機(jī)提升系統(tǒng)固定在井架內(nèi)部，可以牽引鉆具的起升和下放。鉆具的全部載荷由天車承擔(dān)，因此它的強(qiáng)度關(guān)系整個(gè)鉆井平臺(tái)的安全。天車主要由天車架、快繩滑輪、滑輪組、軸及軸承等零件組成[1]。天車架主要由工字鋼和角鋼焊接而成，通過安裝天車滑輪組和快繩滑輪，并與井架頂部相連接來確保游車系統(tǒng)可靠工作[2]。因此，對(duì)天車架進(jìn)行有限元強(qiáng)度及模態(tài)分析十分有意義。本文以石油鉆機(jī)STC-450天車架為研究對(duì)象，進(jìn)行有限元強(qiáng)度及模態(tài)分析。

1 天車架參數(shù)

天車的重要參數(shù)如表1所示。

表1 天車基本參數(shù)

2 天車架有限元模型建立

2.1 三維模型的導(dǎo)入

根據(jù)天車架的工程圖和實(shí)際設(shè)備尺寸，通過SolidWorks建立天車架的實(shí)體模型，在滿足對(duì)仿真結(jié)果影響較小的條件下，簡化處理焊縫部位，忽略螺栓孔等細(xì)小特征，對(duì)天車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化[3]。將建立的三維模型保存類型選擇為Parasolid，再在ANSYS中加載輸入該格式的文件即可，同時(shí)可以修復(fù)在ANSYS軟件中導(dǎo)入模型時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。

2.2 天車架的網(wǎng)格劃分

使用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的mesh功能對(duì)天車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，綜合考慮網(wǎng)格無關(guān)性和整體的尺寸，全部采用尺寸大小為15 mm的solid186實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)天車架有限元模型由294 534個(gè)單元和546 630個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。天車架三維實(shí)體模型如圖1所示。根據(jù)使用要求，天車架采用的材料特性參數(shù)如表2所示。

表2 天車架材料特性參數(shù)

圖1 天車架有限元模型

3 天車架靜強(qiáng)度分析

3.1 邊界條件及載荷

在ANSYS Workbench有限元分析軟件中使用位移載荷作為有限元解的邊界條件，其中包括3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)約束和3個(gè)位移約束，分別為ROTX、ROTY、ROTZ、UX、UY、UZ。在天車架仿真分析過程中，對(duì)天車架主梁下部的4塊連接板采取全約束。該天車的最大鉤載為4 500 kN，由大鉤和游車自重組成的恒載為116.31 kN，游繩數(shù)為12，所以單根游繩的承載為384.69 kN。引入快繩和死繩后，天車架所承受的載荷為5 385.69 kN。其中，大鉤載荷通過滑輪、天車軸、軸承座以及墊板傳給主滑輪支座處，作用方向?yàn)榇怪毕蛳?，大小? 616.31 kN?？炖K拉力通過快繩滑輪及其2個(gè)支撐梁后均勻施加在快繩滑輪支座處。該拉力方向相對(duì)于井架有一定的傾斜角度，但角度較小，也可簡化為垂直向下，大小為769.38 kN。

3.2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

采用ANSYS軟件對(duì)天車架進(jìn)行靜力學(xué)求解，以獲得其應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，天車架應(yīng)力云圖及變形云圖分別如圖2和圖3所示。由圖2可知，最大應(yīng)力位于主梁固定端前部，最大應(yīng)力值為205.53 MPa。天車架的主材料為Q355B，它的屈服極限值為355 MPa，可知該天車架安全系數(shù)為1.73，其中各部分的最大應(yīng)力都小于其材料的屈服強(qiáng)度，所以該天車架的靜強(qiáng)度完全符合安全需要。通過圖3可知，最大變形發(fā)生在天車架的快繩滑輪支座處，變形值為3.195 8 mm。該變形值較小，剛度滿足工況安全要求[4]。

圖2 天車架應(yīng)力云圖

圖3 天車架位移云圖

4 天車架模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是一種處理過程，是根據(jù)結(jié)構(gòu)的固有特性包括頻率、阻尼和模態(tài)振型等動(dòng)力學(xué)屬性去描述結(jié)構(gòu)的過程。將線性系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)下的分析問題，從而使得方程組解耦，成為以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，進(jìn)而求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變化的矩陣為模態(tài)矩陣，每一列為模態(tài)振型[5-6]。

天車架的固有頻率和振型決定了鉆機(jī)的起升系統(tǒng)是否具有良好的動(dòng)態(tài)特性。通過模態(tài)分析，可以得到天車架的固有頻率和振型等特征。了解結(jié)構(gòu)的剛度情況和安全工作頻率，對(duì)以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備布置具有很好的指導(dǎo)作用。

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

在有限元軟件中對(duì)天車架進(jìn)行帶約束的模態(tài)分析，保持約束條件不變，將天車架所受的全部快繩拉力卸去，求解后可得到各階模態(tài)的固有頻率和振型。由于高階頻率影響很小，此次分析僅計(jì)算前6階固有頻率。天車架的前6階固有頻率如表3所示，振型和變形趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 天車架前6階振型及變形趨勢(shì)

表3 天車架前6階固有頻率

由表3可知：該天車架的第1階固有頻率為92.257 Hz；第1階和第4階振型主要表現(xiàn)為快繩滑輪支座的扭轉(zhuǎn)和彎曲；第2階和第6階振型主要表現(xiàn)為快繩滑輪支座的扭轉(zhuǎn)與滑輪組支撐梁的彎曲；第3階和第5階振型主要表現(xiàn)為天車架邊梁的翹曲。其中，最高固有頻率是6階頻率為122.98 Hz，最低頻率為1階固有頻率為92.257 Hz。最大模態(tài)位移發(fā)生于第5階為14.04 mm，對(duì)應(yīng)的頻率為106.6 Hz，應(yīng)避免天車架受到此工頻的設(shè)備激勵(lì)。

5 結(jié)語

對(duì)天車架進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析及模態(tài)分析，可以得出該天車架最大應(yīng)力位于主梁固定端前部，大小為205.53 MPa。天車架結(jié)構(gòu)各部分的最大應(yīng)力都小于其材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為1.73，說明該天車架的靜強(qiáng)度完全符合安全需要。該天車架最低固有頻率為92.257 Hz，應(yīng)避免天車架受到此工頻的設(shè)備激勵(lì)。該天車架的各階振型主要為快繩滑輪支座的扭轉(zhuǎn)和彎曲、滑輪組支撐梁的彎曲和天車架邊梁的翹曲。