油管輸送機(jī)主梁輕量化設(shè)計(jì)

李勇，范新冉，王賀，汪秋陵，劉文濤

（1.勝利油田分公司設(shè)備管理部，山東 東營(yíng) 257400；2.勝利油田分公司油氣井下作業(yè)中心，山東 東營(yíng) 257400；3.勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司，山東 東營(yíng) 257067）

1 引言

油井在長(zhǎng)期生產(chǎn)過程中，由于各種原因會(huì)發(fā)生各種故障，導(dǎo)致減產(chǎn)、停產(chǎn)。為解除油井的故障，恢復(fù)生產(chǎn)能力，需對(duì)油井進(jìn)行經(jīng)常的、反復(fù)的維護(hù)修理，即修井作業(yè)。修井作業(yè)過程中需要對(duì)管柱進(jìn)行大量的起下、排放作業(yè)，特別是起下管柱過程中，需要多次重復(fù)管柱排放作業(yè)，耗費(fèi)大量時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且安全風(fēng)險(xiǎn)高[1]。目前，關(guān)于自動(dòng)化管柱處理裝備，研究人員主要開展了裝備的設(shè)計(jì)[2-6]、仿真[7-9]、改進(jìn)[10-12]、集成控制[13]等方面的工作，而關(guān)于管柱處理裝備輕量化方面的工作少有涉及。輕量化技術(shù)有助于提高裝備的控制性能，保證控制精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，可進(jìn)一步提高裝備的技術(shù)水平[14]。關(guān)于結(jié)構(gòu)梁的輕量化設(shè)計(jì)，學(xué)者們主要采用有限元法[15,16]、仿生設(shè)計(jì)模型[17]、響應(yīng)面法[18]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19]、粒子群算法[20]、剛度質(zhì)量比[21]等方法開展相關(guān)研究。本文根據(jù)油田修井作業(yè)要求，結(jié)合油管輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合運(yùn)用Solidworks和ANSYS軟件，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)、Kriging法、靈敏度分析等方法對(duì)油管輸送機(jī)的主梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，所得研究結(jié)果可為結(jié)構(gòu)梁的輕量化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2 油管輸送機(jī)總體設(shè)計(jì)

油管輸送機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸送油管，即能夠?qū)⒂凸芗肮軤罟ぞ咴诓僮髌脚_(tái)和排放架之間的移送，替代人工作業(yè)，可提高作業(yè)效率，提高操作安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。油管輸送機(jī)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 油管輸送機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

工作原理：油管輸送機(jī)由舉升機(jī)構(gòu)、大臂伸縮機(jī)構(gòu)、移動(dòng)小車、管桿夾持機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。舉升機(jī)構(gòu)由前端的折臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、舉升架、后端鉸接機(jī)構(gòu)組成，舉升架可以在折臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下將舉升架和大臂伸縮機(jī)構(gòu)前端舉升，舉升到合適的高度。大臂伸縮機(jī)構(gòu)由伸縮臂、小車支撐架以及小車的鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，在小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下可以將移動(dòng)小車沿著大臂伸縮機(jī)構(gòu)前后滑動(dòng)，同時(shí)將油管推到井口位或拉回到設(shè)備后端，移動(dòng)小車上面設(shè)計(jì)了夾管機(jī)構(gòu)，能夠夾持住不同規(guī)格的油管，使油管同移動(dòng)小車一起滑動(dòng)，從而完成油管的輸送過程。

主要技術(shù)特點(diǎn)：①運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，皮實(shí)耐用，符合現(xiàn)場(chǎng)使用工況；②輸送機(jī)上設(shè)置了移動(dòng)小車，可加持油管移動(dòng)，不傷油管螺紋；③鋼絲繩帶動(dòng)小車移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。

主要技術(shù)參數(shù)：①額定舉升負(fù)荷：350 kg；②舉升高度：4 m；③輸送距離：3.4 m；④適合油管直徑：≤114 mm。

3 主梁有限元分析

3.1 有限元模型

管桿輸送作業(yè)中，主梁是輸送機(jī)的關(guān)重部件，為實(shí)現(xiàn)主梁的輕量化設(shè)計(jì)，需對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行靜力學(xué)分析，以確定輕量化設(shè)計(jì)空間。應(yīng)用Solidworks對(duì)主梁進(jìn)行建模，忽略焊接對(duì)仿真的影響，從而提高網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。主梁的兩端與滑軌配合位置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對(duì)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量影響不大，為提高優(yōu)化效率，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。主梁是承彎構(gòu)件，主要由槽鋼組成，且其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度。若采用實(shí)體單元會(huì)產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)，極大地增加了計(jì)算量，梁?jiǎn)卧氖褂每稍诒ＷC計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。因此，采用梁?jiǎn)卧Ｐ痛鎸?shí)體模型進(jìn)行有限元分析。在ANSYS Workbench中建立梁?jiǎn)卧Ｐ?，并賦予截面形狀，定義結(jié)構(gòu)的材料屬性，主梁材料為Q355鋼，其材料屬性如表1所示。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖2所示的主梁有限元模型。

表1 主梁材料屬性

圖2 主梁有限元模型

根據(jù)實(shí)際工況，確定主梁的邊界條件，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，對(duì)受力面施加遠(yuǎn)程力?？紤]極限工況條件，應(yīng)用Solidworks軟件確定設(shè)備的質(zhì)點(diǎn)，遠(yuǎn)程力A施力點(diǎn)為提升器提升管桿極限位置，取安全系數(shù)為2，根據(jù)實(shí)際工況確定載荷大小為14 000 N，施力點(diǎn)B處施加橫移傳動(dòng)軸組件設(shè)備自重，大小為2 000 N，方向均為重力方向。

圖3 主梁邊界條件

3.2 靜強(qiáng)度分析

計(jì)算得出主梁的變形和應(yīng)力分布情況，最大變形位置為主梁中部，如圖4所示，按照有限元分析計(jì)算結(jié)果，最大變形量為2.119 3 mm。圖5給出主梁的總體應(yīng)力分布規(guī)律，最大應(yīng)力為39.915 MPa，該型主梁的質(zhì)量為542.44 kg。主梁的跨長(zhǎng)為10 100 mm，結(jié)合最大靜變形量可計(jì)算出其單位許用撓度為2.1×10-4，遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的關(guān)于鋼梁的剛度條件（1/600~1/500）。按照2倍安全系數(shù)計(jì)算，極限工況下該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力（236 MPa）。強(qiáng)度分析和剛度分析結(jié)果表明，該主梁具有較大的輕量化設(shè)計(jì)空間。

圖4 主梁靜態(tài)變形

圖5 主梁等效應(yīng)力分布

由于管桿提升作業(yè)對(duì)主梁變形要求較高，故需在保證不增加最大撓度的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。為此，本文采用加裝橫梁的方式對(duì)主梁初始方案進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的主梁的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖6和圖7所示，計(jì)算結(jié)果顯示：其最大變形量為1.322 8 mm，最大等效應(yīng)力為40.217 MPa。該型主梁的質(zhì)量為570.02 kg。本文在該型主梁的基礎(chǔ)上開展輕量化設(shè)計(jì)工作。

圖6 改進(jìn)主梁的靜態(tài)變形

圖7 改進(jìn)主梁的等效應(yīng)力分布

4 輕量化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化模型

4.1.1 設(shè)計(jì)變量

管桿輸送機(jī)的主梁主要由槽鋼焊接而成，當(dāng)材料及其制造工藝等參數(shù)給定時(shí)，影響其質(zhì)量的主要因素是其零部件的截面積和橫梁的距離參數(shù)，故本文將槽鋼的截面尺寸和橫梁間距作為變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖8說明了輸送機(jī)主梁的參數(shù)設(shè)置，主梁及橫梁的截面形狀分別以不同顏色表示。各參數(shù)變量之間的關(guān)系及初始值見表2。參數(shù)的向量表達(dá)式為：V=[A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 X1 X3]T，各參數(shù)對(duì)應(yīng)的尺寸單位為mm。

圖8 改進(jìn)主梁的參數(shù)設(shè)置示意圖

表2 改進(jìn)主梁的參數(shù)設(shè)置及初始值

4.1.2 靈敏度分析

靈敏度分析是分析設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)分析目標(biāo)的影響程度的一種方法，敏感度是結(jié)構(gòu)影響變化的梯度，函數(shù)表達(dá)式為：

在主梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)為指標(biāo)的函數(shù)方程中，靈敏度分析的是各關(guān)鍵參數(shù)pi對(duì)零部件的性能參數(shù)fj變化的影響程度，即求fj對(duì)pi的偏導(dǎo)數(shù)，如式（2）所示。

針對(duì)主梁的強(qiáng)度特性、剛度特性以及質(zhì)量特性進(jìn)行靈敏度分析，應(yīng)用分析結(jié)果對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行篩選，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。由圖9的靈敏度分析結(jié)果可知，參數(shù)A1、A2、A3，對(duì)主梁的強(qiáng)度、剛度及質(zhì)量特性影響最大。主梁的質(zhì)量特性與上述3個(gè)參數(shù)呈正相關(guān)，而強(qiáng)度特性及剛度特性與其負(fù)相關(guān)，其中槽鋼的腰厚A2對(duì)質(zhì)量和剛度的影響最大，腿寬度A3對(duì)強(qiáng)度的影響最大。而橫梁（橫向槽鋼）的結(jié)構(gòu)及間距對(duì)主梁的剛度及強(qiáng)度影響程度則可以忽略，據(jù)此可知，后續(xù)針對(duì)鋼梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮設(shè)備作業(yè)對(duì)橫向槽鋼的安裝要求即可。根據(jù)參數(shù)靈敏度分析結(jié)果可知，參數(shù)A1、A2、A3是輕量化設(shè)計(jì)的核心參數(shù)，因此，選取這3個(gè)參數(shù)作為輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)。

圖9 主梁輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)靈敏度分析結(jié)果

4.1.3 目標(biāo)函數(shù)

管桿輸送機(jī)主梁輕量化的最終目標(biāo)是在滿足其性能要求的基礎(chǔ)上，使其重量達(dá)到最輕，需同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，得到其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

4.1.4 約束條件

尺寸約束：根據(jù)主梁的靜強(qiáng)度分析結(jié)果以及管桿排放作業(yè)中涉及的技術(shù)及安裝要求，考慮結(jié)構(gòu)的可靠性及實(shí)際工作情況，確定設(shè)計(jì)變量的取值范圍列于表3。

表3 各參數(shù)變量設(shè)置及取值范圍

強(qiáng)度約束：主梁結(jié)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力值，即σmax≤[σ]。

剛度約束：極限工況下，主梁所受的彎矩較大，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的橫向變形，故需對(duì)變形量進(jìn)行約束；本課題基于現(xiàn)有方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)靜強(qiáng)度分析結(jié)果，取整體變形量小于2.119 3 mm。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上述目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，完成參數(shù)設(shè)置，設(shè)定15組設(shè)計(jì)點(diǎn)，進(jìn)行迭代分析。結(jié)合前述靈敏度分析結(jié)果，定量分析A1、A2、A3對(duì)質(zhì)量、強(qiáng)度及剛度的影響。應(yīng)用Kriging法擬合得到質(zhì)量、剛度及強(qiáng)度響應(yīng)曲面（見圖10、圖11、圖12），該圖可直觀反映出參數(shù)變化對(duì)主梁性能的影響規(guī)律。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果可知A2、A3對(duì)質(zhì)量的影響最大，A1、A2對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響最大，A1、A3對(duì)強(qiáng)度的影響最大。圖10所示的響應(yīng)面分析結(jié)果給出了參數(shù)A2、A3對(duì)質(zhì)量特性的影響規(guī)律，主梁的變形與A1、A2的關(guān)系由圖11表示，主梁強(qiáng)度與參數(shù)A1、A3的關(guān)系如圖12所示。

圖10 A2、A3—質(zhì)量響應(yīng)面

圖11 A1、A2—變形響應(yīng)面

圖12 A1、A3—應(yīng)力響應(yīng)面

根據(jù)前述研究結(jié)論，進(jìn)一步應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行優(yōu)化，得到局部最優(yōu)解，表4給出了最小質(zhì)量設(shè)計(jì)點(diǎn)的優(yōu)化結(jié)果。實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)表4的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整。本研究在降低油管輸送機(jī)主梁質(zhì)量的前提下，同時(shí)考慮其強(qiáng)度與剛度性能，得到的優(yōu)化方案使主梁的重量減輕了34.31%，結(jié)構(gòu)最大變形降低了2.72%（見表5）。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示其應(yīng)力響應(yīng)有所增加，但仍遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果提高了材料性能利用率。

表4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

表5 性能優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語

基于油田修井管柱處理作業(yè)和裝備自動(dòng)化發(fā)展需求，本文從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)角度，基于參數(shù)化建模、靈敏度分析、Kriging法、NSGA-Ⅱ等方法，綜合運(yùn)用Solidworks和ANSYS軟件，對(duì)油管輸送機(jī)的主梁進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，本研究在實(shí)現(xiàn)主梁輕量化的同時(shí)降低了其橫向變形幅值。研究發(fā)現(xiàn)：①作業(yè)工況下，主梁的結(jié)構(gòu)性能由其橫截面決定，橫向短梁之間的間距對(duì)主梁的性能影響不大；②主梁槽鋼的腰厚對(duì)其質(zhì)量和剛度特性的影響最大，而其強(qiáng)度主要由槽鋼的腿寬決定；③本研究在優(yōu)化空間內(nèi)選取15組設(shè)計(jì)點(diǎn)，考慮剛度及強(qiáng)度性能要求，以質(zhì)量最低為目標(biāo)，獲得局部最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)減重34.31%的同時(shí)提高了主梁的力學(xué)性能。本文所得研究結(jié)果，可降低油管輸送機(jī)的材料成本，提高其可靠性，同時(shí)為其他梁式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。