楊擁軍，張 勇，何軍國(guó)，榮曉玲，楊文新

（1.華東石油局鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心，河南南陽(yáng)473006；3.新疆油田公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依83400） ①

XD70／14×12型運(yùn)載車車架的強(qiáng)度計(jì)算

楊擁軍1，張 勇2，何軍國(guó)2，榮曉玲2，楊文新3

（1.華東石油局鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心，河南南陽(yáng)473006；3.新疆油田公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依83400）①

車裝鉆機(jī)車架既是行車的主要受力部件，也是鉆井作業(yè)的重要承載部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算非常重要。應(yīng)用有限元計(jì)算方法對(duì)XD70／14×12型運(yùn)載車車架進(jìn)行運(yùn)輸工況、起升工況、作業(yè)工況下的強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，得到車架的最大應(yīng)力、危險(xiǎn)工況和固有頻率。提出了車架改進(jìn)方法，為車裝鉆機(jī)車架設(shè)計(jì)、制造及使用提供了依據(jù)。

車裝鉆機(jī)；車架；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；有限元分析

車裝鉆機(jī)主要由自走式底盤、動(dòng)力系統(tǒng)、絞車及提升系統(tǒng)、鉆臺(tái)、轉(zhuǎn)盤及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、井架等部件組成。自走式底盤作為車裝鉆機(jī)的核心部件，不但是安裝作業(yè)部件的基礎(chǔ)件、井場(chǎng)轉(zhuǎn)移的移運(yùn)工具，而且為鉆井作業(yè)提供全部動(dòng)力［1］。鉆機(jī)底盤車架承受井場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)、井架起放與鉆井作業(yè)時(shí)帶來(lái)的巨大載荷。4 000 m車裝鉆機(jī)是目前國(guó)內(nèi)載荷最大車裝鉆機(jī)，合理的車架結(jié)構(gòu)與材料不僅保證作業(yè)時(shí)的強(qiáng)度、降低自身質(zhì)量，還能提高運(yùn)載車的承載能力。

1 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

車架大梁為車架的關(guān)鍵零件［2］，目前常用大梁結(jié)構(gòu)有C形鋼梁、工字鋼梁、矩形管梁等，也有的車架大梁采用桁架結(jié)構(gòu)，例如Wilson早期生產(chǎn)的3 000m車裝鉆機(jī)。車裝鉆機(jī)作為油田專用車輛，承載量大，使用工況惡劣，需對(duì)大梁作特殊設(shè)計(jì)。3 000m及以下車裝鉆機(jī)車架大梁主要用Q345材料，4 000m車裝鉆機(jī)車架（即XD70／14×12）大梁需要采用屈服強(qiáng)度＞420MPa的高強(qiáng)度鋼作為主要材料。隨著鉆機(jī)作業(yè)能力的加大，鉆機(jī)的移運(yùn)質(zhì)量也越來(lái)越大，車橋數(shù)也隨之增加，使用7橋、8橋成為必然［3］。

XD70／14×12運(yùn)載車車架結(jié)構(gòu)如圖1所示，車架上部安裝駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、并車箱、絞車、前支架、后支架等鉆井設(shè)備。車架的第1～3橋采用彈簧鋼板平衡懸掛；第4、7橋?yàn)榭諝鈴椈蓱覓?；?～6橋?yàn)榘雱傂云胶饬簯覓旎騽傂詰覓臁?/p>

圖1 車架俯視圖

主要技術(shù)參數(shù)：

運(yùn)載車型號(hào) XD70／14×12

底盤承載能力 600kN

驅(qū)動(dòng)形式 14×12

最高車速 45km／h

接近角／離去角 35°／17°

最小離地間隙 311mm

最大爬坡度 26%

轉(zhuǎn)彎半徑 18.5m

2 有限元強(qiáng)度計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)離散與建模

對(duì)運(yùn)載車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，用ANSYS軟件單元庫(kù)中的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。由于BEAM188單元基于TIMOSHENKO理論，不僅包括剪切變形的影響，考慮截面翹曲變形，而且提供了強(qiáng)大的非線性分析能力，有出色的截面數(shù)據(jù)定義功能以及可視化特性。車架梁?jiǎn)卧扇⊥ㄓ媒孛婧妥远x截面相結(jié)合的方式來(lái)建立分析模型，定義的截面也能用于采用相同材料的其他運(yùn)載車有限元分析。筋板采用殼單元SHELL63模擬，彈簧懸掛及氣懸掛采用只承受壓力的彈性桿單元模擬。運(yùn)載車前后4個(gè)液壓支腿以及起升液壓缸梁處的機(jī)械支腿在工作時(shí)已用千斤螺母機(jī)械鎖死，可用桿單元模擬或施加約束。前支架及后支架與車架為一體結(jié)構(gòu)，同時(shí)是車架的重要傳力點(diǎn)，建立有限元模型時(shí)，把前支架及后支架一起考慮。

2.2 移運(yùn)狀態(tài)計(jì)算

當(dāng)車架處于移運(yùn)狀態(tài)時(shí)，井架平放在車架上方的前支架及后支架上。通過(guò)力矩平衡原理，計(jì)算出井架對(duì)前支架及后支架的作用力，并以集中力方式加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。車架上方其他部件重力也分別以集中力或線性力加載到各個(gè)節(jié)點(diǎn)或梁上。通過(guò)加載計(jì)算，得到車架的應(yīng)力云圖，前支架應(yīng)力如圖2a，后支架應(yīng)力如圖2b。

圖2 車架移運(yùn)狀態(tài)時(shí)應(yīng)力云圖

由圖2可以看出：由于運(yùn)載車在運(yùn)輸過(guò)程中，井架伸出車頭很遠(yuǎn)，井架重心偏向前支架［4］，所以前支架輔助支撐應(yīng)力較大；由于后支架承受井架部分重力，且在井場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，車架后部處于懸空狀態(tài)，所以車架后部最大應(yīng)力位于最后一橋車架大梁上（即第7橋附近），且翼板應(yīng)力大于腹板應(yīng)力；當(dāng)存在沖擊或第7橋失效時(shí)，此處應(yīng)力可能導(dǎo)致車架嚴(yán)重變形。

2.3 井架起升狀態(tài)計(jì)算

車裝鉆機(jī)到達(dá)井場(chǎng)后，重要的鉆前工作就是完成井架的起升。通常，當(dāng)井架剛開(kāi)始離開(kāi)前支架時(shí)，起升液壓缸所需推力最大，后支架及車架起升液壓缸橫梁所在部位的受力也最大。通過(guò)力矩平衡原理，計(jì)算出在井架起升過(guò)程中，后支架及車架起升液壓缸橫梁的受力，并以集中力方式加載到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。車架上方其他部件重力也分別以集中力或線性力加載到各個(gè)節(jié)點(diǎn)或梁上。

井架起升工況下，車架大梁局部受力較大，尤其是從起升液壓缸到車架后尾梁之間的大梁受力較大，對(duì)于大噸位車裝鉆機(jī)，是在后橋車架大梁與起升缸橫梁之間設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，并在起升液壓缸下方或附近設(shè)置2個(gè)機(jī)械千斤，以降低此處應(yīng)力。圖3為結(jié)構(gòu)改進(jìn)以后的應(yīng)力云圖，此時(shí)，最大應(yīng)力位于后支架，尤其是后支架前斜撐，最大應(yīng)力達(dá)176MPa，早期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)由于缺乏計(jì)算手段，存在此部位斜撐焊縫撕裂或斜撐變形失效的情況。此工況下，其他部位應(yīng)力較小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 井架起升時(shí)車架后部應(yīng)力云圖

2.4 最大鉤載

通過(guò)對(duì)井架進(jìn)行最大鉤載下的有限元分析，計(jì)算出繃?yán)K對(duì)車架前部的作用力以及井架對(duì)車架后支架的作用力，并施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。車架上方其他部件重力也分別以集中力或線性力加載到各個(gè)節(jié)點(diǎn)或梁上。得到的應(yīng)力云圖如圖4所示。

井架承受最大鉤載時(shí)，由于大鉤對(duì)井架的作用力主要由井架下部的Y形支架承擔(dān)，對(duì)后支架的作用力減小，此時(shí)，車架大梁及后支架受力相對(duì)起升工況要小，但同樣存在受力不均情況，主要表現(xiàn)在后支架受力較大，后支架選用Q345材料，計(jì)算結(jié)果符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 最大鉤載時(shí)車架后部應(yīng)力云圖

3 模態(tài)分析

模態(tài)提取方法采用BLOCK LANCZOS法，該方法特別適合于求解某一特定范圍內(nèi)有價(jià)值的固有頻率，或者大模型的多階模態(tài)分析（例如，＞40階），適合于模態(tài)分析中包含形態(tài)較差的實(shí)體和殼單元，且求解速度快，但占用內(nèi)存比子空間方法多。求解時(shí)，約束各橋垂直方向，即UY方向，設(shè)置擴(kuò)展模態(tài)為ON，程序自動(dòng)采用稀疏矩陣方程求解器進(jìn)行求解，得到車架前10階頻率如表1所示。如果考慮第4橋和第7橋?yàn)榭諝馄胶鈶覓?，模態(tài)分析時(shí)，釋放相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移約束，則各階模態(tài)頻率略有減小，尤其是低階頻率，數(shù)值減小明顯。

表1 車架固有頻率Hz

車裝鉆機(jī)選用柴油機(jī)作為動(dòng)力時(shí)，額定工作轉(zhuǎn)速為2 100r／min，傳動(dòng)箱輸出轉(zhuǎn)速為2 100r／min，并車箱輸出轉(zhuǎn)速為1 560r／min，主滾筒轉(zhuǎn)速為418 r／min，轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)速為877r／min，與車架固有頻率難以形成共振。既使通過(guò)傳動(dòng)箱換擋，降低傳動(dòng)箱輸出轉(zhuǎn)速，由于車架上部各個(gè)部件的工作轉(zhuǎn)速不一致，相互擾動(dòng)，與車架也難以形成共振。典型的振型如圖5所示。

圖5 車架典型振型

第3階振型表現(xiàn)為車架第4橋與第5橋之間的彎曲變形；第4階振型表現(xiàn)為前支架的前后彎曲；第8階振型表現(xiàn)為車架中部波浪變形以及前支架側(cè)扭；第9階振型表現(xiàn)為前支架的側(cè)扭和壓潰現(xiàn)象。

4 強(qiáng)度薄弱部位及改進(jìn)措施

1） 后支架與井架連接座的焊縫以及后支架與車架的焊縫，通過(guò)加強(qiáng)筋方式來(lái)加強(qiáng)。

2） 后支架的后立柱，選用較強(qiáng)的材料或?qū)笠戆遒N板加強(qiáng)。

3） 前支架底部，增加前加強(qiáng)板或后加強(qiáng)板，提高前支架的抗扭能力。

4） 井架起升液壓缸安裝橫梁與車架縱梁，之間增加合適的橫向加強(qiáng)筋。

5） 車架后橋至后尾梁段下翼板，進(jìn)行加強(qiáng)或采用變截面設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

1） 把結(jié)構(gòu)分析與有限元分析有機(jī)地結(jié)合在一起，同時(shí)提高模型的真實(shí)性、加載的準(zhǔn)確性，改善約束與實(shí)際的符合程度［6］，有利于提高結(jié)構(gòu)分析的效率和準(zhǔn)確性。

2） 通過(guò)模態(tài)分析規(guī)避結(jié)構(gòu)共振、提供結(jié)構(gòu)改善方案。

3） 根據(jù)部件重心分布和不同受力工況，對(duì)車架大梁進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，例如截面在高度方向變化，單、雙腹板結(jié)合，增加加強(qiáng)筋，不僅有利于保證各個(gè)工況下的強(qiáng)度與剛度要求，而且有利于降低車架整體質(zhì)量。

4） 前支架及后支架作為車架的重要附屬結(jié)構(gòu)，在使用中受力較大，需要著重考慮。

5） 通過(guò)有限元計(jì)算與分析，為運(yùn)載車車架設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

［1］ 尹永晶，楊漢立，胡德祥.車裝鉆機(jī)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002：91－96.

［2］ 陳增偉，張 勇，劉 儉.中深井鉆機(jī)車專用底盤的研究與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，36（S1）：8－11.

［3］ 劉 儉.自走式鉆機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（10）：31－35.

［4］ 何軍國(guó)，劉 儉，余利軍.鉆機(jī)車現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.專用汽車，2009（10）：30－34.

［5］ 肖 鋒，徐有忠，柳 楊，等.基于Abaqus的汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法與結(jié)構(gòu)分析策略［C］／／Abaqus中國(guó)區(qū)用戶大會(huì)2007用戶論文集.Abaqus內(nèi)部出版，2007：35－43.

FEA to the XD70／14×12Chassis Frame

YANG Yong－jun1，ZHANG Yong2，HE Jun－guo2，RONG Xiao－ling2，YANG Wen－xin3
（1.Drilling Company，Huadong Petroleum Bureau，Zhenjiang212000，China；2.Technique Centre，RG Petro－Machinery（Group）Co.，Ltd.，Nanyang473006，China；3.Downhole Technique Company，Xinjing Oilfield Company，Karamay834000，China）

The chassis frame is the main part of the rig mobile vehicle，and also the main part bearing the operation load during the drilling operation.Its structure and strength are very important.According to the working condition，such as the chassis move，mast rising，maximum hook load，using ANSYS program calculated to the XD70／14X8Chassis Frame stress.The mode analysis was also done.The maximum stress，risk working condition，and the self frequency were founded.Structure improvement method was suggested.It provides the reference to the design，manufacture，and use for the chassis frame.

movable rig；chassis frame；structure；strength；FEA

1001－3482（2012）04－0072－04

TE929

A

2011－10－08

楊擁軍（1968－），男，江蘇常州人，工程師，主要從事石油鉆井裝備管理工作。