鉆機整體運輸受力仿真分析*

向小榮，張光偉，魏孔財，張 建，師 濤

(1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065;2.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅蘭州 730050;3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司，山東青島 266520)

0 引言

常規(guī)的鉆機運輸是將鉆機的各大部件拆卸，分多個模塊來運輸，到達井場再重新進行組裝。既浪費了時間，又提高了勞動成本，尤其對近距離的多井位鉆井作業(yè)，多次拆裝鉆機，費時費力。為了提高鉆機的運輸效率，降低成本，同時滿足近距離多井位鉆井的需求，研制了快速移運鉆機，該類型的鉆機不需要完全拆卸，井架底座只需一個或者兩個模塊，就可進行運輸，實現了快速安裝和移運，能滿足地域寬廣，道路寬闊的戈壁、沙漠地區(qū)鉆井的需求［1-2］。

文獻［3］中，對鉆機整體運輸過程中重心、輪胎承載力、牽引力等進行了計算，但是沒有建立完整的模型，進行整體的結構強度分析，受力分析還需要進一步完善［3］。筆者利用ANSYS軟件，建立了鉆機井架底座的整體結構模型，對運輸過程中的恒載、慣性載荷的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)效應、以及各種危險工況進行了分析，考核結構的強度能否滿足要求。

1 主要計算參數

該鉆機為7 000 m中深井快速移運鉆機，主要部件的重量如下:井架及附件為100 t，天車6 t，游動系統(tǒng) 23.1 t，底座 150 t，絞車 39.6 t，司鉆房 4.5 t，司鉆偏房 12 t，工具房 12 t，轉盤獨立驅動 22.24 t，井口機械化裝置6 t。整體運輸過程承受風載荷，風速16.5 m/s，牽引最高運輸速度6 km/h，最大運行距離15 km，最大爬坡角度為8°，橫搖角度8°。

2 工作原理

鉆機采用整體直立運輸，如圖1所示。鉆機運輸時，通過基座兩側的液壓裝置將鉆機頂升，連接前后牽引拖臺，在牽引車的作用下，實現運輸。如圖2所示，為整體運輸俯視圖，鉆機系統(tǒng)的重心偏向后方，后部輪胎受力較大。基座A、B、C、D四處連接著輪胎，為主要的承載點。

圖1 鉆機整體運輸簡圖

圖2 整體運輸俯視圖

圖3 鉆機有限元模型

3 受力仿真分析

井架底座整體有限元模型如圖3所示，共518個節(jié)點，805個單元。運輸過程是快速移動鉆機的重要特點，也是關鍵環(huán)節(jié)，筆者針對運輸過程中可能出現的極限受力工況進行分析，運輸速度緩慢，且路面相對平坦，動載系數對載荷的影響較小，忽略不計。

3.1 水平運輸狀態(tài)

在平坦路面行駛時，運輸速度取最大值6 km/h，即1.67 m/s。勻速行駛過程中，鉆機基座承受結構總重、鉆井設備以及風載荷的作用。加載后分析計算，得到最大應力為70.2 MPa，位于基座與前、后牽引拖臺的連接處，材料Q345B，安全系數4.91;最大變形為 35 mm，位于天車梁部位;A、B、C、D四處連接點處的支反力分別為 93.3 t，94.1 t，95.2 t，96.5 t，基本相等。

牽引車啟動運行時，鉆機由靜止變?yōu)檫\動，系統(tǒng)會產生一定的慣性載荷，整體向后傾倒，此時基座承受的載荷突然加大，屬于運輸中的危險工況，需要對基座的應力狀態(tài)進行校核。

由于運輸時最大速度為1.67 m/s，因此，假設拖車在啟動時產生的最大慣性加速度為1.67 m/s2。根據達朗貝爾原理，質點受力運動的各個時刻，作用于質點的主動力、約束力和慣性力互相平衡，可知慣性力會隨著運動狀態(tài)的變化而變化，當處于勻速狀態(tài)時，慣性力消失。鉆機各個部件產生慣性載荷，按照最大慣性加速度計算，結果如表1所列。

表1 鉆機主要設備的慣性載荷

將慣性載荷作為靜載荷加載到有限元模型上，進行穩(wěn)態(tài)分析，得到最大應力為86.6 MPa，位于基座與前、后牽引拖臺的連接處，安全系數3.98;最大變形為95 mm，位于天車梁部位;A、B、C、D四處連接點處的支反力分別為 69.9 t，70.4 t，119 t，120 t，后輪承受的載荷增大。

實際運輸過程中，牽引車啟動時間很快，鉆機產生慣性力的時間很短，但是設備非常沉重，而且保證結構的安全性非常重要。為詳細研究啟動過程中，慣性力對鉆機結構強度的影響，利用ANSYS軟件對啟動過程進行了瞬態(tài)動力學分析，假定在0～3 s內，鉆機處于靜止狀態(tài);3～4 s，慣性加速度開始產生，并呈線性增長趨勢，直到達到最大值1.67 m/s2;4～5 s慣性加速度逐漸減小，直到消失;5～8 s，鉆機運輸速度達到最大值，處于勻速運動狀態(tài)。慣性加速隨時間的變化趨勢，如圖4 所示［4］。

瞬態(tài)仿真分析得到天車位移，A、B、C、D四處最大支反力以及承載基座最大應力的時間歷程曲線，如圖5～7所示。由圖中曲線的變化趨勢可知，在0～3 s內，各值均有一定的波動，但波動趨勢均勻，處于穩(wěn)定狀態(tài);3～4 s，隨著慣性加速度的增大，各值發(fā)生突變，并達到最大值，天車最大位移為93.5 mm，連接點最大支反力為117.8 t，基座梁最大應力為82.9 MPa;4～8 s，隨著慣性加速度的減小和消失，各值均逐漸減小，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 慣性加速度隨時間變化曲線

圖5 天車位移時間歷 程曲線

圖6 支反力時間歷程曲線

圖7 基座最大應力時間歷程曲線

通過以上三種運輸狀態(tài)的分析可知:①當鉆機處于平衡狀態(tài)(靜止或勻速)時，結構的受力最小;啟動狀態(tài)或者短暫的加速狀態(tài)，由于慣性力的產生，結構受力會突然增大，應力增大16.4 MPa，位移增大60 mm，連接點處受力重新分布，后端輪胎受力增大，但都滿足工程強度要求，處于安全范圍內;②慣性載荷分析，穩(wěn)態(tài)計算結果大于瞬態(tài)結果，靜態(tài)分析的結果相對保守，因此，關于慣性載荷的分析，選擇穩(wěn)態(tài)法。

3.2 危險工況分析

運輸過程中，可能出現的危險工況，主要有上坡勻速和半坡啟動、下坡勻速和突然制動、側斜運輸等。

(1)上坡工況 上坡時，重心發(fā)生偏移，為保證運輸過程中，結構的穩(wěn)定性，選取坡度為8°，速度為3 km/h，即0.83 m/s。通過旋轉單元節(jié)點坐標，得到如圖8模型。上坡時，勻速運行狀態(tài)下，加載設備的自重載荷和風載荷;半坡啟動狀態(tài)，會產生沿坡度方向的慣性加速度，加載時，需要將慣性載荷分解為沿Y和Z兩個方向，分別加載。計算結果如表2。

(2)下坡工況 下坡時，模型旋轉方向與上坡時相反，如圖9所示，但下坡時，沒有牽引力，根據文獻［3］知，運輸系統(tǒng)自身的重力即可滿足下行的動力。對下坡時勻速運動和突然制動狀態(tài)進行仿真分析，結果如表2。

圖8 上坡8°有限元模型

圖9 下坡8°有限元模型

(3)側斜工況 旋轉模型如圖10所示，鉆機發(fā)生橫向搖擺，或者轉彎時會出現整體傾斜的狀況，因此，針對該工況進行仿真分析，最大角度選取8°，結果如表2所列。

圖10 傾斜8°有限元模型

表2 各工況受力計算結果統(tǒng)計表

由表2知，最大應力、變形、支反力都產生了大變化，其中下坡制動為最危險工況，最大應力達到了165 MPa，安全系數為2.09;A、B、C、D 四處連接點受力最大值達到了142.4 t，單個輪胎受力 71.2 t，接近輪胎的額定承載能力73 t，因此運輸時，需避免此類工況的發(fā)生，同時設計時選擇承載能力更大的輪胎。

4 結論

(1)鉆機整體直立運輸，水平運動時的危險工況是啟動或加速階段，由于慣性力的作用，基座載荷和輪胎承受的載荷加大。

(2)通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，結果對比得到穩(wěn)態(tài)時慣性載荷的作用效果大于瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)結果相對保守，校核計算時，可以選擇穩(wěn)態(tài)法進行慣性載荷的計算。(3)經過運輸中危險工況的仿真分析，得到結構強度安全可靠，能夠滿足運輸要求。但是，實際運輸時，盡量選擇平坦路面，避免危險工況的發(fā)生，提高運輸的可靠性。

［1］ 張茗奎，王維忠，鄭滿圈，等.鉆機整體移運系統(tǒng)［J］.石油機械，2007，35(9):110-112.

［2］ 何芬倫，潘 浩，梁開勇，等.新型井架快移裝置的研制［J］.石油機械，2012，40(6):30-33.

［3］ 周天明.7 000 m快速移運鉆機設計與研究［D］.西安:西安石油大學，2008.

［4］ 李富平，高學仕，王 棟，等.ZJ90D型鉆機整體拖移力學計算［J］.石油礦場機械2011，40(8):29-31.