4000 m巖心鉆機桅桿結構設計與有限元分析

伍曉龍，劉凡柏

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000）

隨著我國經濟規(guī)模的不斷擴大以及人口的持續(xù)增長，對石油、天然氣、鐵、銅、鉻、鉀鹽等礦產資源的需求急劇增加，地表礦、淺部礦、易識別礦日益減少，重要資源的可采儲量顯著下降，難以滿足現(xiàn)代化建設的需要，社會經濟發(fā)展與資源環(huán)境供給不足的矛盾日益突出。國民經濟發(fā)展對深部勘探技術提出了迫切需求。我國的巖心鉆探設備仍以20世紀70年代發(fā)展起來的立軸式鉆機為主，除少數(shù)機型鉆進能力可達3000 m外，多數(shù)機型在2000 m以內?！笆晃濉逼陂g，國家“863”計劃安排了重點項目“2000 m地質巖心鉆探關鍵技術與裝備”的研究工作，只能滿足2000～2500 m隱伏礦床資源勘探的需要。為給深部地質勘探及巖石圈科學鉆探研究提供強有力的支撐，急需開展深孔用成套地質巖心鉆探技術及其裝備的攻關研究。因此，開展4000 m地質巖心成套技術裝備研究，對提升我國的鉆探技術水平，滿足資源勘探的迫切需求是非常必要的，對于緩解目前資源短缺制約我國經濟發(fā)展的“瓶頸”、發(fā)現(xiàn)新的礦產地、實現(xiàn)資源產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。4000 m地質巖心鉆機研究內容主要包括：電驅動力頭系統(tǒng)、電驅轉盤系統(tǒng)、鉆具升降系統(tǒng)、巖心打撈系統(tǒng)、鉆機給進系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、交流變頻控制系統(tǒng)、鉆進與儀表參數(shù)監(jiān)測及操控系統(tǒng)、鉆具機械化擰卸裝置、鉆柱移排管系統(tǒng)、鉆具卡夾機構、鉆機底座及桅桿等。本文就4000 m地質巖心鉆機桅桿進行設計研究。眾所周知，對于任何一款鉆機而言，桅桿都是其重要的組成部分，是鉆機的主要承重部位［1-3］。主要用于擺放鉆桿、安裝天車、起升裝置等零部件、承受反扭矩等。受力情況復雜，使用狀況惡劣，桅桿的承載能力對井下施工作業(yè)有著重要的影響。因此在桅桿的設計過程中要重點對其強度和剛度進行計算，對其進行有限元結構分析，這些都為鉆機桅桿的設計、優(yōu)化及應用提供重要的依據(jù)；對其進行模態(tài)分析，能夠掌握桅桿的固有振動特性與振型，并與桅桿中的振動源頻率進行對比，減少共振的發(fā)生，提高桅桿的使用壽命［4］。

1 總體方案設計

4000 m地質巖心鉆機是勘探技術所研制的一款新型巖心鉆探設備，能夠滿足多種工況使用，集機電液于一體化，其HQ（?89 mm）口徑鉆深能力為4000 m，采用頂驅回轉系統(tǒng)，能夠進行高轉速取心鉆進。桅桿底部設計有轉盤回轉系統(tǒng)，可進行大扭矩低轉速全面鉆進。桅桿設計如圖1所示，總體結構為K形，主要由桅桿主體、二層臺、梯子、天車以及桅桿附件等組成。其中桅桿主體總高為37425 mm，材質為Q345B工字鋼，由七段桅桿短節(jié)通過銷軸、耳板連接而成，方便拆卸，便于運輸，節(jié)約場地。其背面采用斜拉梁和橫梁布置提高桅桿整體強度，保證其穩(wěn)定性。桅桿有效高度為33850 mm，使用液壓油缸加鋼絲繩的倍速機構進行井架的垂直升降，占地面積小，起升效率高，安全性增強。二層臺位于距桅桿底部21153 mm處，主要用于擺放鉆桿、鉆鋌以及為工人提供站立平臺進行起下鉆作業(yè)，在其周圍設置有護欄，防止意外情況的發(fā)生。桅桿外側均安裝爬梯，方便工作人員到達工作位置。

圖1 桅桿設計Fig.1 Mast design

2 工況與載荷分析

桅桿是鉆機承載鉆具反扭矩、承受鉤載和所擺放鉆具的重力并確保鉆機保持穩(wěn)定的關鍵部件，其強度和剛度都會影響整機的穩(wěn)定性和可靠性［5-7］。因此，對桅桿進行工況和載荷分析不僅可以檢驗方案的合理性，也為后續(xù)進行ANSYS分析打下基礎［8-10］。鉆機桅桿主要有3種工作情況：無風載最大鉤載、有風載額定鉤載、最大風載。

工況一（無風載最大鉤載）：在無風載最大鉤載工況下，桅桿主要受到最大鉤載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷，具體載荷如表1所示。

表1 工況一載荷參數(shù)Table 1 Load parameters for Case 1 working condition

工況二（有風載額定鉤載）：在有風載額定鉤載工況下，桅桿主要受到額定鉤載、一定風載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷。風載主要是指空氣流動時產生的動能作用于桅桿上，風載公式為：

式中：W——受到的風壓，W=0.6115V2K0KgK；V——風速，K0——高度系數(shù)；Kg——形狀系數(shù)；K——體型系數(shù)［11］；f——風載面積。

在額定鉤載正常工作時，取風速最大為15.5 m/s。具體載荷如表2所示。

表2 工況二載荷參數(shù)Table 2 Load parameters for Case 2 working condition

工況三（最大風載）：在最大風載工況下，桅桿主要受到最大風載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷。在最大風載工況下，風速最大為36 m/s，具體載荷如表3所示。

表3 工況三載荷參數(shù)Table 3 Load parameters for Case 3 working condition

3 靜力學分析

當分析對象結構比較復雜時，首先要對其結構進行合理的簡化，然后再導入ANSYS中進行分析［12-13］。本文主要是對鉆機桅桿進行分析，其零部件較多，因此必須對三維模型進行簡化。

（1）銷軸的簡化處理。桅桿與桅桿連接處使用的是銷軸，銷軸的尺寸較小，無法劃分出高質量網格，并且影響接觸的設置。因此將銷軸簡化為兩端封閉的圓柱體，這樣能夠得到高質量的網格，并且減少接觸對的數(shù)量。

（2）桅桿附件接觸對種類數(shù)目較雜，不是本次研究分析的主要對象，因此將其全部忽略，將其重力全部疊加到桅桿的總重力中。

（3）所有零件的工藝性圓角或裝飾性圓角均忽略；忽略焊接對結構的影響；非主要受力部位的孔和槽結構忽略不計。

（4）本次分析中主要研究對象是桅桿，各桿件連接均為剛性連接。

簡化后的桅桿三維模型如圖2所示，導入ANSYS Workbench后，對零件進行了切分，對切分后的body運用Body Sizing和Face Sizing等局部網格控制方法。組中得到網格數(shù)46007個，節(jié)點數(shù)232744個，平均網格質量為0.869，能夠滿足靜力學有限元分析對網格質量的要求［14］，網格劃分結果如圖3所示。

圖2 簡化后桅桿三維模型Fig.2 Simplified 3D model for the mast

圖3 網格劃分結果Fig.3 Meshing results

3.1 無風載最大鉤載

在桅桿下端添加固定約束，在桅桿上添加工況一載荷對模型進行求解。

圖4所示是桅桿的最大等效應力云圖，最大等效應力出現(xiàn)在天車支架與桅桿頂端的連接處，最大等效應力≯238.08 MPa；圖5所示是桅桿的總變形云圖，最大變形出現(xiàn)在天車支架處，最大變形≯10.8 mm。

圖4 工況一等效應力云圖Fig.4 Equivalent stress nephogram for Case 1 working condition

圖5 工況一總變形云圖Fig.5 Total deformation nephogram for Case 1 working condition

桅桿材料選用的是Q345鋼，其屈服強度為345 MPa，取安全系數(shù)1.3，則許用應力為：

靜力學分析結果中最大等效應力為238.08 MPa，小于材料的屈服強度265 MPa；最大變形為10.743 mm，與桅桿零部件尺寸相比可忽略，因此可看出桅桿強度和剛度滿足要求。

3.2 有風載額定鉤載

在桅桿下端添加固定約束，在桅桿上添加工況二載荷對模型進行求解。

圖6所示是桅桿的最大等效應力云圖，最大等效應力出現(xiàn)在天車支架與桅桿頂端的連接處，最大等效應力≯179.31 MPa。圖7所示是桅桿的總變形云圖，最大變形≯14.1 mm。靜力學分析結果中最大等效應力為179.31 MPa，遠小于材料的屈服強度265 MPa；最大變形為14.029 mm，與桅桿零部件尺寸相比可忽略，因此可看出桅桿強度和剛度滿足要求。

圖6 工況二等效應力云圖Fig.6 Equivalent stress nephogram for Case 2 working condition

圖7 工況二總變形云圖Fig.7 Total deformation nephogram for Case 2 working condition

3.3 最大風載

在桅桿下端添加固定約束，在桅桿上添加工況三載荷對模型進行求解。

圖8所示是桅桿的最大等效應力云圖，最大等效應力出現(xiàn)在天車支架與桅桿頂端的連接處，最大等效應力≯226.17 MPa。圖9所示是桅桿的總變形云圖，最大變形≯49.33 mm。靜力學分析結果中最大等效應力為226.17 MPa，小于材料的屈服強度265 MPa；最大變形為49.325 mm，與桅桿零部件尺寸相比可忽略，因此可看出桅桿強度和剛度滿足要求。

圖8 工況三等效應力云圖Fig.8 Equivalent stress nephogram for Case 3 working condition

圖9 工況三總變形云圖Fig.9 Total deformation nephogram for Case 3 working condition

從3種工況的結果來看，第一種工況在桅桿最大負載運行時，其等效應力最大；第三種工況在風力最大、無負載不工作的情況下，變形最大，但是都能夠符合桅桿的強度和剛度要求。

4 模態(tài)分析

模態(tài)分析［15］主要用于進行桅桿的振動測量以及為結構動力學分析提供依據(jù)［14，16］，它能夠比較精確地測得桅桿的固有頻率和振型，從而幫助進行結構優(yōu)化，使桅桿結構更趨完善和合理。它能夠防止桅桿各零部件之間發(fā)生共振引起的破壞和噪聲問題。

該鉆機的動態(tài)構件主要為轉盤和起升系統(tǒng)，轉盤為電機直接驅動，轉速在0～200 r/min之間，最大頻率≯3.34 Hz；起升系統(tǒng)也為電機直接驅動，滾筒轉速為0～250 r/min，最大頻率≯4.2 Hz。當桅桿在進行模態(tài)分析時，桅桿處于靜止狀態(tài)，其固有頻率與施加的載荷無關，邊界條件為底端固定全約束，得到桅桿前10階固有頻率，如表4所示。

表4 桅桿前10階固有頻率及變形參數(shù)Table 4 The first 10 intrisinc frequencies and deformation parameters of the mast

對比桅桿固有頻率與鉆機動態(tài)構件的頻率，發(fā)現(xiàn)桅桿動態(tài)構件頻率較低，最大頻率≯4.2 Hz，因此具有實際意義的只有前4階桅桿的固有頻率與振型，如圖10～13所示。

第一階模態(tài)振型主要為桅桿進行前后搖擺振動，其主要變形發(fā)生在桅桿頂部沿Y軸方向，最大變形量為0.282 mm，沒有發(fā)生扭轉振動；第二階模態(tài)振型主要為桅桿進行左右搖擺振動，其主要變形發(fā)生在桅桿頂部沿Z軸方向，最大變形量為0.256 mm，沒有發(fā)生扭轉振動；第三階模態(tài)振型主要為桅桿進行大幅度的左右搖擺振動以及繞X軸進行扭轉，其主要變形發(fā)生在桅桿頂部沿Z軸方向和第三、第四桅桿段，最大變形量為0.273 mm；第四階模態(tài)振型主要為桅桿進行大幅度繞X軸進行扭轉，其主要變形發(fā)生在第五、第六桅桿段，最大變形量為0.329 mm。

圖10 一階頻率Fig.10 First-order frequencies

圖11 二階頻率Fig.11 Second-order frequency

圖12 三階頻率Fig.12 Third-order frequency

圖13 四階頻率Fig.13 Fourth-order frequency

桅桿轉盤和滾筒的頻率都在桅桿前三階固有頻率之中，如果它們的頻率接近時就有可能發(fā)生擾動，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，因此在進行驅動轉盤和滾筒時要注意轉速的調節(jié)。在模態(tài)振動中，桅桿最大變形量都較小，能夠滿足設計要求。

5 結語

本文討論了4000 m地質巖心鉆機桅桿的設計方案，建立了桅桿的三維模型，對桅桿裝配體不同工況下受到的載荷進行了有限元分析，得到了桅桿在不同工況下的受力變形結果；還對其進行了模態(tài)分析，得到了桅桿的固有頻率。通過與鉆機激振源的頻率進行對比發(fā)現(xiàn)共振主要可能發(fā)生在前三節(jié)固有頻率中，但是其最大變形處變形量較小，能夠滿足設計要求。通過有限元分析表明該鉆機桅桿的強度能夠滿足實際工作的需要，在工作過程中變形量較小，具有一定的工程應用價值。