TC-225天車架結構強度的有限元分析

易先中,曹良波 (長江大學機械工程學院,湖北荊州434023)

張國麗,楊立文 (長城鉆探工程有限公司工程技術研究院,遼寧盤錦1 2401 0)

劉顯用 (河南興華機械制造有限公司,河南濟源1 59009)

胡德祥 (遼河石油裝備制造總公司,遼寧盤錦124010)

TC-225天車是與JJ225/42-KC井架配套使用的石油鉆機的重要提升設備之一。天車、游車、鋼絲繩和大鉤,通常統稱為游動系統。游車、天車和鋼絲繩是3個用來連接支撐井架并承載、下放或提升鉆柱的主要部件。鋼絲繩纏繞在井架上部天車的滑輪上。天車與游動滑車之間,是用鋼絲繩聯系起來的復式滑輪系統。該滑輪系統可以大大降低快繩拉力,減輕鉆機絞車在鉆井各個作業 (起下鉆、下套管、鉆進、懸持鉆具)中的負荷和起升機組發動機應配備的功率。

天車是安裝在井架頂部的定滑輪組。它主要由天車架、滑輪、滑輪軸、軸承、軸承組和輔助滑輪等零件組成。天車架是由鋼梁焊接的矩形框架 (如圖1所示),用以安裝天車滑輪組和快繩滑輪并與井架頂部相連接,確保其游動系統可靠工作。因此,對天車架進行結構受力分析和強度計算十分重要。

安全系數法是國內石油機械結構強度分析計算的基本方法[1～3],是一種簡單有效的判定結構安全性的準則。該準則中關于結構許用安全系數值的選擇,是全面考慮載荷特征、材料特性、制造環境因素以及該類結構在工程實踐的重要性等后,根據統計實驗數據進行確定。若物體的安全系數大于給定的許用安全系數值,則該物體判定為安全可靠。

圖1 天車架結構的示意圖

美國國家標準學會 《鋼結構設計手冊》中,充分考慮到實際鋼結構物體常常承受拉壓彎扭剪等多種形式載荷的聯合作用,其構件的內應力是一個綜合折算后的當量最大應力。為此,ANSI/AISC 360-05提出了Maximum Component Unity Check的概念 (即UC值)[4],并用之來評價構件單元的綜合強度性能。對于UC值小于1.0的構件,ANSI/AISC認為構件綜合強度滿足要求,視為合格的單元;對于UC值大于1.0的構件,則認為綜合強度不夠。設計者應對初始設計進行調整和修改,直到使得構件的UC值小于1.0,滿足綜合強度要求[4]。

ANSYS是現行大型結構有限元分析的國際主流軟件平臺,隨著我國石油機械設計制造水平的迅速提高,并逐步與國際結軌,采用國際通用的安全設計準則對產品進行分析十分重要[5,6]。因此,筆者以ANSYS為結構分析軟件,采用ANSI/AISC 360-05中結構強度指標 (UC值),對TC-225天車架進行結構受力分析和強度計算。

1 基本參數

1)型號及參數 天車型號為TC-225;最大靜鉤載為2250kN;滑輪數為6;滑輪外徑為1120mm(5個);導向滑輪外徑為1270mm(1個):鋼絲繩直徑為32mm;最大快繩拉力為80kN;外形尺寸為3483mm×3022mm×4150mm;理論重量為5967kg。

井架有效高度為43m;井架工作高度為42m;井架設計鉆井深度 (5in鉆桿)為4000m;配套鉆機型號為ZJ40RL/2250;配套井架型號為JJ225/42-KC;配套底座型號為DZ225/6-KX。

3)材料規格及材料特性 天車架由主梁 (1左1右)、天車軸支撐梁 (2根)、快繩滑輪支撐梁(2根)、前后輔助梁及部分加強筋板焊接而成。

主梁為焊接工字鋼,16Mn,規格為630×300×18×26mm,定義號為ID1;天車軸支撐梁為焊接工字鋼,16Mn,規格為630×240×18×26mm,定義號為ID2;前輔助梁為焊接工字鋼,16Mn,規格為630×200×18×26mm,定義號為ID3;快繩滑輪支撐梁為焊接工字鋼,16Mn,規格為480×140×10×14mm,定義號為ID5;后輔助梁為45a工字鋼,Q235A,定義號為ID4。天車所采用的材料主要為Q235A型鋼和16Mn型鋼2種,其機械物理性能見表1。

表1 天車材料性能一覽表

2 天車架力學模型的建立

天車架的結構形式為典型的鋼架模型。大鉤載荷是通過滑輪、天車軸、軸承座、墊板傳給天車軸支撐梁,其作用方向為垂直向下。快繩拉力是通過一個滑輪及其2個支撐梁后均勻地施加在前輔助梁上的。快繩拉力的方向相對于井架雖有一定的傾斜,但該角度較小,也可簡化為垂直向下。這樣,可將天車架簡化為一個平面鋼架結構[4,5]。

由于天車架的前聯接梁的非對稱性,因此,在用有限元工程分析軟件建模時,可采用能體現結構非對稱的空間梁單元BEAM44。在各梁的長度方向,為了保證分析的高精度,每0.1m劃分為一個單元,整個結構共有128個結點,132個單元 (見圖2)。

圖2 天車架的加載及約束模型

3 天車架的強度分析

天車架是一個正方形的鋼架。輸入各關鍵點的坐標值并連線,即可確定其幾何結構[5,6]。空間梁單元BEAM44,通過Section定義各個單元的截面形狀和尺寸。

3.1 位移約束和載荷的定義

1)天車架的4個角點為固定節點,限制其3個方向的所有自由度。

2)天車架的最大靜載2250kN是均布地作用在2個支撐梁上,主要是在81,88-92和99,106-110等節點部位。

3)快繩拉力2×280kN是作用在2根快繩滑輪支撐梁,即作用于120-123和128-131等節點部位。然后,通過快繩梁施加在前輔助梁和相鄰的天車軸支撐梁上。天車架加載及約束模型見圖2。

3.2 基于安全系數方法的強度分析

1)由天車架受載的結構變形圖 (見圖3)知,天車架的最大變形量出現在天車軸支撐梁的中部91號單元,即在91和92號節點之間,其值為1.5656mm。

參照橋式起重機等重型鋼結構機械的變形剛度設計指標[7],起重機在最大工作載荷下的最大變形量δmax≤0.002Lmax(Lmax為起重機大梁的跨度)。對于天車支撐梁Lmax=3022mm,允許的最大相對變形量δmax≤6.044mm。天車架中出現最大變形量91號單元的值為1.5656mm,小于允許的δmax,其安全系數為3.86,說明天車梁具有足夠的剛度。

2)圖4為天車架的應力分布圖。天車架的最大應力出現在天車軸支撐梁的中部91號單元 (與發生最大彎曲變形是同一個地方),即在91和92號節點之間,其值為σmax=98.775MPa。該支撐梁的材料是16Mn,屈服強度極限為σs=343MPa。即天車梁的安全系數 n=σs/σmax=3.47。

圖3 天車架的受載變形圖

圖4 天車架的應力分布圖

這說明天車支撐架在滿負荷極限工作狀態下的受力,相對于天車支撐梁材料的承載能力是一個較小的量,是支撐梁屈服強度極限的28.8%,天車架具有足夠的強度[7]。

3.3 基于UC值的強度分析

天車架主要承受的是彎曲載荷,其軸向力的分量較小。在承載能力和穩定性分析中,UC值由如下公式計算[4～6]:

當fa/Fa≤0.15時,可用式(3)代替式(1)和式(2)。式中,Fa為只有軸向力存在時允許的軸向壓應力,MPa;Fb為只有彎矩存在時允許的軸向壓應力,MPa;fa為計算點的軸向壓應力,MPa;fb為計算點的彎曲應力,MPa;Cm為折算系數,對于節點有(側向)位移的框架中的受力構件,取0.85;F′e為除以安全系數的歐拉應力,MPa;且有 F′e=12π2E/[23(klb/rb)2],lb為彎曲平面內無支撐的實際計算長度,m;k為有效長度系數;rb為回轉半徑,m。x和y表示某一應力或設計參數所對應的彎曲軸。

在天車架的強度和安全性校核中,采用式(3)計算 UC值。表2為天車架單元前14個UC值的降序排列。顯然,天車架的最大 UC值在天車軸支撐梁的中部91號單元 (與出現最大彎曲變形、最大彎曲應力是同一個地方),即在91和92號節點之間,其值為0.38396(其余各單元的UC值均小于此值)。該值遠遠小于1.0,這說明天車架具有足夠的安全性[8]。

表2 天車梁UC值較大的14單元及相關的應力值

4 結 論

1)UC值是美國ANSI/AISC《鋼結構設計手冊》中,針對鋼結構物體承受壓縮彎曲等多種組合載荷聯合作用時所提出的一個綜合機械強度性能的量度指標。它包含了對結構的強度和剛度等方面因素的綜合考慮。

以ANSYS結構有限元分析軟件為平臺,運用UC值方法,對TC-225天車架進行了詳細的結構受力分析和強度計算。分析數據表明,TC-225天車架的最大彎曲變形、最大應力以及最大UC值均發生在天車支撐梁的中部,且最大UC值等于0.38396,遠遠小于1.0。這說明,TC-225天車架的設計符合ANSI/AISC的要求,具有足夠的剛度、強度以及可靠性。

2)安全系數法是從單因素出發對安全性能指標分別進行考慮。于是在結構的機械性能評價中,則需要對結構的強度和剛度等分別進行校核。筆者采用安全系數法對天車架的強度和剛度分別進行了校核(剛度安全系數為3.86,強度安全系數為3.47),符合強度要求。

3)以天車架為例,若對表2最大的UC值取倒數計算,可發現1/UC=1/0.38396=2.60,該值可近似地說明天車架的綜合安全系數為2.60左右。這樣,與天車架剛度安全系數3.86和強度安全系數3.47相比,可說明2點:①ANSI/AISC的當量安全系數 (1/UC)是一個綜合機械性能的折算指標,它是一個定量的數值,使用方便簡單,具有一定的科學性的先進性。②當量安全系數 (1/UC)比傳統的單項安全系數值要小。因而,采用ANSI/AISC中的UC值方法對結構物進行強度分析和校核,比傳統的安全系數方法更安全和可靠。

[1]SY/T5609-1999,石油鉆機型式與基本參數 [S].

[2]SY/T502-1999,鉆機和修井機井架、底座規范 [S].

[3]SY/T5112-1999,鉆井和采油提升設備規范 [S].

[4]ANSI/AISC 360-05,Allowable Stress Design,Ninth Edition[S].

[5]張學軍,張樹,陳孝珍.JJ22547型井架有限元靜動力特性分析 [J].石油礦場機械,2008,37(9):49～51.

[6]李宏茹.JJ225/43-K石油鉆機井架強度及穩定性計算[D].蘭州:蘭州理工大學,2005.

[7]劉鴻文.材料力學Ⅰ[M].第4版.北京:高等教育出版社.2003.19～33,203.

[8]SY/T6326-1997,石油鉆機用井架承載能力檢測評定方法[S].