基于多路況的沙漠修井車車架強度分析

安紹敏，陳德勇，張維東

（1.中石化石油工程機械有限公司 第四機械廠，湖北 荊州434000；2.中石油蘭州石化客運分公司，蘭州730060）①

目前，全世界已發現了324個儲量在億噸級別的油氣田，其中有109個分布在沙漠地區，并且至關重要的幾個油田是在沙漠中。沙漠環境對工程機械的性能與可靠性提出了更高的要求。在把修井機運輸到沙漠油氣田的過程中，對底盤的要求非常高，尤其是大型修井機，在道路顛簸的山路、凹凸不平的壞路和高低起伏且松軟的沙漠地形上，遇到的問題要遠多于普通環境［1－3］，整車承受地面給車架的動載荷是很大的，所以研究沙漠修井車的車架在各種惡劣路況下強度就顯得更加重要［4］。本文分析沙漠修井車在平穩路面、輪胎懸空、緊急制動、沙漠凹凸坡道4種路況下行駛時車架的結構強度，為設計提供依據，對提高整車道路通過性和整車使用壽命具有重要意義。

1 路況分類

在駛往沙漠油氣田的過程中，沙漠修井車需要經歷山路、沼澤地、沙漠地形下的凹凸顛簸路面，承受地面對車身的巨大沖擊力。這些工況可分為4種：

1） 普通平穩道路行駛路況 沙漠修井車在平穩路面上行駛時受到的載荷，或者駐車停止時，都可以近似于只承受車架上部設備重力的靜壓力載荷，包括井架、駕駛室、發動機、傳動箱、分動器、絞車架等上裝設備的垂向靜載荷。SXJ550ZJM型沙漠修井機在平整路況下行駛，如圖1，底盤為三江瓦力特航天公司特制的WS5650ATXJ型沙漠專用底盤，全獨立懸掛，最大載質量48t，高越野性能。

2） 單側前輪懸空路況 沙漠修井車在比較崎嶇的道路上行駛時，很容易出現單側前輪懸空的情況，這時候車架受到的力是不對稱的，在上裝設備的重力作用之下，車架左右兩側會形成彎矩，將會產生較大的變形和應力。

3） 緊急制動路況 道路行駛過程中，遇到緊急情況需要緊急制動時，模擬車架0.5s內制動，計算相應減速度慣性載荷對車架的縱向沖擊載荷。施加載荷時模擬1條載荷譜，橫坐標為時間，歷時0.5 s，縱坐標為整車慣性力（F＝ma），此時車架受到垂向靜載荷＋制動減速度沖擊載荷。

4） 凹凸沙漠坡道路況 在顛簸山路中行駛，沙漠修井車會遇到各種凹凸不平的坑道，加上沙漠中行駛時，各種大沙坑、沙堆坡道。模擬沙漠修井車以30km／h的速度遇到1個接近5m的凹坑，然后越過沙堆的路譜，如圖2。

當前軸輪胎進入凹坑時，后軸輪胎還沒有進入凹坑，前輪準備出凹坑時，后輪準備進入凹坑，前輪駛出凹坑時，后輪準備越過凹坑，分析前后軸所受沖擊載荷對車架各處產生的應力和變形。圖3為SXJ550ZJM型沙漠修井機的前輪已經駛出凹坑，后輪準備越過凹坑時的后軸受力情況。

其中垂向靜載荷為4種路況下都具有的永久上裝設備重力載荷，主要包括井架、滾筒及剎車系統、駕駛室、發動機、傳動箱、分動箱、絞車架等設備對車架的重力靜載荷，同時包括車架本身的重力，如表1。

2 有限元分析

以SXJ550ZJM型沙漠修井機為例進行分析。

2.1 模型建立

采用Pro／E軟件建立了沙漠修井車車架的三維裝配體模型.為了提高車架強度分析的計算效率，在滿足主要因素計算精度的前提下，對車架結構進行簡化，略去承受載荷較小和對整體變形影響很小的部件，得到的模型無縫連接到ANSYS中。

在建立有限元模型時，由于車架結構龐大、復雜，小特征較多，采用10節點四面體單元劃分有限元網格。為提高建模精度，選取合適的的單元尺寸（10～15mm）［5－6］，劃分單元總數為213 358 個，節點總數為891 658個。在處理有限元模型的載荷條件時，采用面均勻加載模擬真實載荷工況。

2.2 分析結果

在有限元的計算中，車架的材料為16Mn，材料的許用應力為350MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。針對4種路況，給車架施加相應的載荷，得到4種路況下有限元應力云圖和變形云圖。由于篇幅所限，此處只給出車架在比較危險的輪胎懸空路況（路況2）和凹凸沙堆坡道路況（路況4）下的應力分布圖和最大變形分布圖。如圖4～7。4種路況下有限元分析數據對比如表2。

4種路況下普遍應力在30MPa左右，車架強度比較安全。其中，路況2的最大應力約為150MPa，第4種路況下車架所受應力和變形最大，最大應力為181MPa，位于后4軸中間車架上端處，屬于受力較大位置，由于材料的屈服強度為350MPa，所以滿足強度要求；最大變形為13.9mm，位于車架中后部，第4、5軸中間位置，車架前端的井架支撐架位置變形也比較大，受井架重力集中引起的局部變形也在允許變形范圍之內；第2種路況下，變形明顯比其他工況大很多，為24mm，這是由于輪胎懸空引起不平衡彎矩，導致單側車架前端變形較大，加上駕駛室后邊的井架支撐架處變形比較大，屬于局部受井架重力集中引起的變形，需要局部加強。所以，針對這幾個明顯的應力較大和變形明顯的局部可以進行結構加強，而且在惡劣路況行駛的時候，車速不能太快，顛簸路面更加注意避免車輪懸空，凹坑不平路面不能快速通過，這樣保證沙漠修井車的使用壽命和道路通過更加安全。

3 結論

1） 建立了沙漠修井車車架裝配體模型，并無縫連接到有限元分析軟件ANSYS中，按照修井車4種實際路況設置有限元車架模型。

2） 將沙漠修井車進行了平穩路面、輪胎懸空、緊急制動、凹坑及沙漠坡道4種真實路況下的有限元分析，得到車架應力云圖和變形云圖，從而得到應力、變形較大位置，為以后的沙漠修井車在惡劣路況下的車架強度校核和改善提供依據。

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