頂驅回轉頭吊耳應力測試與有限元分析

趙 挺，侯德門，王一兵，殷 民

（西安交通大學 航天航空學院，西安710049）①

頂部驅動鉆井裝置（簡稱頂驅）是用以取代轉盤鉆進的新型石油鉆井裝置，由于它顯著提高了鉆井作業的能力和效率，被譽為近代鉆井裝備的三大技術成果之一［1］。

回轉頭是頂驅裝置的重要構件，頻繁受到拉伸沖擊載荷的作用［2］，其主要承力部位——吊耳的安全性就顯得至關重要。為此，對3 150 k N頂驅回轉頭吊耳進行了應力測試及有限元分析。

1 應力測試

1.1 測點布置

根據頂驅回轉頭吊耳結構形式及承力情況，分別在左、右吊耳根部內壁的上下部位及吊耳根部的上下表面確定了4個測點，即在左側吊耳選定的4個測點編號為1～4，在右側吊耳選定的4個測點編號為5～8，共計8個測點，如圖1。

圖1 回轉頭吊耳布片示意

1.2 測試方法及系統設置

測試方法采用電阻應變測試原理［3］，在選定的測點上各布置1枚直角應變花（分別為0°、45°、90°三個方向，0°沿頂驅軸線或水平方向。）。

測試系統采樣按照分級定時多次采樣模式設置，即：每個載荷等級保持30 s連續采樣6次，以保證數據進行有效計算分析。

1.3 載荷工況設計

根據頂驅工作情況，設計5個載荷工況（如表1）。在試驗過程中，頂驅置于臥式（如圖2）。每個載荷工況按照從預載荷F0（約200 k N）開始，逐級施加至最大載荷Fmax，然后卸載至F0。

表1 頂驅施加載荷工況

圖2 頂驅應力測試

1.4 測試結果及數據分析

為了有效分析Fmax＝3 150 k N的測試結果，選取第5載荷工況為對象，測試結果如表2所示。通過對測試數據的處理［4］與分析可知：

1） 從預載荷F0逐級增加至3 150 k N，各測點的應變對應增加；而當載荷從Fi卸載至預載荷F0時，測點的應變基本回復到初始狀態。

2） 在測試載荷Fi范圍內，所有測點的載荷－應變、應力關系基本呈線性。

3） 在回轉頭2個吊耳的所有測點中，位于內壁的測點應力比較大。當載荷Fmax＝3 150 k N時，左側吊耳內壁測點的最大Mises應力為559 MPa，右側吊耳內壁測點的最大Mises應力為441 MPa，可見左右吊耳的最大Mises應力相差較大。通過在現場仔細觀察分析發現，回轉頭2個吊耳的外形尺寸有差異。

表2 3 150 k N時回轉頭吊耳各測點的Mises應力 MPa

2 有限元分析

2.1 建立計算模型

用三維實體單元來描述回轉頭吊耳。采用接觸單元描述吊耳與吊環之間的連接。實體模型如圖3所示，有限元網格模型如圖4～5所示。單元總數為528 388，其中接觸單元為17 132；節點總數為105 242個，其中接觸節點為9 006個。

圖3 實體模型

圖4 回轉頭有限元網格模型

圖5 吊耳有限元網格模型

2.2 計算分析步驟

1） 用ANSYS10軟件的前處理功能，建立回轉頭吊耳實體三維有限元模型，將材料特性、邊界條件等輸入到計算模型中。

2） 建立部分吊環實體模型，并建立吊耳與吊環接觸單元。

3） 進行模型的靜力分析，施加載荷于吊環模型，對回轉頭吊耳進行非線性接觸計算。

2.3 計算結果分析

2個吊環共傳遞3 150 k N的載荷。采用面壓載荷方式施加在模擬吊環實體模型的表面，用ANSYS10軟件對模型進行非線性接觸計算。回轉頭吊耳結構的Mises應力分布如圖6所示，回轉頭吊耳根部最大 Mises應力為515 MPa（如圖7），吊耳與吊環的接觸面處的最大擠壓應力為781 MPa（如圖8）。接觸狀態如圖9所示，接觸面位移如圖10所示，最大接觸位移為0.027 8 mm。回轉頭吊耳結構其他部位的Mises應力較小，結構的危險部位為吊耳根部和吊耳與吊環接觸部位。

圖6 吊耳Mises應力分布

圖7 吊耳根部最大Mises應力分布

圖8 吊耳與吊環接觸面最大擠壓應力分布

圖9 吊耳接觸狀態

圖10 吊耳接觸面位移分布

3 應力測試與有限元分析結果對比

當Fmax＝3 150 k N時，回轉頭吊耳8個測點應力測試值與有限元計算值結果對比如圖11所示。由圖11應力變化趨勢可見，試驗值與計算值應力分布趨勢基本一致［5］，從而也驗證了有限元模型的正確性。試驗值和計算值都表明：在回轉頭吊耳根部應力較大。

圖11 吊耳試驗值與計算值結果對比

由于回轉頭吊耳的結構形式類似于懸臂梁，承載后吊耳根部應力較大。如果在加工過程中2個吊耳外形尺寸不一致，或吊耳根部圓弧過度角偏小，就會進一步加劇吊耳根部應力的增大。因此，在安全檢測和安全評估時要重點關注這個部位。

4 結論

1） 對頂驅回轉頭吊耳的應力測試及有限元分析結果可知：回轉頭吊耳根部和回轉頭吊耳與吊環接觸處為危險部位，回轉頭吊耳其他部位的Mises應力均小于吊耳根部的最大Mises應力。應力測試數據與有限元計算結果吻合。

2） 由應力測試及有限元分析可知：回轉頭吊耳根部最大Mises應力值分別為559 MPa和515 MPa，其危險部位的最大Mises應力值已接近材料的設計極限應力（該回轉頭選用鑄鋼35Cr Mo材料制成，經熱處理后其屈服極限應力約為560 MPa）。考慮到在實際使用過程中載荷動態交變以及環境條件（如高低溫環境）等因素，設計回轉頭吊耳時要留有足夠的安全裕度［6］。

3） 通過對回轉頭吊耳應力測試和有限元分析，確定了回轉頭吊耳的危險部位，該結果對回轉頭吊耳結構的設計、安全檢測及安全評估具有一定的參考價值。

［1］ 馮琦，郭永岐，桑峰軍.典型頂部驅動鉆井裝置結構與功能分析［J］.石油礦場機械，2013，42（9）：90－93.

［2］ 王偉，李云鵬，劉新狀.低溫頂驅傳動裝置關鍵部件回轉頭的研制［J］.機械傳動，2009，33（5）：88－91.

［3］ 張如一，陸耀楨.實驗應力分析［M］.北京：機械工業出版社，1981.

［4］ 蔡懷崇，閔行.材料力學［M］.西安：西安交通大學出版社，2004.

［5］ 王冬雪，吳占偉，樵英，等.水下用FHZ48－70型環形防噴器承壓件有限元分析［J］.石油礦場機械，2013，42（9）：12－15.

［6］ SY/T5527—2001，石油鉆機主要提升設備［S］.