ZG28CrNiMoRe頂部驅動裝置旋轉頭的研究

柴璇

（天津知時捷科技發展有限公司，天津 300300）

在頂部驅動裝置所有工作裝置中，旋轉頭是一個核心的工作部件，它承重上百噸重量，該部件必須可靠耐用，具有足夠的強度和剛度。

目前，國內外對常溫頂部驅動裝置研究較多，對低溫頂驅研究卻很少。頂部鉆井裝置應用在低溫場合下的情況較多，因此要求其材質必須具備較高強度和較好的沖擊韌性。采用低碳鉻鎳鉬鋼+稀土元素，是低溫頂驅鑄鋼件材質應用的趨勢。本文根據石油及鑄造行業通常使用的具有較高強度和較好韌性的材料，以及相關資料，采用ZG28CrNiMoRe作為低溫頂部驅動裝置旋轉頭的材質。利用有限元分析，計算ZG28CrNiMoRe旋轉頭的強度和剛度；選擇合適的熱處理加工工藝；對ZG28CrNiMoRe的樣品進行試驗驗證。

1 有限元分析

1.1 線性靜態結構分析原理

假設所選結構件為線性靜態結構，不考慮慣性和阻尼的影響。在線性靜態結構分析中力與時間無關，因此，有限元線性靜態分析公式如下：

[K]{x}={F}

式中：[K]——剛度系數矩陣；

{x}——結構位移矢量；

{F}——結構外力矢量。

1.2 旋轉頭靜態分析

（1）幾何模型建立。對模型進行局部簡化，在SOLIDWORKS建立有限元模型，在ANSYSWorkbench中導入幾何體文件。

（2）材料設置。旋轉頭使用的材質是ZG28CrNiMoRe，根據SY/T5053-2004標準要求，鑄鋼件材料最終熱處理后的力學性能應滿足：材料的抗拉強度σb≥640MPa，屈服強度σs≥540MPa，斷后延伸率為δ≥15%，斷面收縮率ψ≥25%，沖擊功AKV≥27J。參數設置彈性模量E=2.1e11，泊松比μ=0.3。

（3）網格劃分。對模型進行自由網格劃分，單元長度為30mm，有限元網格共有30197個節點，51488個單元。如圖1所示。

圖1 旋轉頭網格劃分

（4）約束與加載。旋轉頭接觸部位加約束，在兩側吊耳處加載。

（5）結果分析。圖2為旋轉頭應力計算結果，如圖2可知，Von-Misese應力值較大區域在吊鉤與旋轉頭吊耳接觸區偏上方圓弧過渡處，數值最大值σmax為276MPa，依據第四強度理論知識以及APISpec8C規定 可 知， 許 用 應 力 [σ]=σs/n=655/2.25=291.1MPa，σmax≤[σ]，最大值在許用范圍之內，故強度滿足要求。圖3為變形計算結果，如圖3可知，旋轉頭兩側吊耳處承載，故最大變形量在兩側吊耳處，且最大變形值為0.8，可忽略不計，剛度滿足要求。

圖2 旋轉頭應力計算結果

表1 ZG28CrNiMoRe各溫度下拉伸與沖擊試驗結果

圖3 旋轉頭變形結果

通過分析計算以及實際生產中出現的問題，我們需注意以下：（1）鑄造用的模型制作應特別注意圓角過渡曲線，防止應力集中。（2）吊耳圓弧處為非加工面，應特別注意零件毛坯的打磨修整。（3）零件的無損探傷應保證無鑄造缺陷。

2 熱處理工藝選擇

ZG28CrNiMoRe旋轉頭結構滿足要求，還必須有合適的熱處理加工工藝。

在旋轉頭鑄后的熱處理工序中，淬火的加熱溫度對其淬火后的組織和性能有著重大影響，而淬火溫度的選擇主要是根據鋼的化學成分來確定，ZG28CrNiMoRe屬于亞共析鋼，為使共析鐵素體全部轉變為奧氏體，并考慮有利于奧氏體形成和得到細小奧氏體晶粒，亞共析鋼的淬火溫度推薦為：AC3+（30～50）℃。在生產上，用于過冷奧氏體穩定性比較大的合金鋼通常用油作介質。綜合考慮工件尺寸、淬火介質，該鑄鋼件的淬火加熱溫度為：870～890℃。

根據經典回火方程可知：回火溫度和時間對硬度和沖擊功有顯著的影響，其中回火溫度更加顯著。對于含鉻、鎳、錳等元素的合金鋼淬火后在500～650℃回火，緩冷易產生可逆回火脆性，為防止它，小零件采用回火時快冷，大零件可選用含鎢或鉬的合金鋼。合金鋼在300～400℃之間和500～550℃之間出現兩個極小值，即低溫回火脆性和高溫回火脆性。因此回火溫度應避開此溫度范圍。當回火溫度在640～660℃范圍內時，材料的沖擊韌性較高。

綜合以上，選出最優工藝組合：890℃×80min淬火，650℃×75min回火。

3 試驗

對ZG28CrNiMoRe樣品進行金屬拉伸試驗以及夏比缺口沖擊試驗，結果如表1所示。

通過以上數據，可知，ZG28CrNiMoRe在各個溫度條件下，拉伸性能和沖擊性能均滿足鑄造行業和石油標準要求。

4 結語

通過ANSYS計算分析，對ZG28CrNiMoRe頂驅旋轉頭進行靜力強度與剛度校核，均滿足要求。

選擇合適的熱處理加工工藝：890℃×80min淬火，650℃×75min回火。

試驗驗證ZG28CrNiMoRe樣品，均能滿足低溫狀態下的力學要求。