XD70／14×12型運載車車架的強度計算

楊擁軍，張 勇，何軍國，榮曉玲，楊文新

（1.華東石油局鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.南陽二機石油裝備（集團）有限公司技術中心，河南南陽473006；3.新疆油田公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依83400） ①

XD70／14×12型運載車車架的強度計算

楊擁軍1，張 勇2，何軍國2，榮曉玲2，楊文新3

（1.華東石油局鉆井公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.南陽二機石油裝備（集團）有限公司技術中心，河南南陽473006；3.新疆油田公司井下作業(yè)公司，新疆克拉瑪依83400）①

車裝鉆機車架既是行車的主要受力部件，也是鉆井作業(yè)的重要承載部件，其結(jié)構設計、強度計算非常重要。應用有限元計算方法對XD70／14×12型運載車車架進行運輸工況、起升工況、作業(yè)工況下的強度計算，對車架進行模態(tài)分析，得到車架的最大應力、危險工況和固有頻率。提出了車架改進方法，為車裝鉆機車架設計、制造及使用提供了依據(jù)。

車裝鉆機；車架；結(jié)構；強度；有限元分析

車裝鉆機主要由自走式底盤、動力系統(tǒng)、絞車及提升系統(tǒng)、鉆臺、轉(zhuǎn)盤及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、井架等部件組成。自走式底盤作為車裝鉆機的核心部件，不但是安裝作業(yè)部件的基礎件、井場轉(zhuǎn)移的移運工具，而且為鉆井作業(yè)提供全部動力［1］。鉆機底盤車架承受井場轉(zhuǎn)運、井架起放與鉆井作業(yè)時帶來的巨大載荷。4 000 m車裝鉆機是目前國內(nèi)載荷最大車裝鉆機，合理的車架結(jié)構與材料不僅保證作業(yè)時的強度、降低自身質(zhì)量，還能提高運載車的承載能力。

1 結(jié)構及主要技術參數(shù)

車架大梁為車架的關鍵零件［2］，目前常用大梁結(jié)構有C形鋼梁、工字鋼梁、矩形管梁等，也有的車架大梁采用桁架結(jié)構，例如Wilson早期生產(chǎn)的3 000m車裝鉆機。車裝鉆機作為油田專用車輛，承載量大，使用工況惡劣，需對大梁作特殊設計。3 000m及以下車裝鉆機車架大梁主要用Q345材料，4 000m車裝鉆機車架（即XD70／14×12）大梁需要采用屈服強度＞420MPa的高強度鋼作為主要材料。隨著鉆機作業(yè)能力的加大，鉆機的移運質(zhì)量也越來越大，車橋數(shù)也隨之增加，使用7橋、8橋成為必然［3］。

XD70／14×12運載車車架結(jié)構如圖1所示，車架上部安裝駕駛室、發(fā)動機、并車箱、絞車、前支架、后支架等鉆井設備。車架的第1～3橋采用彈簧鋼板平衡懸掛；第4、7橋為空氣彈簧懸掛；第5～6橋為半剛性平衡梁懸掛或剛性懸掛。

圖1 車架俯視圖

主要技術參數(shù)：

運載車型號 XD70／14×12

底盤承載能力 600kN

驅(qū)動形式 14×12

最高車速 45km／h

接近角／離去角 35°／17°

最小離地間隙 311mm

最大爬坡度 26%

轉(zhuǎn)彎半徑 18.5m

2 有限元強度計算

2.1 結(jié)構離散與建模

對運載車車架結(jié)構進行離散，用ANSYS軟件單元庫中的梁單元進行模擬。由于BEAM188單元基于TIMOSHENKO理論，不僅包括剪切變形的影響，考慮截面翹曲變形，而且提供了強大的非線性分析能力，有出色的截面數(shù)據(jù)定義功能以及可視化特性。車架梁單元采取通用截面和自定義截面相結(jié)合的方式來建立分析模型，定義的截面也能用于采用相同材料的其他運載車有限元分析。筋板采用殼單元SHELL63模擬，彈簧懸掛及氣懸掛采用只承受壓力的彈性桿單元模擬。運載車前后4個液壓支腿以及起升液壓缸梁處的機械支腿在工作時已用千斤螺母機械鎖死，可用桿單元模擬或施加約束。前支架及后支架與車架為一體結(jié)構，同時是車架的重要傳力點，建立有限元模型時，把前支架及后支架一起考慮。

2.2 移運狀態(tài)計算

當車架處于移運狀態(tài)時，井架平放在車架上方的前支架及后支架上。通過力矩平衡原理，計算出井架對前支架及后支架的作用力，并以集中力方式加在相應節(jié)點上。車架上方其他部件重力也分別以集中力或線性力加載到各個節(jié)點或梁上。通過加載計算，得到車架的應力云圖，前支架應力如圖2a，后支架應力如圖2b。

圖2 車架移運狀態(tài)時應力云圖

由圖2可以看出：由于運載車在運輸過程中，井架伸出車頭很遠，井架重心偏向前支架［4］，所以前支架輔助支撐應力較大；由于后支架承受井架部分重力，且在井場轉(zhuǎn)運時，車架后部處于懸空狀態(tài)，所以車架后部最大應力位于最后一橋車架大梁上（即第7橋附近），且翼板應力大于腹板應力；當存在沖擊或第7橋失效時，此處應力可能導致車架嚴重變形。

2.3 井架起升狀態(tài)計算

車裝鉆機到達井場后，重要的鉆前工作就是完成井架的起升。通常，當井架剛開始離開前支架時，起升液壓缸所需推力最大，后支架及車架起升液壓缸橫梁所在部位的受力也最大。通過力矩平衡原理，計算出在井架起升過程中，后支架及車架起升液壓缸橫梁的受力，并以集中力方式加載到相應節(jié)點上。車架上方其他部件重力也分別以集中力或線性力加載到各個節(jié)點或梁上。

井架起升工況下，車架大梁局部受力較大，尤其是從起升液壓缸到車架后尾梁之間的大梁受力較大，對于大噸位車裝鉆機，是在后橋車架大梁與起升缸橫梁之間設計加強筋，并在起升液壓缸下方或附近設置2個機械千斤，以降低此處應力。圖3為結(jié)構改進以后的應力云圖，此時，最大應力位于后支架，尤其是后支架前斜撐，最大應力達176MPa，早期的產(chǎn)品設計由于缺乏計算手段，存在此部位斜撐焊縫撕裂或斜撐變形失效的情況。此工況下，其他部位應力較小，符合設計要求。

圖3 井架起升時車架后部應力云圖

2.4 最大鉤載

通過對井架進行最大鉤載下的有限元分析，計算出繃繩對車架前部的作用力以及井架對車架后支架的作用力，并施加在相應節(jié)點上。車架上方其他部件重力也分別以集中力或線性力加載到各個節(jié)點或梁上。得到的應力云圖如圖4所示。

井架承受最大鉤載時，由于大鉤對井架的作用力主要由井架下部的Y形支架承擔，對后支架的作用力減小，此時，車架大梁及后支架受力相對起升工況要小，但同樣存在受力不均情況，主要表現(xiàn)在后支架受力較大，后支架選用Q345材料，計算結(jié)果符合強度設計要求。

圖4 最大鉤載時車架后部應力云圖

3 模態(tài)分析

模態(tài)提取方法采用BLOCK LANCZOS法，該方法特別適合于求解某一特定范圍內(nèi)有價值的固有頻率，或者大模型的多階模態(tài)分析（例如，＞40階），適合于模態(tài)分析中包含形態(tài)較差的實體和殼單元，且求解速度快，但占用內(nèi)存比子空間方法多。求解時，約束各橋垂直方向，即UY方向，設置擴展模態(tài)為ON，程序自動采用稀疏矩陣方程求解器進行求解，得到車架前10階頻率如表1所示。如果考慮第4橋和第7橋為空氣平衡懸掛，模態(tài)分析時，釋放相應節(jié)點位移約束，則各階模態(tài)頻率略有減小，尤其是低階頻率，數(shù)值減小明顯。

表1 車架固有頻率Hz

車裝鉆機選用柴油機作為動力時，額定工作轉(zhuǎn)速為2 100r／min，傳動箱輸出轉(zhuǎn)速為2 100r／min，并車箱輸出轉(zhuǎn)速為1 560r／min，主滾筒轉(zhuǎn)速為418 r／min，轉(zhuǎn)盤傳動裝置輸出轉(zhuǎn)速為877r／min，與車架固有頻率難以形成共振。既使通過傳動箱換擋，降低傳動箱輸出轉(zhuǎn)速，由于車架上部各個部件的工作轉(zhuǎn)速不一致，相互擾動，與車架也難以形成共振。典型的振型如圖5所示。

圖5 車架典型振型

第3階振型表現(xiàn)為車架第4橋與第5橋之間的彎曲變形；第4階振型表現(xiàn)為前支架的前后彎曲；第8階振型表現(xiàn)為車架中部波浪變形以及前支架側(cè)扭；第9階振型表現(xiàn)為前支架的側(cè)扭和壓潰現(xiàn)象。

4 強度薄弱部位及改進措施

1） 后支架與井架連接座的焊縫以及后支架與車架的焊縫，通過加強筋方式來加強。

2） 后支架的后立柱，選用較強的材料或?qū)笠戆遒N板加強。

3） 前支架底部，增加前加強板或后加強板，提高前支架的抗扭能力。

4） 井架起升液壓缸安裝橫梁與車架縱梁，之間增加合適的橫向加強筋。

5） 車架后橋至后尾梁段下翼板，進行加強或采用變截面設計。

5 結(jié)論

1） 把結(jié)構分析與有限元分析有機地結(jié)合在一起，同時提高模型的真實性、加載的準確性，改善約束與實際的符合程度［6］，有利于提高結(jié)構分析的效率和準確性。

2） 通過模態(tài)分析規(guī)避結(jié)構共振、提供結(jié)構改善方案。

3） 根據(jù)部件重心分布和不同受力工況，對車架大梁進行變截面設計，例如截面在高度方向變化，單、雙腹板結(jié)合，增加加強筋，不僅有利于保證各個工況下的強度與剛度要求，而且有利于降低車架整體質(zhì)量。

4） 前支架及后支架作為車架的重要附屬結(jié)構，在使用中受力較大，需要著重考慮。

5） 通過有限元計算與分析，為運載車車架設計與生產(chǎn)提供指導。

［1］ 尹永晶，楊漢立，胡德祥.車裝鉆機［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002：91－96.

［2］ 陳增偉，張 勇，劉 儉.中深井鉆機車專用底盤的研究與應用［J］.石油礦場機械，2006，36（S1）：8－11.

［3］ 劉 儉.自走式鉆機現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油礦場機械，2008，37（10）：31－35.

［4］ 何軍國，劉 儉，余利軍.鉆機車現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.專用汽車，2009（10）：30－34.

［5］ 肖 鋒，徐有忠，柳 楊，等.基于Abaqus的汽車結(jié)構強度分析方法與結(jié)構分析策略［C］／／Abaqus中國區(qū)用戶大會2007用戶論文集.Abaqus內(nèi)部出版，2007：35－43.

FEA to the XD70／14×12Chassis Frame

YANG Yong－jun1，ZHANG Yong2，HE Jun－guo2，RONG Xiao－ling2，YANG Wen－xin3
（1.Drilling Company，Huadong Petroleum Bureau，Zhenjiang212000，China；2.Technique Centre，RG Petro－Machinery（Group）Co.，Ltd.，Nanyang473006，China；3.Downhole Technique Company，Xinjing Oilfield Company，Karamay834000，China）

The chassis frame is the main part of the rig mobile vehicle，and also the main part bearing the operation load during the drilling operation.Its structure and strength are very important.According to the working condition，such as the chassis move，mast rising，maximum hook load，using ANSYS program calculated to the XD70／14X8Chassis Frame stress.The mode analysis was also done.The maximum stress，risk working condition，and the self frequency were founded.Structure improvement method was suggested.It provides the reference to the design，manufacture，and use for the chassis frame.

movable rig；chassis frame；structure；strength；FEA

1001－3482（2012）04－0072－04

TE929

A

2011－10－08

楊擁軍（1968－），男，江蘇常州人，工程師，主要從事石油鉆井裝備管理工作。