T815 井架車大梁斷裂原因分析及預(yù)防措施

張海濱

（大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司財(cái)務(wù)資產(chǎn)部，黑龍江 大慶 163000）

目前油田使用的立放井架車，多年來由于車型的不斷更新?lián)Q代，作業(yè)裝置的不斷改進(jìn)，施工環(huán)境的不斷變化，對井架車的各種性能提出了新的要求。井架車底盤的許多缺陷，在使用過程中暴露出來，影響了立放運(yùn)井架的質(zhì)量，尤其近年來，隨著作業(yè)油水井深度的增加，井架的強(qiáng)度高度重量都有不同程度的增加，井架車底盤出現(xiàn)了不適應(yīng)的狀況，各種缺陷和問題，逐漸暴露出來，以T815 井架車為例，近年就出現(xiàn)了斷大梁現(xiàn)象，使得這類車輛在作業(yè)和行進(jìn)過程中存在有一定的安全隱患。因此，分析造成井架車大梁斷裂的主要原因，并提出具有針對性的改進(jìn)措施，這對預(yù)防此類車輛日后出現(xiàn)類似安全事故，杜絕安全隱患具有重要意義。

1 T815 井架車特點(diǎn)

T815 井架車在油田生產(chǎn)中的主要任務(wù)是立放和運(yùn)輸用于修井作業(yè)的井架。

其優(yōu)點(diǎn)是：T815 井架車發(fā)動(dòng)機(jī)馬力大、易維修、風(fēng)冷、冬季啟動(dòng)性好，底盤低，重心低，穩(wěn)定性好，脊椎管本身就是車架，車身還有一個(gè)雙梁式車架，立放井架裝置平臺(tái)還有一副大梁，這樣就具有了三個(gè)大梁，增強(qiáng)了承載能力和堅(jiān)固性，有效加強(qiáng)車輛在越野過程中車身的穩(wěn)定性，提高前橋剛性，在防止下趴的同時(shí)減輕制動(dòng)力。

其缺點(diǎn)是：相對于彈簧鋼板結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對于裝配技術(shù)的要求較高，維修過程較為繁瑣，一旦發(fā)生斷裂將導(dǎo)致大梁結(jié)構(gòu)整體報(bào)廢，使得這類車輛在作業(yè)和行進(jìn)過程中存在有一定的安全隱患。

2 井架車立放過程受力分析

2.1 計(jì)算分析

汽車車架采用邊梁式結(jié)構(gòu)，縱、橫梁聯(lián)接為鉚釘鉚接；縱梁材料為選取汽車大梁鋼，鋼號(hào)B510L，材料主要參數(shù)入表1 所示。車體自重：16150kg，井架重量4.02t，外廓尺寸：11670×2600×3998，車架長為11670mm，寬900mm，縱梁高度為180mm。

圖1 井架車受力載荷分布圖

表1 重卡車架材料及主要參數(shù)

選取車架作為研究對象并建立直角坐標(biāo)系，以車輛行駛方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，Y 軸指向車輛行駛后方，X 軸指向駕駛席左側(cè)，Z 軸垂直指向上方。Y 軸和Z 軸構(gòu)成YOZ 平面，該平面是車架的左右對稱鏡像面，XOZ 平面垂直于大梁中心軸線，XOY 平面距離車架底面的距離是90mm。

車架主要承受的載荷有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)重量、齒輪變速箱重量、車架橫梁及縱梁重量、井架重量和附件重量。載荷的施加方式設(shè)計(jì)為分布載荷，除井架外，其余總成分布面積以載荷作用點(diǎn)為中心，280mm×900mm 的矩形區(qū)域，如圖1 所示，具體的施加方式則按照載荷作用在車架上的實(shí)際情況決定，如表2 所示。

表2 車架載荷分布

在進(jìn)行有限元仿真時(shí)，對車輪作用車架的位置施加三個(gè)平動(dòng)自由度約束UX、UY、UZ，縱梁后端施加平動(dòng)自由度約束UY，縱梁外側(cè)面施加平動(dòng)自由度UX，釋放其余所有自由度，約束施加情況如圖2 所示。

圖2 車架約束施加情況

2.2 計(jì)算結(jié)果及評價(jià)

采用Solidworks Simulation 進(jìn)行建模仿真。圖3 為車架在井架立放工況時(shí)的應(yīng)力分布圖，圖4 為車架在井架平放運(yùn)輸工況時(shí)的應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，在井架立放和平放運(yùn)輸過程中，均在縱梁前端及前橫梁處產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中以平放運(yùn)輸時(shí)應(yīng)力集中較為明顯，最大值為7.249×107N/m2。該類大梁鋼的屈服強(qiáng)度為4×108N/m2，屈服強(qiáng)度大于應(yīng)力最大值，安全系數(shù)接近4.5。

圖3 井架立放時(shí)車架應(yīng)力分布圖

圖4 井架平放運(yùn)輸時(shí)車架應(yīng)力分布圖

圖5 在顛簸路面行進(jìn)遇極端情況下井架車載荷配置分布圖

由于立放井架車屬于前線特種車輛，車輛在未鋪裝及坑洼路面行進(jìn)的情況較多，井架及其他載荷重心在顛簸過程中容易發(fā)生偏移。為了模擬車輛在遇到這種極端情況下的應(yīng)力情況，將井架載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)及駕駛室載荷進(jìn)行1/2偏置分布，如圖5 所示。圖6 為仿真后所得應(yīng)力分布圖?？梢钥闯觯跇O端情況下，井架車縱梁前端及前橫梁處應(yīng)力集中情況較為嚴(yán)重，其中縱梁處最大值為3.2×108N/m2，前橫梁處為2.44×108N/m2。而該類大梁鋼的屈服強(qiáng)度為4×108N/m2，因此在不考慮沖擊載荷的情況下，兩處應(yīng)力集中點(diǎn)的最大應(yīng)力值已接近屈服強(qiáng)度。

圖6 在顛簸路面行進(jìn)遇極端情況下井架車應(yīng)力分布圖

3 大梁斷裂主要原因分析

通過以上受力分析可以看出，靜應(yīng)力分析說明縱梁前端及前橫梁處存在應(yīng)力集中點(diǎn)，在普通工況下可以正常使用，安全系數(shù)接近4.5。在極端情況下，井架車縱梁前端及前橫梁處（前橋后，駕駛室后面）應(yīng)力集中情況較為嚴(yán)重，已非常接近大梁鋼的屈服強(qiáng)度。

推測前橫梁斷裂原因主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

(1)通向井場的道路通常是坑洼不平的土路，導(dǎo)致大梁承受交變應(yīng)力。通過受力分析可以發(fā)現(xiàn)，在交變應(yīng)力作用過程中，應(yīng)力在屈服極限范圍內(nèi)波動(dòng)，其最大值不超過極限值，從斷裂形式分析，該類斷裂應(yīng)屬疲勞斷裂。主要因素為構(gòu)件外形的突然變化、構(gòu)件尺寸的影響和表面質(zhì)量的影響。

(2)由于井架車常在非鋪裝路面行駛，在跨越管線、深溝等地形時(shí)，車輛大量需要不斷承受沖擊載荷。在車輛前輪跨溝懸空的瞬間，車輛前輪、座艙和前部車架所構(gòu)成的總重量將對大梁固定支點(diǎn)造成一定的沖擊扭矩。

(3)立放井架車平臺(tái)后部現(xiàn)有兩個(gè)千斤支腿，遇到經(jīng)常道路不平的情況，為了將井架立正，只能調(diào)節(jié)這兩個(gè)千斤腿，使整個(gè)車不平，這樣大梁長時(shí)間受扭曲力，使大梁變形，時(shí)間長容易造成開裂。

(4)在進(jìn)行車輛維修時(shí)，如果舉升機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)選擇不合適，也將造成車輛左右扭力桿受力不均，由此導(dǎo)致一側(cè)產(chǎn)生過大彎矩，造成斷裂。在一般情況下，一側(cè)車輪偏高，則對角線側(cè)的梁容易斷裂。

(5)工況條件差，車輛運(yùn)輸過程中經(jīng)受較大顛簸，沖擊，大車縱梁及前橫梁處反復(fù)經(jīng)受交變、沖擊載荷，瞬間載荷有可能突破鋼材屈服強(qiáng)度，久而久之產(chǎn)生裂紋，工況持續(xù)惡劣，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展發(fā)生疲勞斷裂。

4 預(yù)防及改進(jìn)措施

4.1 提高大梁表面質(zhì)量和表層強(qiáng)度

在通常情況下，表面加工處理水平對于結(jié)構(gòu)件的抗疲勞能力具有較大影響，為了提高結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)該降低其表面粗糙度。因此，對于大梁鋼表面應(yīng)該進(jìn)行高頻淬火或滲碳處理，提高表層強(qiáng)度；在運(yùn)輸及維修過程中，避免磕碰，防止表面收到機(jī)械損傷。

4.2 立放井架裝置部分改進(jìn)

立放井架工作平臺(tái)增加兩個(gè)千斤支腿，位置在平臺(tái)前面，駕駛室后方，立放井架時(shí)將四個(gè)支腿頂起，調(diào)平車輛，也可以減輕輪胎載荷，誤車或發(fā)生路滑車傾斜時(shí)，也起支撐作用，防止傾翻事故發(fā)生。

4.3 操作手改進(jìn)操作方法

在左右不平的道路行駛時(shí)，車速應(yīng)不超過30km/h，最大爬坡仰角不應(yīng)超過30 度。在遇到深度超過30 公分的深溝時(shí)，應(yīng)繞行或填平后通過，防止車輛大梁承受沖擊載荷造成強(qiáng)度失效。在司鉆操作或者車輛維修時(shí)， 應(yīng)盡量將兩側(cè)支腿提升至相同高度，保持車輛兩側(cè)同高，防止造成受力不均。