NC5440TGJ電驅固井車車架力學性能分析與研究

付俊， 李小兵， 嚴金林， 白蘭昌， 李歡， 范松

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

隨著石油勘探開發領域擴大，鉆井技術不斷進步,促進了固井技術的進步[1-2]。固井車主要用于泵送水泥漿、洗井、配壓、試液、擠封、小型酸化等作業，是油田完成固井試油等生產任務的主要設備[3]。固井水泥車在崎嶇的山路上運移時，車架出現明顯的異響。現場固井施工作業時，車架振動比較明顯。尤其固井泵上部的操作平臺處，影響操作人員操縱舒適性。經研究退役后的固井車，發現車架尾部有少量變形。需要對固井車車架力學性能進行研究，提出針對性的改進措施。

國內外對車架強度相關研究不夠全面，H. S. Kim等[4]對車架在極限靜態載荷下的失效表現形式進行了討論。Kazuo Ao等[5]利用有限元靜態強度分析結果指導車架設計過程，這些靜態分析內容只有1種或幾種載荷類型。文獻[6]提到了壓裂車底盤性能匹配的指標和影響因素。文獻[7]的2500型壓裂車疲勞分析與預測只提到道路和大泵工作下的2種工況。文獻[8]對3000型壓裂車雖然分析了5種工況，但由于壓裂車使用環境較為惡劣，工況極其復雜，不能比較全面地代表各種復雜工況。本文通過有限元法研究車架運移過程及作業過程中的強度、剛度問題，找出車架的薄弱點，為固井車生產提供了技術支持。

1 車架模型建立

1.1 NC5440TGJ電驅固井車整車結構分析

NC5440TGJ電驅固井車整車結構如圖1所示。其工作原理為：主副車架上的五缸柱塞泵由1臺變頻調速電動機通過傳動軸驅動，將混漿罐內滿足固井作業需求的水泥漿泵送至井筒內完成固井作業。通過動力匹配及載荷分布，將大功率的變頻調速電動機、柱塞泵、混漿罐等集成在副車架上。NC5440TGJ電驅固井車副車架采用邊梁式結構，該車架是由承載能力較強的2根縱梁和若干橫梁焊接而成。副車架與SITRAK 8×6裝載底盤主車架通過連接板實現固定。

圖1 NC5440TGJ電驅固井車結構示意圖

SITRAK 8×6裝載底盤主車架是由2根U形鋼材和8根橫梁通過螺栓連接組成，車架全長為11 520 mm，位于駕駛室端寬為946 mm，另一端寬為766 mm。副車架是由2根抗彎曲能力強的方鋼管和6根橫梁焊接組成（如圖2）。為了不破壞主車架的運載能力，連接板一端與副車架焊接另一端采用高強度的螺栓與主車架緊固。在出廠時，主車架力學性能由廠家進行檢測并獲得出廠合格證。副車架采用Q355E鋼材焊接而成，其屈服強度σs=355 MPa。

圖2 NC5440TGJ電驅固井車主、副大梁聯接

1.2 固井車車架力學分析

NC5440TGJ電驅固井車在水平路面上靜止或勻速行駛時，主副車架主要承受變頻調速電動機、高壓柱塞泵、裝滿清水的計量罐等固井設備的自重。副車架通過主車架上的懸掛系統與輪胎部分支撐在地面上。為了提高計算的精確度和計算效率，將車架所承載的所有固井設備及螺栓緊固件等效簡化為5個主要大部件，簡化后的質量分布情況如表1所示。NC5440TGJ電驅固井車力學模型如圖3所示。根據杠桿平衡法計算整車質心位置，以中后橋中心位置與底盤大梁上平面及車中軸線交匯點為基點（行車方向、大梁左側及垂直大梁向上為正），建立(x、y、z)坐標系，整車載荷分布計算表如表1所示。

表1 固井設備質量分布

NC5440TGJ電驅固井車車架受力分析如圖3所示。G1、G2、G3、G4、G5為簡化的5個主要大部件對車架施加的載荷，R1、R2、R3、R3f、R4為懸掛系統通過輪胎作用在車架處的支反力。根據系統平衡方程有：

圖3 NC5440TGJ電驅固井車車架力學模型

式中：L1、L2、L3、L4、L5為5個大部件G1、G2、G3、G4、G5的載荷作用點距車架尾端的距離，mm；R1為后懸掛系統對車架的支反力，N；R2、R3、R3f、R4為前懸掛系統通過輪胎對車架的支反力，N；L6為后懸掛中心距車架尾端距離，mm；L7、L8、L9、L10為前懸掛系統距車架尾端距離，mm。

由于R3和R3f為同一構件且距離非常近，于是有：

2 NC5440TGJ電驅固井車車架靜力學分析

2.1 4種工況下靜力學分析

固井車經常在凹凸不平的山路、泥濘的道路上運輸或施工作業，這使主副車架承受固井設備由于自身重力產生的靜態載荷外，還要承受緊急情況急剎車、緊急加速和急轉彎帶來的其它載荷，這些載荷可能會導致主副車架產生更嚴重的彎曲變形，從而導致失效。

1）滿載彎曲工況。用來計算固井車滿載固井設備（包括裝滿清水的水罐及灌滿水泥漿的泥漿罐）時，在水平的路面上靜止或勻速行駛時，車架承受全部固井設備的重力載荷時應力分布情況。在18°斜坡上行駛工況下，其動載系數取為1.2～1.5[9]。

2）滿載扭轉工況。滿載扭轉工況是用來計算固井車經過凹凸不平的路面時，某一車輪被迫抬起，車架受到固井設備的扭轉載荷作用。考慮動載荷問題，設置動載荷系數為1.5，參考依據見文獻[10]～[11]。

3）緊急制動工況。緊急制動工況是用來計算固井車在運輸作業過程中，遇到緊急情況需要緊急剎車或緊急加速時，車架不僅承受固井設備自身重力外，還要承受固井設備由于行駛狀態突然改變產生的與行駛方向相反的慣性載荷及地面對輪胎產生的制動力。

4）緊急轉彎工況。緊急轉彎工況是用來計算滿載固井設備的固井車緊急轉彎時，固井設備產生的側向離心力對車架產生的破壞。在轉彎時假定其車輛橫向加速度為7.8 m/s2，動載系數為1.5，參考依據見文獻[12]～[13]。

2.2 4種工況有限元分析結果比對

基于上述NC5440TGJ電驅固井車在移運或現場施工作業時比較常見的4種工況下的受力和約束，對主副車架完成材料設定、網格劃分、載荷與約束添加等前處理操作后，得到4種工況下的變形云圖（如圖4）和4種工況下的應力分布云圖（如圖5）。

圖5 車架在4種工況下的應力分布云圖

由NC5440TGJ電驅固井車車架在4種工況下的變形云圖（如圖4）可以看出，車架在4種工況下，尾部變形都很大。這是由于車架尾端相對于第四橋來說，距離較遠，尾端懸空。而且在車架尾端布置有高壓柱塞固井泵及4 m3容積的混漿罐及混合器。滿載時，該區域載荷也比較大。這4種工況中，最大變形出現在滿載扭轉工況下，其最大變形量為2.7 mm，小于《汽車發動機定型-試驗規程》中所規定的最大變形參考值[14]。這說明車架具有足夠高的剛度來抵抗變形，同時也說明滿載扭轉這一工況是存在安全隱患的，行駛中應該避免。

圖4 車架在4種工況下的變形云圖

由NC5440TGJ電驅固井車車架在4種工況下的應力分布云圖（如圖5）可以看出，車架在滿載彎曲工況，緊急制動工況和緊急轉彎工況下，最大應力均處于后懸架與主車架連接位置處，最大應力值分別為271.70、253.89、279.89 MPa，這是因為該處布置有高壓柱塞固井泵及混漿罐和混合器。滿載扭轉工況，最大應力出現在車架被抬起的縱梁部位與橫梁焊接位置處，最大應力達到292.05 MPa。上述4種工況的最大應力值均小于車架材料Q355E的屈服應力值。

3 結構改進與優化

經過對NC5440TGJ電驅固井車車架靜力學分析可知，滿載固井設備的固井車尾部變形量較大，后懸掛與主車架連接位置處容易出現應力集中。為了解決上述問題，通常采用在主車架下部增加一塊加強板，該加強板通過螺栓與主車架連接。連接形式如圖6所示。

圖6 NC5440TGJ 電驅固井車車架改進示意圖

經過動力學分析可知，車架的第4階次和第5階次頻率在發動機正常工作范圍內，由第4階次和第5階次模態振型圖可知，極易在車架前端與發動機連接處發生共振，為避免共振發生，通常采用腹板將車架開口連接處焊接封閉成口字型。這兩處改進措施獲得了用戶的極大好評。

4 結論

1）靜力學分析研究了固井車在滿載彎曲、滿載扭轉、緊急制動和緊急轉彎等4種工況下載荷和約束分布，獲得了4種工況下的應力、變形云圖。固井車在運移運過程中，滿載扭轉工況下應力、變形最大。其最大應力為292.05 MPa，小于車架材料Q355E的屈服極限355 MPa。最大變形為2.7 mm，遠小于《汽車發動機定型-試驗規程》中所規定的最大變形參考值。4種工況下車架均滿足強度、剛度的使用要求。

2）動力學研究了車架對非恒定載荷的激勵，采用模態分析，獲得了車架的固有頻率及振型圖，為固井設備在車架上的布局及固井設備的使用提供指導。然后在此基礎上，研究了在固井泵的激勵下車架尾部的變形響應和應力響應，并確定固井泵在1.5 Hz作業與車架容易引起共振。

3）通過對NC5440TGJ電驅固井車車架進行靜力學和動力學分析，發現車架尾部變形量大，后懸掛與主車架連接位置處容易出現應力集中及車架中部固井泵安裝位置容易引起共振的問題，提出主車架下部增加一塊加強板，該加強板通過螺栓與主車架連接。改進措施獲得了用戶好評。