整體式游車大鉤的振動特性分析研究*

馬春亮

(襄陽汽車職業技術學院，湖北 襄陽 441000)

關鍵字:提升系統；游車大鉤；振動特性；模態分析；諧響應分析；ANSYS

0 引 言

游車大鉤是石油鉆機提升系統的重要組成部分，其與天車水龍頭(頂驅)等配套使用[1]。 目前廣泛使用的游車大鉤基本上是API 8C PSL1 級[2]。 整體式的游車大鉤將獨立的游車和大鉤合二為一，可以完成獨立的游車和大鉤所擔負的各項功能。 其省去游車的下提環和大鉤的吊環以及銷軸等零部件。 游車大鉤可以對筒體內部的彈簧以及液壓裝置起到緩沖作用[3]。

游車大鉤是一個靜力學和動力學特性十分復雜的零部件[4]，如圖1。 當外部激振力的頻率和振型達到構件的某階固有頻率和振型時，就會發生峰值響應，相應的振幅 和 動 應 力 都 會 增 大[5]。 以ZJ40DB 配套使用的YG225 為研究對象進行振動特性分析，以此方法作為設計衡量游車大鉤工作性能的一個標準，同時為游車大鉤的動態設計提供參考依據。

圖1 游車大鉤幾何模型

1 游車大鉤運動分析

YG225 游車大鉤，見圖1，其結構參數見表1。

表1 游車大鉤結構參數

ZJ40DB 采用JC40DB 交流變頻絞車起下鉆，結合ZJ40DB 交流變頻電驅動鉆機的提升系統，經過計算得到提升特性曲線如圖2。 由圖可知游車大鉤的速度在0～0.30 m/s 時，鉤載是2 250 kN 恒定不變，在這期間可以起升最大載荷，也是最容易失效的階段。所以，就起升階段對游車大鉤的振動特性進行分析。

圖2 提升速度、載荷曲線

2 振動特性分析

在這些外部激勵條件下，比如:絞車的低頻振動、鋼絲繩的振動、水龍(頂驅)的振動以及風振，都會導致游車大鉤的振動特性比較復雜，所以分析游車大鉤的振動特性尤為必要，游車大鉤整體結構的動力平衡方程為[6-7]:

式中:[M]、[C]、[K]為結構的總質量矩陣、阻尼矩陣和總剛度矩陣；為節點加速度矢量、速度矢量和位移矢量；{Fa}為結構外載荷矢量。

密度決定了質量矩陣，材料屬性、單元的幾何性質決定了剛度矩陣。 所以在ANSYS 中進行模態分析和諧響應分析時，要對材料的特性(密度、彈性模量、泊松比)與單元類型進行定義來確定質量矩陣和剛度矩陣。

游車大鉤在正常工作的過程中主要承載件是滑輪、滑輪軸、中間體銷軸、中心軸、鉤體銷軸以及鉤身。滑輪鉤身與其他零部件接觸頻繁，故對其建立有限元模型進行有限元分析。 材料對應的力學性能見表2。

表2 游車大鉤材料力學性能

2.1 滑輪的有限元分析

游車大鉤在起吊過程中快繩纏繞的滑輪運動速率快，承受動載荷頻繁[8]。 結合實際工作情況，求出滑輪的線速度和角速度見表3。 建立滑輪有限元模型，見圖3，對其進行預應力模態分析與諧響應分析。

圖3 滑輪有限元模型

表3 滑輪運動情況

滑輪線速度和角速度計算公式為:

式中:Vi為滑輪的切向速度；V為大鉤速度，V＝0.30 m/s；Z為繩數，Z＝10；ωi為滑輪轉速；D為滑輪直徑D＝915 mm。

根據邊界條件進行模態分析得到滑輪前15 階模態固有頻率，見表4。

表4 滑輪固有頻率

滑輪4 階振型云圖見圖4，由模態分析的振型云圖可以看出:滑輪四周的振幅較大，振動明顯。

圖4 滑輪4 階振型云圖

經過處理得到最大應力節點編號是8 493，通過時間歷程處理器POST 26 可以得到最大應力點位移與激勵頻率的關系，如圖5、6 所示。

圖5 8 493 節點位移頻率關系

圖6 8 493 節點應力頻 率關系

由圖5、6 可知:最大應力點在頻率為350 ～400 Hz 之間出現了明顯的共振現象并且應力相對較大，此時滑輪出現了嚴重的扭轉現象。 所以外界的激勵頻率應避免在此范圍，盡量使游車大鉤在低頻狀態下工作。

2.2 鉤身的有限元分析

游車大鉤的鉤身在工作過程中是與動力水龍頭直接接觸的零部件，在承受力的過程中最容易發生斷裂。 根據游車大鉤的運動情況，見表5，建立大鉤有限元模型，見圖7，對其進行預應力模態分析與諧響應分析。 鉤身的前15 階模態固有頻率見表6。

圖7 鉤身有限元模型

表5 游車大鉤運動情況

表6 鉤身固有頻率

根據各階的頻率和振型，可以觀察到哪些部位的振幅較大，哪些部位影響整體的振動特性，從而可以提出改進的建議。 并且可以通過振型云圖，見圖8，了解到鉤舌部位的振幅交大，說明該部位應該增加剛度。

圖8 鉤身9 階振型云圖

經過處理得到最大應力節點編號是2 222，通過時間歷程處理器POST 26 可以得到最大應力點位移與激勵頻率的關系如圖9、10 所示。

圖9 2 222 節點位移頻率關系

節點2 222 處于鉤舌受力部分，圖9 是受力端z方向位移與激勵頻率關系，由圖可知在給定計算的激勵頻率內存在兩個明顯的共振頻率(2 100 ～2 500 Hz)，且第一個峰值大于第二個峰值。 圖10 是受力端應力與頻率關系，從圖中可以得到峰值最大的兩個頻率處應力最大，也容易發生失效。

圖10 2 222 節點應力頻 率關系

3 結 語

利用ANSYS 有限元分析軟件對整體式游車大鉤的主要承載件滑輪和鉤身進行了動力學分析，通過模態分析分別得出了滑輪和鉤身的前15 階固有頻率和相應的振型。 從振型云圖可以分析出滑輪和鉤身的動態性能，可以反映整體式的振動特性，找到結構的薄弱環節。 通過諧響應分析，找到了滑輪和鉤身容易發生共振的頻率，為游車大鉤的結構優化設計及改進提供了理論依據。