JJ450/45-K型井架起升過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析

朱 玄,吳 強(qiáng),尹雪霏

(遼河石油裝備制造總公司,遼寧盤(pán)錦124010) *

JJ450/45-K型井架起升過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析

朱 玄,吳 強(qiáng),尹雪霏

(遼河石油裝備制造總公司,遼寧盤(pán)錦124010)*

JJ450/45-K型井架是ZJ70/4500DBF型鉆機(jī)的重要組成部件之一,主要分析了JJ450/45-K型井架起升裝置模型的動(dòng)態(tài)特性。在不同絞車(chē)轉(zhuǎn)速下,對(duì)井架起升過(guò)程中角速度和角加速度進(jìn)行分析,得出了絞車(chē)轉(zhuǎn)速對(duì)起升過(guò)程的影響規(guī)律;對(duì)起升過(guò)程中井架主體的受力進(jìn)行分析,得出了井架的最大受力位置,為井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

井架;起升;動(dòng)態(tài)特性

井架在起升過(guò)程中承受自重產(chǎn)生的彎曲載荷和動(dòng)載荷,是井架受力最為惡劣工況之一,許多不確定性因素可能導(dǎo)致起升裝置發(fā)生失效和破壞[1]。本文利用ADAMS建立鉆機(jī)井架起升裝置動(dòng)力學(xué)模型,模擬井架起升過(guò)程,獲得給定絞車(chē)轉(zhuǎn)速下井架的起升速度和加速度變化曲線,分析井架在起升過(guò)程中最易發(fā)生危險(xiǎn)的部位,獲取井架各關(guān)鍵部位的受力狀況,以期對(duì)井架起升裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 仿真模型的建立

1.1 井架主體Pro/E實(shí)體建模

井架起升裝置包括井架、人字架、絞車(chē)、天車(chē)、游車(chē)、大鉤、三角架、起升大繩、絞車(chē)鋼絲繩等。本文只對(duì)重要零部件進(jìn)行三維建模,在Pro/E中建立并裝配成的井架主體模型如圖1所示,主要包括左、右側(cè)井架、背橫梁、斜拉桿、井架起升導(dǎo)向滑輪,忽略了籠梯、防碰裝置、逃生裝置及一些次要結(jié)構(gòu)。

圖1 井架主體實(shí)體模型

1.2 幾何模型導(dǎo)入ADAMS

本文采用 Pro/E接口模塊Mech/Pro,該模塊是連接Pro/E和ADAMS之間的橋梁,二者采用無(wú)縫連接的方式,使 Pro/E用戶(hù)不必退出其應(yīng)用環(huán)境,就可以將裝配總成根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義為機(jī)構(gòu)系統(tǒng),進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,并進(jìn)行干涉檢查,確定運(yùn)動(dòng)鎖止的位置,計(jì)算運(yùn)動(dòng)副的作用力。

井架起升裝置模型較大,而且比較復(fù)雜,因此采用Pro/E接口模塊。模型裝配好后,首先需要將質(zhì)量單位改為 kg,才能將幾何模型成功導(dǎo)入 ADAMS。基于從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則,先將井架主體設(shè)為一個(gè)剛體,將其他起升時(shí)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件分別設(shè)為剛體,例如各滑輪、滾筒、游車(chē)和大鉤做為一個(gè)剛體(不包括游車(chē)上的滑輪);再在必要的地方建立 Marker點(diǎn),例如井架底部鉸支座的中心處,目的是方便在ADAMS中添加運(yùn)動(dòng)副。完成這些工作后便可將整體幾何模型導(dǎo)入ADAMS中,結(jié)果如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入ADAMS環(huán)境的井架起升裝置模型

2 井架起升速度及加速度分析

在井架起升過(guò)程中,絞車(chē)必然歷經(jīng)加速、勻速、減速階段,而且轉(zhuǎn)速變化不能太過(guò)劇烈。因此,給定絞車(chē)轉(zhuǎn)速曲線如圖3～4所示。

圖3 絞車(chē)轉(zhuǎn)速曲線一

圖4 絞車(chē)轉(zhuǎn)速曲線二

其中勻速階段速度分別設(shè)為360、720(°)/s,為敘述方便分別命名為工況一、工況二來(lái)研究不同工況下井架的起升速度和加速度變化情況。這里,取井架左下段剛體為分析對(duì)象。另外,絞車(chē)在起升過(guò)程中急停、急剎工況時(shí)井架的響應(yīng)也需要做一定的分析。

2.1 工況一井架起升分析

此時(shí),絞車(chē)輸入以驅(qū)動(dòng)形式給定,即Motion,其函數(shù)表達(dá)式為:Velocity=STEP(time,0,0d,20, 360d)-STEP(time,140,0d,176.5,360d)。在起升初始階段0～25 s時(shí)間內(nèi),采用小步長(zhǎng)0.01 s,后面采用大步長(zhǎng)0.1 s。首先進(jìn)行靜平衡分析,然后再運(yùn)行0～180 s的動(dòng)力學(xué)仿真。

井架左下段在起升全程速度變化曲線如圖5所示,此速度是該段井架相對(duì)于底端鉸支座的轉(zhuǎn)速。由圖5可以看出,井架總體接近加速、勻速、減速過(guò)程,由于井架起升裝置是一多自由度系統(tǒng),井架起始速度響應(yīng)有一定的滯后,而且初始振動(dòng)較大。由于阻尼的作用,振動(dòng)會(huì)逐漸衰減,在50 s后曲線趨于平滑,速度在0.55～0.60(°)/s之間緩慢變化,先下降后增加。140 s以后速度逐漸開(kāi)始減緩,直至最終靠上人字架停止起升。可見(jiàn),絞車(chē)轉(zhuǎn)速保持勻速時(shí),井架起升不是一個(gè)勻速過(guò)程,存在非線性關(guān)系。

圖5 井架起升速度曲線(360(°)/s)

對(duì)上述速度曲線進(jìn)行微分處理,得到如圖6所示的井架左下段加速度變化曲線。顯然,初始階段由于振動(dòng)的存在加速度變化比較劇烈,加速度峰值達(dá)到0.562 9(°)/s2,說(shuō)明井架起升初始階段為危險(xiǎn)工況。中間階段加速度很小,接近為0。后期井架靠放到液壓緩沖裝置和人字架上時(shí),加速度又出現(xiàn)一定的波動(dòng),但不至于出現(xiàn)初始階段劇烈的振動(dòng)。

2.2 工況二井架起升分析

絞車(chē)輸入轉(zhuǎn)速M(fèi)otion函數(shù)表達(dá)式如下:Velocity=STEP(time,0,0d,20,720d)-STEP(time,65, 0d,103,720d)。0～25 s時(shí)間內(nèi),仍采用小步長(zhǎng)0.01 s,后面采用大步長(zhǎng)0.1 s。首先進(jìn)行靜平衡分析,然后再運(yùn)行0～110 s的動(dòng)力學(xué)仿真。

圖6 井架起升加速度曲線(360(°)/s)

圖7為絞車(chē)輸入為工況二時(shí)的起升速度變化曲線。起升初始階段仍與2.1節(jié)情況相似,都存在比較明顯的整體振動(dòng)。在井架起升中間階段,速度在1.2～1.3(°)/s,速度波動(dòng)幅度有所減小,但仍然存在比較大的振動(dòng),這顯然不利于井架的起升。在逐步靠放井架時(shí),情況與前面類(lèi)似。從如圖8所示的起升加速度曲線中可以更加明顯地看出,井架在全程都有較大的振動(dòng),而且峰值達(dá)到0.890 6(°)/s2。

圖7 井架起升速度曲線(720(°)/s)

圖8 井架起升加速度曲線(720(°)/s)

2.3 2種工況分析結(jié)果的對(duì)比

在絞車(chē)輸入轉(zhuǎn)速不同情況下,井架從低位起升到高位所需時(shí)間不同,在360(°)/s轉(zhuǎn)速時(shí)需要180 s,而在720(°)/s轉(zhuǎn)速下需要110 s。為便于比較,只對(duì)2種情況下加速度曲線進(jìn)行分析比較,取0～75 s段考慮,如圖9所示。從圖中曲線及以上分析可以得出:絞車(chē)輸入轉(zhuǎn)速越大時(shí),井架起升速度波動(dòng)越大,整體振動(dòng)也就越大。因此,絞車(chē)轉(zhuǎn)速對(duì)起升過(guò)程動(dòng)態(tài)特性影響較大,為保證平穩(wěn)起升,在實(shí)際操作中絞車(chē)的轉(zhuǎn)速要盡量減小。

圖9 2種工況下起升加速度對(duì)比

3 井架受力分析

井架的受力可分為外力和內(nèi)力。井架所受外力主要在底部鉸支座、起升大繩鉸接位置等處;由于井架是多剛體模型,因此內(nèi)力只能通過(guò)查看剛體連接處GFORCE的受力情況。

3.1 井架承受外力

圖10為井架左、右絞車(chē)座的受力幅值隨時(shí)間變化曲線。由圖10可以看出,由于井架主體結(jié)構(gòu)左、右不完全對(duì)稱(chēng),質(zhì)量分布也不完全對(duì)稱(chēng),從而導(dǎo)致底部鉸支座的受力有一定差別,左鉸支座受力要大于右鉸支座,二者差值隨井架起升逐漸變小。二者最大受力都出現(xiàn)在井架即將起升的初始位置(此時(shí)起升角為0°,但支架支撐力為0),左鉸支座最大受力為1.40×106N,右鉸支座最大受力為1.34×106N。

圖10 井架左、右鉸支座受力幅值

圖11為左鉸支座受力在 x、y、z向上的分量。其中,x為水平向右方向,y為豎直向上方向,z為銷(xiāo)軸向外方向。可以看出,x向受力逐漸減小,而且當(dāng)井架重心越過(guò)鉸支點(diǎn)跑到左邊時(shí),井架受力變?yōu)槌痻負(fù)方向;y向分量開(kāi)始逐漸增大,當(dāng)快繩拉力逐漸變小時(shí),又緩慢變小,最后穩(wěn)定在某一值,該值主要是由自重產(chǎn)生的;由于不對(duì)稱(chēng)性,z向有一定的分量,但相對(duì)于其他2個(gè)方向的分量數(shù)值很小。

圖11 井架左鉸支座受力各向分量

3.2 井架主體內(nèi)力

根據(jù)已有的有限元分析結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)論[2-6],起升工況時(shí),井架內(nèi)部受力最大位置發(fā)生在井架下段折彎處立柱上。因此,這里取與左下段井架相連的一段井架剛體進(jìn)行分析,主要考查該段井架立柱上的4個(gè)GFORCE力元受力幅值大小,具體位置如圖12所示。圖中左上、左下、右上、右下處4個(gè)GFORCE名稱(chēng)分別為:G1_LD4A5、G2_LD4A5、G1_LD4_3A4、G2_LD4_3A4。前2個(gè)力元處為井架左下段與左中下段間立柱的連接位置,后2個(gè)力元能反映左中下段后、前立柱的內(nèi)力。

圖12 井架內(nèi)力最大位置

在后處理中提取這4個(gè)力元的力幅隨時(shí)間變化曲線,如圖13所示。該段井架在起升過(guò)程中前立柱受拉,后立柱受壓。由圖13可以看出:后立柱上所受壓力G1_LD4_3A4要比 G1_LD4A5處大,而前立柱上所受拉力G2_LD4_3A4要比G2_LD4A5處大,而且受拉比受壓大得多。G2_LD4_3A4處拉力最大值達(dá)到9.62×105N。

圖13 井架左中下段受力曲線

圖14為這4個(gè)力元上的合力彎矩大小隨時(shí)間變化曲線,力矩的大小相對(duì)關(guān)系和上述分析類(lèi)似,也是G2_LD4_3A4的彎矩最大,最大值為1.21×106N·m。可以看到,最大彎矩出現(xiàn)在起升過(guò)程中間階段,而不是初始位置。

圖14 井架左中下段所受力矩

3.3 井架最大受力位置分析

井架在起升過(guò)程中受力較大位置主要集中在底部鉸支座處、起升大繩懸掛處、井架中下段立柱等位置。其中,底部鉸支座受力最大值為1.40×106N,起升大繩懸掛點(diǎn)受力最大值達(dá)6.99×105N,井架中下段受力最大值達(dá)到9.62×105N,同時(shí)彎矩最大值達(dá)到1.21×106N·m。綜合分析得出,井架起升時(shí)最大應(yīng)力應(yīng)該出現(xiàn)在井架底部鉸支處和下段、中下段前立柱上,從而成為易發(fā)生破壞的位置。因此,在設(shè)計(jì)井架時(shí),需要充分考慮這些位置桿件的強(qiáng)度以滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

鉆機(jī)井架起升裝置動(dòng)力學(xué)建模完成后,需要通過(guò)仿真求解來(lái)獲知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,才能對(duì)系統(tǒng)的本質(zhì)有深入的研究。在保證模型及求解結(jié)果正確的情況下,分析結(jié)果可給設(shè)計(jì)者提供理論指導(dǎo),以改進(jìn)實(shí)際井架起升裝置中不合理的因素,得到最優(yōu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

[1] 魏 遼,顏廷俊,劉 宇.基于APDL的損傷缺陷對(duì)K形井架受力影響分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(3):5-8.

[2] 張學(xué)軍,張樹(shù)珺,陳孝珍.JJ22547型井架有限元靜動(dòng)力特性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(9):49-51.

[3] 張學(xué)軍,陳孝珍.ZJ70DB型鉆機(jī)井架起升過(guò)程有限元仿真分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(12):35-38.

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[6] 吳 昌,艾志久,陳海林,等.JJ250/42-K型井架動(dòng)態(tài)特性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(11):19-23.

Dynamic Analysis of Raising JJ450/45-K Rig Mast

ZHU Xuan,WU Qiang,YIN Xue-fei
(Liaohe Pertroleum Equipment Company,Panjin124010,China)

JJ450/45-K rig mast is the main component of ZJ70/4500DBF rig.The dynamic performance of raising JJ450/45-K rig mast was made,and the angular velocity and angular acceleration at different draworks revolution and obtained effective to the raising.The analysis of load on mast gave the maximum load up on mast to provide the data for mast strength.

drilling derrick;raising;dynamic performance

1001-3482(2010)12-0041-04

TE923

A

2010-06-29

朱 玄(1974-),男,甘肅民勤人,工程師,主要從事石油設(shè)備的技術(shù)和管理工作。