YC450（PSL2）游動滑車結構設計及強度分析

惠川川， 李洪波， 廖剛， 王文君， 晉小慶， 梁順安

（寶雞石油機械和國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

YC450（PSL2）游動滑車結構設計及強度分析

惠川川， 李洪波， 廖剛， 王文君， 晉小慶， 梁順安

（寶雞石油機械和國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

為符合探傷檢驗要求，設計開發(fā)了符合API 8C PSL2級的超深井鉆機配套作業(yè)的YC450游動滑車（簡稱游車），對常規(guī)游車在結構上進行了改進，并通過UG NX7.5建模，應用有限元法進行分析，采用ASMEⅧ規(guī)范進行強度校驗。結果表明，此游車在強度上滿足ASMEⅧ規(guī)范要求，結構上滿足API 8C PSL2級質量要求。

游車；PSL2；結構設計；有限元

0 引言

游動滑車，是鉆機起升系統(tǒng)的重要組成部分。它與天車、大鉤、水龍頭等配套使用。在鉆井過程中，主要用于懸吊和起下鉆柱桿、更換鉆頭、下套管等作業(yè)。目前廣泛使用的YC450游車基本上都是PSL1級，且結構形式基本相同，大多采用在受力側板上焊接耳板的結構，焊縫多采用角焊縫（如圖1所示）。這種結構易于滿足API 8C PSL1級對焊縫的磁粉探傷要求，且不需進行超聲波探傷。而API 8C PSL2級要求所有的焊縫需進行磁粉及超聲波探傷，受探傷條件要求，焊縫盡可能采用全熔透焊縫，而對于游車側板而言，鋼板厚度較大，實現(xiàn)全熔透焊縫比較困難，焊接費時費力，焊縫質量很難保證，焊縫的超聲波探傷不易實現(xiàn)，也不能滿足API 8C PSL2級質量要求。

基于此，筆者對常規(guī)游車的結構進行了改進，設計完成了符合API 8C PSL2級質量要求的新型游車結構，建模分析計算結果表明，強度滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。

圖1 YC450（PSL1）游車側板組幾何模型

1 結構設計

1.1 結構組成

YC450（PSL2）游車結構示意如圖2所示，幾何模型簡圖如圖3所示。主要由吊梁、滑輪、滑輪軸、左側板組、右側板組、提環(huán)座、連接銷、提環(huán)、提環(huán)銷等組成。

圖2 YC450（PSL2）游車結構示意圖

圖3 YC450（PSL2）游車幾何模型

圖4 提環(huán)座幾何模型

1.2 主要技術參數(shù)

最大鉤載：4500kN（500 US tons）；滑輪數(shù)：6；滑輪外徑：φ1524mm（60″）；鋼絲繩直徑；外形尺寸（長×寬×高）：3 110 mm×1 600 mm×920 mm；理論重量：8 709 kg。

1）該新型YC450（PSL2）游車摒棄了側板焊接耳板來連接主要受力零件的結構，采用高強度材料的整體鑄造的提環(huán)座結構（如圖4），提環(huán)座安裝在左右側板組之間下部，用2個連接銷貫穿側板組牢固地連接，提環(huán)銷的一端用開槽螺母及開口銷固定，方便拆卸。提環(huán)由2個提環(huán)銷牢固地連接在提環(huán)座上。提環(huán)與大鉤連接部分的接觸表面半徑符合API規(guī)范。提環(huán)銷的一端用開槽螺母及開口銷固定，當摘掛大鉤時，可以拆掉游動滑車的任何1個或2個提環(huán)銷。這種結構不但保證了游車整體結構的穩(wěn)定性，而且更易于進行磁粉和超聲波探傷，滿足API 8C PSL2級要求。

2）該YC450（PSL2）游車滑輪軸采用空心光軸結構，兩端用壓板壓緊，螺栓緊固。結構簡單，加工方便、經濟。而在軸縱向中心部位鉆有6個潤滑通道，與6個軸承的單獨潤滑油道相對應連通。這種潤滑方式結構簡單，實現(xiàn)了軸承的獨立潤滑，保證了游車在使用過程中良好的潤滑效果，大大減少了游車的檢修維護周期。

3）為防止泥漿等污物進入游車內部，在游車兩側裝有護罩。護罩通過護罩銷及絲堵與左右側板連接起來。為防止鋼絲繩跳繩，在左右側板組上還焊有下護板，保證鋼絲繩安全工作。

2 強度分析

根據(jù)API 8C規(guī)范的相關規(guī)定，該游車的主要承載件有：左右側板組，滑輪軸，提環(huán)座，提環(huán)，提環(huán)銷，滑輪。由于吊梁等其他附件在游車分析中不承受主要載荷，故在此將其做一些簡化處理。UG NX軟件在建模過程中有其特殊的靈活性和便利性，故筆者通過該軟件對YC450（PSL2）游車建立三維模型。而后將此三維模型導入ANSYS14.0分析軟件進行整體受力分析，再采用ASMEⅧ標準對分析結果進行判定。根據(jù)ASME規(guī)范中的應力分類理論，應力云圖中最大應力點的等效應力是由一次薄膜應力、一次彎曲應力、二次應力和應力集中引起的峰值應力疊加而成。危險截面為過最大應力點、沿破壞趨勢最明顯的截面，此截面的薄膜應力、彎曲應力、薄膜應力+彎曲應力和總應力應分別滿足公式要求［2］。

式中：分析時取應力系數(shù)K=1；Pm為一次薄膜應力；Pb為彎曲應力；Pm+Pb為一次薄膜應力+彎曲應力；Pm+Pb+Q為一次薄膜應力+彎曲應力+峰值應力，即總應力。公式Sm= σb/3.0中，Sm為許用應力，σb為材料的強度極限。

2.1 有限元分析模型

將YC450（PSL2）游車主要承載件在裝配模式下進行有限元分析，該游車為左右對稱結構，為了減少計算單元，減少解方程的個數(shù)，節(jié)省計算時間，取1/4模型進行分析計算，有限元裝配模型如圖5所示。其中，實體網格劃分選用三維實體單元SOLID186、SOLID187，在互相接觸的部位采用接觸單元CONTA174、TARGE170。網格劃分后共劃分單元數(shù)為41 886，節(jié)點數(shù)為158 949。對有限元模型進行檢查，顯示無失敗單元，所以網格劃分成功。

圖5 YC450游車（PSL2）主承載件裝配體有限元模型

2.2 約束及載荷

油水煮法所適用的原料一般是纖維較短、質地細嫩、異味較小的鮮活原料，且必須加工切配為符合煮制要求的規(guī)格形態(tài)，如絲條、片、塊、丁等。菜肴一般均帶有比較多的湯汁，為半湯菜。而且加熱時間不能太長，防止原料過度軟散失味。

由圖2和圖3所示可知，滑輪軸上并列裝有6個滑輪，兩側通過左右側板連接，側板上部通過吊梁銷連接，側板下部裝有提環(huán)座、提環(huán)及提環(huán)銷，游車整體剛度對稱。因此取游車模型的1/4進行分析。因為游車與大鉤是通過各自的提環(huán)、吊環(huán)進行連接，所以在建模時加入同級別大鉤的吊環(huán)與游車一起進行裝配分析。如圖6所示，在大鉤吊環(huán)下端面施加固定約束Fixed Support A，約束其全部自由度，同時，在滑輪軸上施加1/4額定載荷，根據(jù)其實際工作情況采用軸承載荷Bearing Load B，大小為1125kN（額定載荷為4500 kN），方向豎直向上。

圖6 裝配體約束及載荷示意圖

2.3 額定載荷下計算結果及強度校核

該YC450（PSL2）游車的提環(huán)座為本次設計的一個亮點，而左右側板在設計過程中也做了相應的改進，它們的強度對整個游車的影響較大，故在此需對提環(huán)座及與之連接的左右側板強度進行詳細分析，以驗證其可靠性，保證游車的設計強度滿足要求。

2.3.1 提環(huán)座

圖7 提環(huán)座Mises應力分布云圖

提環(huán)座幾何模型如圖4所示，其材料為高強度合金鋼，力學性能指標取σb≥655 MPa，σs≥520 MPa。在額定載荷下，提環(huán)座的Mises應力分布如圖7所示，由圖示情況可知，提環(huán)座的2個銷孔位置周圍的應力值較高，最大應力值為506.48MPa，其余大部分應力在56.391～112.65MPa。實際工作時，游車整體受到的拉伸應力也正好分布在目前分析的應力集中位置。說明分析與實際工作相符。本文在應力最大點與應力最小點之間建立兩條危險路徑，即如圖8、圖10所示的提環(huán)座在額定載荷下的線性化路徑一、線性化路徑二，兩條危險路徑計算結果如圖9、圖11所示。

圖8 提環(huán)座額定載荷下線性化路徑一

圖9 提環(huán)座額定載荷下線性化結果一

圖10 提環(huán)座額定載荷下線性化路徑二

圖11 提環(huán)座額定載荷下線性化結果二

根據(jù)ASME規(guī)范及其公式要求，計算得Sm=σb/3= 655/3=218.3 MPa。分析中取系數(shù)k=1.0。1.5kSm=1.5×1.0× 218.3=327.5 MPa；3Sm=3×218.3=655 MPa。

1）通過模型計算得到額定載荷下線性化路徑一：Pm=122.72 MPa，Pb=135.91 MPa，Q=160.13 MPa，Pm+Pb+Q= 414.78 MPa。根據(jù)ASME規(guī)范設計準則對其在額定載荷下線性化路徑校核結果一：

2）通過模型計算得到額定載荷下線性化路徑二：Pm=156.03 MPa，Pb=102.76 MPa，Q=35.52 MPa，Pm+Pb+Q= 288.3 MPa。根據(jù)ASME規(guī)范設計準則對其在額定載荷下線性化路徑校核結果二：

通過以上兩條危險路徑的計算，結果表明在額定載荷作用下，提環(huán)座的強度滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。說明提環(huán)座的設計滿足強度要求。

2.3.2 左（右）側板銷孔處

提環(huán)座通過連接銷與左（右）側板相連，故對左（右）側板進行強度分析，以確定其可靠性。左（右）側板材料為低合金高強度鋼板，力學性能指標取σb≥501 MPa，σs≥315 MPa。在額定載荷下，左（右）側板的Mises應力分布如圖12所示，由圖示情況可知，左（右）側板的下部銷孔位置周圍的應力值較高，最大應力值為338.42 MPa，其余大部分應力在37.633～75.231 MPa。本文在應力最大點與應力最小點之間建立一條危險路徑，即如圖13所示左（右）側板線性化路徑，危險路徑計算結果如圖14所示。

圖12 提環(huán)座Mises應力分布云圖

圖13 左（右）側板額定載荷下線性化路徑

圖14 左（右）側板額定載荷下線性化結果

根據(jù)ASME規(guī)范及其公式要求，計算得Sm=σb/3=501/ 3=167 MPa。分析中取系數(shù)K=1.0。1.5KSm=1.5×1.0×167= 250 MPa；3Sm=3×167=501 MPa。

通過模型計算得到額定載荷下線性化路徑二：Pm=82.64 MPa，Pb=157.52 MPa，Q=109.16 MPa，Pm+Pb+Q= 344.5 MPa。根據(jù)ASME規(guī)范設計準則對其在額定載荷下線性化路徑校核結果：

通過該危險路徑的計算，結果表明在額定載荷作用下，左（右）側板的強度滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。說明左（右）側板的強度滿足設計條件。

3 結論

1）YC450（PSL2）游車提環(huán)座采用特種材料、新技術、新工藝，解決了API 8C PSL2級產品探傷要求很難滿足的問題。

2）通過UG NX7.5建模，導入ANSYS14.0進行有限元分析，在額定壓力下，YC450（PSL2）游車的強度設計滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。證明建立的有限元模型是正確的。各項性能指標均達到設計要求，且該游車具有結構緊湊、合理及維護方便等特點。

3）通過改變各主承載件高應力部位的結構，使得該游車在滿足安全和使用要求的前提下具有最優(yōu)的幾何結構。有限元分析方法有助于設計人員進一步了解設計的合理性和可靠性，節(jié)省了試驗成本。

4）該新型YC450（PSL2）游車目前已投入油田使用，該產品提高了YC450游車的質量等級，滿足了用戶的多樣化需求。

［1］ API SPEC 8C，Specification for Drilling and Production Hoisting Equipmen（tPSL1 and PSL2）［S］.

［2］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code（sectionⅧDivision 2）［S］.SI Edition，2001.

［3］ 陳義厚，李建文.YC450游動滑車零部件的有限元強度分析［J］.機械制造與自動化，2010，39（2）：76-79.

［4］ 楊西萍.YC585游動滑車的安全性能評定［J］.機械制造與研究，2013，26（123）：41-43.

［5］ 黃咸璞，黨元，高峰.YG135整體式游車大鉤的設計［J］.石油礦場機械，1996，25（5）：11-16.

［6］ 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2010：33-88.

（編輯昊 天）

Structure Design and Strength Analysis of YC450（PSL2）Travelling Block

HUI Chuanchuan,LI Hongbo， LIAO Gang,WANG Wenjun,JIN Xiaoqing， LIANG Shunan
（National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center,Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002，China）

In order to meet the requirements of defect detection,self-contained YC450 (API 8C PSL2 grade)travelling block for ultra-deep drilling rig PSL2 is designed,and the structure of traditional travelling block is improved.Through UG NX7.5 modeling and finite element method analysis,the ASMEⅧ specification is used to test strength.The result show that,the travelling block strength can meet requirements of the ASME Ⅷ specification,and satisfiy the requirement of API 8C PSL2 grade the quality on the structure.

travelling block;PSL2;structure design;finite element

TE 92

A

1002－2333（2014）05－0170－04

惠川川（1985—），男，助理工程師，從事石油機械裝備的設計與研究工作。

2014-02-22