21 m井架額定鉤載受力解析與穩定力矩數值計算

徐瑞波

（大慶油田有限責任公司井下作業分公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

XJ-250作業機是大慶油田主力作業機型，對油井作業起著至關重要的作用。近些年為了適應壓裂管柱和其它下井工具長度增加的生產需要，新購入的XJ250作業機井架高度采用21 m結構形式，比原來18 m井架高出3 m，3 m的高度變化對井架起立傾角、井架實際受力狀態，以及對作業機整體的穩定產生一定影響，有的井隊甚至發生了作業機整體傾翻事故，造成了較大經濟損失。由于購入的21 m井架XJ250作業機，廠家沒有給提供詳細的受力狀態數據表，導致作業機在安裝和運行中僅能夠參照數據不夠明確，與實際操作有一定偏差的使用說明書，這就使21 m井架XJ250作業機的安裝、使用帶來了一定的困難。為了解決無井架受力數據的問題，本文對井架實際受力狀態進行了解析和相關數據的計算。

1 21 m井架實際受力狀態解析

1.1 井架受力種類描述

正常情況下井架承受負荷繃繩拉力，鉤載負荷拉力，防風繃繩拉力，以及風吹產生的推力。其中負荷拉力又會分解為井架后向拉力，井架順向壓力，井架基座垂直壓力，井架基座水平橫向推力。只有這些力或分力小于穩定狀態力數值時，井架才會處于安全運行狀態。

1.2 作業機現場實際安裝狀態

（1）正常情況下，作業機車尾與井口間需要留有一定的距離，以保證給井口操作留有適當的空間（圖1）。

（2）不同井架傾角情況下，車尾千斤中心距離井口的距離是 3°為 1.1 m，4.5°為 1.65 m，5°為 1.87 m；最大鉤載（67.5 t）在井架垂直方向上形成的拉力為3°為 3.533 t，4.5°為 5.296 t，5°為5.883 t（圖2）。從表1中可以看出井架后向傾角越大，井架后傾拉力就越大，當這一力量達到一定程度時，其造成的后傾力矩就會導致井架向后傾翻。

圖1 作業機現場安裝狀態

（3）傾角為5°，最大鉤載（67.5 t）時，井架基座存在向車頭方向5.86 t的推力，垂直向下壓力66.98 （t圖3）。當鉤載數值一定時，傾角越大井架基座承受的向前推力就越大，使作業機整體有向車頭方向滑動的趨勢。當這一數值大于最大滑動力時，作業機就會發生滑動，同時井架就會向后傾翻。因此，在設備安裝時，必須保證井架基礎的牢固。當鋪墊鋼質基礎時，應在井架基座與基礎減添加一定量的泥土，保證基座與基礎具有較大的摩擦力。

圖2 不同傾角井架垂直拉力狀態

表1 不同傾角井架后傾拉力

（4）井架側向1.5°時，天車中心側向偏移0.55 m（嚴重超出垂直標準），在最大鉤載（67.5 t）情況下，天車受到的側向拉力為1.767 t，大大降低井架的穩定性，甚至會造成倒井架事故的發生。

圖3 井架傾角5°基座受力狀態

2 21 m井架受力數值計算

2.1 計算所需基本數據

XJ250作業機總重量27.44 t。井架自身重量8.169 t。作業機自身重量（除去井架重量）19.271 t。井架總高度21.05 m。井架重心高度9.5 m。作業機重心位置：井架千斤中心向車頭方向4.987 m。井架實際傾角，正常傾角為3°～5°。大鉤實際負荷，最大鉤載67.5 t，設定不同井架傾角。

2.2 井架受力數值計算過程描述

計算井架鉤載負荷分力：井架負荷后傾拉力、井架負荷順向壓力。計算井架鉤載后傾力矩：井架鉤載后傾拉力×21.05 m。計算井架自重負荷分力：井架自重后傾方向拉力、井架自重順向方向力。計算井架自重后傾力矩：井架自重后傾方向拉力×9.5 m。計算井架后傾力矩之和：井架鉤載負荷后傾力矩+井架自重后傾力矩。計算井架后傾拉力合力：井架鉤載負荷后傾拉力+井架自重后傾力。計算井架順向壓力合力：井架負荷順向壓力+井架自重順向方向壓力。計算井架基座負荷分力：基座水平向前推力、基座垂直向下壓力。計算井架極限傾翻力矩：作業機自身重量（除去井架重量）×4.987 m。計算鉤載臨界點數值：（井架極限傾翻力矩—井架自重后傾力矩）/21.05 m。臨界點鉤載說明：①假設井架、鋼絲繩、大鉤及復合繃繩均有足夠大的強度；②井架傾角3°時的最大鉤載可以達到83.543 t；③井架21m的XJ250作業機最佳井架傾角為4°或4.5°，與滾筒大繩承載能力匹配；④井架4.5°傾角最大靜鉤載＜54 t；⑤井架5°傾角最大靜鉤載＜48 t；⑥原廠使用說明所給出的67.5 t最大鉤載實驗，是在井架傾角＜3.5°條件下進行的拉力負荷試驗。