鉆機天車架的結構強度及模態分析

黃澤旭 常加彪

（1.長江大學 機械工程學院，荊州 434023；2.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安 710018）

天車是石油鉆機的重要部件之一，為鉆桿提供了支撐平臺。鉆機通過鋼絲繩將絞車、天車的滑輪組和提升系統連接起來。天車將鉆機提升系統固定在井架內部，可以牽引鉆具的起升和下放。鉆具的全部載荷由天車承擔，因此它的強度關系整個鉆井平臺的安全。天車主要由天車架、快繩滑輪、滑輪組、軸及軸承等零件組成[1]。天車架主要由工字鋼和角鋼焊接而成，通過安裝天車滑輪組和快繩滑輪，并與井架頂部相連接來確保游車系統可靠工作[2]。因此，對天車架進行有限元強度及模態分析十分有意義。本文以石油鉆機STC-450天車架為研究對象，進行有限元強度及模態分析。

1 天車架參數

天車的重要參數如表1所示。

表1 天車基本參數

2 天車架有限元模型建立

2.1 三維模型的導入

根據天車架的工程圖和實際設備尺寸，通過SolidWorks建立天車架的實體模型，在滿足對仿真結果影響較小的條件下，簡化處理焊縫部位，忽略螺栓孔等細小特征，對天車架結構進行必要的簡化[3]。將建立的三維模型保存類型選擇為Parasolid，再在ANSYS中加載輸入該格式的文件即可，同時可以修復在ANSYS軟件中導入模型時發生的錯誤。

2.2 天車架的網格劃分

使用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的mesh功能對天車架進行網格劃分，綜合考慮網格無關性和整體的尺寸，全部采用尺寸大小為15 mm的solid186實體單元進行網格劃分。整個天車架有限元模型由294 534個單元和546 630個節點組成。天車架三維實體模型如圖1所示。根據使用要求，天車架采用的材料特性參數如表2所示。

表2 天車架材料特性參數

圖1 天車架有限元模型

3 天車架靜強度分析

3.1 邊界條件及載荷

在ANSYS Workbench有限元分析軟件中使用位移載荷作為有限元解的邊界條件，其中包括3個轉動約束和3個位移約束，分別為ROTX、ROTY、ROTZ、UX、UY、UZ。在天車架仿真分析過程中，對天車架主梁下部的4塊連接板采取全約束。該天車的最大鉤載為4 500 kN，由大鉤和游車自重組成的恒載為116.31 kN，游繩數為12，所以單根游繩的承載為384.69 kN。引入快繩和死繩后，天車架所承受的載荷為5 385.69 kN。其中，大鉤載荷通過滑輪、天車軸、軸承座以及墊板傳給主滑輪支座處，作用方向為垂直向下，大小為4 616.31 kN。快繩拉力通過快繩滑輪及其2個支撐梁后均勻施加在快繩滑輪支座處。該拉力方向相對于井架有一定的傾斜角度，但角度較小，也可簡化為垂直向下，大小為769.38 kN。

3.2 靜強度分析結果

采用ANSYS軟件對天車架進行靜力學求解，以獲得其應力分布情況。根據仿真計算結果可知，天車架應力云圖及變形云圖分別如圖2和圖3所示。由圖2可知，最大應力位于主梁固定端前部，最大應力值為205.53 MPa。天車架的主材料為Q355B，它的屈服極限值為355 MPa，可知該天車架安全系數為1.73，其中各部分的最大應力都小于其材料的屈服強度，所以該天車架的靜強度完全符合安全需要。通過圖3可知，最大變形發生在天車架的快繩滑輪支座處，變形值為3.195 8 mm。該變形值較小，剛度滿足工況安全要求[4]。

圖2 天車架應力云圖

圖3 天車架位移云圖

4 天車架模態分析

4.1 模態分析理論

模態分析是一種處理過程，是根據結構的固有特性包括頻率、阻尼和模態振型等動力學屬性去描述結構的過程。將線性系統的振動微分方程進行坐標轉換，轉換為模態坐標下的分析問題，從而使得方程組解耦，成為以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，進而求出系統的模態參數。坐標變化的矩陣為模態矩陣，每一列為模態振型[5-6]。

天車架的固有頻率和振型決定了鉆機的起升系統是否具有良好的動態特性。通過模態分析，可以得到天車架的固有頻率和振型等特征。了解結構的剛度情況和安全工作頻率，對以后的結構設計和設備布置具有很好的指導作用。

4.2 模態分析結果

在有限元軟件中對天車架進行帶約束的模態分析，保持約束條件不變，將天車架所受的全部快繩拉力卸去，求解后可得到各階模態的固有頻率和振型。由于高階頻率影響很小，此次分析僅計算前6階固有頻率。天車架的前6階固有頻率如表3所示，振型和變形趨勢如圖4所示。

圖4 天車架前6階振型及變形趨勢

表3 天車架前6階固有頻率

由表3可知：該天車架的第1階固有頻率為92.257 Hz；第1階和第4階振型主要表現為快繩滑輪支座的扭轉和彎曲；第2階和第6階振型主要表現為快繩滑輪支座的扭轉與滑輪組支撐梁的彎曲；第3階和第5階振型主要表現為天車架邊梁的翹曲。其中，最高固有頻率是6階頻率為122.98 Hz，最低頻率為1階固有頻率為92.257 Hz。最大模態位移發生于第5階為14.04 mm，對應的頻率為106.6 Hz，應避免天車架受到此工頻的設備激勵。

5 結語

對天車架進行有限元靜強度分析及模態分析，可以得出該天車架最大應力位于主梁固定端前部，大小為205.53 MPa。天車架結構各部分的最大應力都小于其材料的屈服強度，安全系數為1.73，說明該天車架的靜強度完全符合安全需要。該天車架最低固有頻率為92.257 Hz，應避免天車架受到此工頻的設備激勵。該天車架的各階振型主要為快繩滑輪支座的扭轉和彎曲、滑輪組支撐梁的彎曲和天車架邊梁的翹曲。