李亨濤

(寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 寶雞 721016 )

0 引言

近年來隨著自動(dòng)化技術(shù)水平的提高，我國鉆機(jī)配套設(shè)備進(jìn)入了高速發(fā)展階段，鉆機(jī)的自動(dòng)化程度有了顯著的提高。相對而言，對鉆機(jī)外圍配套設(shè)備的研究和投入明顯不足，鉆具排放和上、下鉆臺操作技術(shù)發(fā)展相對緩慢[1]。為了減輕鉆臺工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低工作危險(xiǎn)系數(shù)，研究開發(fā)了管柱自動(dòng)化系統(tǒng)，并已經(jīng)投入生產(chǎn)實(shí)踐，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)一些問題，仍需對其進(jìn)行改進(jìn)[2]。例如DM4.5-12動(dòng)力貓道在使用過程中底座出現(xiàn)裂紋。由于貓道底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用經(jīng)典計(jì)算方法難度較大，無法準(zhǔn)確找出薄弱點(diǎn)。本文利用有限元分析方法對貓道底座進(jìn)行工況分析，提出改進(jìn)方案，并對不同方案進(jìn)行對比，得出最佳方案。

1 底座問題及原因分析

動(dòng)力貓道是一種集機(jī)、電、液一體化的高技術(shù)自動(dòng)化產(chǎn)品，具有自動(dòng)提升和下放鉆柱的功能，其結(jié)構(gòu)主要由坡道、貓道、送鉆柱裝置、液壓系統(tǒng)、電控與遙控系統(tǒng)、繩雙動(dòng)絞車及拖鏈等組成(圖1)。通過電液控制完成鉆具從貓道到井口以及鉆具從井口到排管架的輸送工作[3]。

DM4.5-12動(dòng)力貓道設(shè)計(jì)用于ZJ90DB9鉆機(jī)的管柱處理，設(shè)計(jì)長度為15 m，重33 t。在起吊過程中，底座作為整個(gè)貓道的載體，承受貓道整體質(zhì)量。

圖1 貓道結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的貓道底座因?yàn)樾枰惭b傾斜機(jī)構(gòu)，上部橫梁大多采用斷開的方式，為其留出安裝空間，用斜撐和上部橫梁進(jìn)行固定連接。從現(xiàn)場作業(yè)的情況發(fā)現(xiàn)，安裝傾斜機(jī)構(gòu)附近的上部大梁和斜撐焊接部位出現(xiàn)裂紋(圖2)，對貓道整體結(jié)構(gòu)和安全造成隱患。根據(jù)貓道的使用情況，初步認(rèn)為是在吊裝時(shí)貓道底座變形引起焊接部位失效。

圖2 現(xiàn)場底座裂縫圖片

2 底座有限元分析

為了分析底座裂紋產(chǎn)生的原因，利用大型三維建模軟件UG和有限元分析軟件Workbench 對整個(gè)貓道底座進(jìn)行建模和有限元分析。Workbench具有強(qiáng)大的有限元分析能力，能夠自動(dòng)建立接觸面，省去了逐一添加接觸面的麻煩，提高計(jì)算效率[4]。

2.1 底座有限模型

針對底座的變形進(jìn)行分析。在建立模型時(shí)為了減小模型規(guī)模，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，只對底座進(jìn)行全尺寸建模，移除坡道、貓道、送鉆柱裝置等設(shè)備，對其質(zhì)量使用載荷進(jìn)行代替，并且賦予底座的材料屬性。底座主要由方鋼和工字鋼組成，其中方鋼材料為20鋼，根據(jù)機(jī)械手冊查得其屈服強(qiáng)度為Rel=215MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=340MPa,工字鋼材料為Q235，屈服強(qiáng)度為Rel= 235MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=370MPa[5]。

底座有限元模型實(shí)體單元網(wǎng)格劃分如圖3所示。由于整個(gè)模型尺寸較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用逐一劃分工作量較大，采用Workbench中的網(wǎng)格自動(dòng)劃分技術(shù)對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格單元長度設(shè)置為10 mm，對斜撐等關(guān)鍵部位網(wǎng)格單元長度設(shè)置為5 mm。對劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行檢查，顯示無失敗單元，網(wǎng)格劃分成功。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 載荷施加及邊界條件

在建立模型時(shí)為了計(jì)算方便，移除坡道和送鉆柱裝置等裝置。計(jì)算時(shí)按照裝置的實(shí)際質(zhì)量對底座添加載荷，載荷位置依據(jù)吊裝時(shí)各裝置所處的實(shí)際位置確定(圖4)。底座載荷情況是：1) 重力加速度為9.8N/kg；2) 底座兩端施加載荷大小為76 607N(送鉆柱質(zhì)量)；3) 底座承受上表面載荷大小為67 444N(坡道質(zhì)量)；4) 底座前部兩面分別加載載荷為3 430N(絞車質(zhì)量)。

圖4 載荷和約束

底座為整體焊接件，結(jié)構(gòu)件之間采用綁定約束[6]；在起吊時(shí)鋼絲繩作用點(diǎn)在4個(gè)吊環(huán)上，鋼絲繩和地面呈60°角，所以對4個(gè)吊點(diǎn)添加銷釘約束，約束法線方向和地面為60°。

2.3 結(jié)果分析與討論

底座應(yīng)力云圖5所示，底座在載荷的作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座前端，最大值為820 MPa。斜撐和上部橫梁接觸位置的應(yīng)力在250 MPa以上，有的區(qū)域甚至達(dá)到了500 MPa以上，超出材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并且其所處區(qū)域和現(xiàn)場斷裂位置相符。從應(yīng)變云圖6中可以看出，貓道在起吊時(shí)，底座的變形呈波浪形，最大應(yīng)變發(fā)生在底座前端，最大變形為18 mm。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 應(yīng)變云圖

底座斷裂原因分析：由于送鉆柱裝置的質(zhì)量作用于底座大梁兩端，致使大梁兩端發(fā)生較大彎曲，再加上底座的重力使底座中間位置向下彎曲，造成底座呈波浪變形。這種波浪變形使斜撐向外張開，造成斜撐和橫梁之間斷裂。

從上述分析可知，底座的斷裂問題主要是因?yàn)樯喜繖M梁斷裂處的強(qiáng)度不夠，需要加強(qiáng)上部橫梁斷開處的強(qiáng)度。

3 底座加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)和選擇

針對底座出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，依據(jù)上面的分析結(jié)果和現(xiàn)場情況，提出3種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案:

1) 在斜撐旁邊再添加一組斜撐(80mm方鋼)，增強(qiáng)上部橫梁的抗彎強(qiáng)度，如圖7(a)所示；

2) 在橫梁斷開處焊接加強(qiáng)板(8mm鋼板)，提高上部橫梁和底座的完整性，如圖7(b)所示。

圖7 底座加強(qiáng)方案

從應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖(圖8、圖9)中可以看出，這兩種加強(qiáng)方案相對于原方案，應(yīng)力和應(yīng)變都得到大幅改善。

方案1中底座的最大變形為14.36mm，斜撐和上部橫梁之間的接觸應(yīng)力值大多處于215MPa以上，大于材料的屈服極限，致使斜撐在吊裝過程中發(fā)生塑性變形，不滿足設(shè)計(jì)要求。

方案2中應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖(圖9)可以看出，底座最大變形為9mm，斜撐和上部橫梁之間的最大應(yīng)力為106.5MPa，小于材料的屈服極限和拉伸極限，滿足底座的設(shè)計(jì)要求。

綜合以上分析，對貓道底座進(jìn)行整改時(shí)，從降低整改難度、減輕貓道質(zhì)量、方便液壓管線布置這3個(gè)方面考慮，最終選擇方案2作為貓道底座結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。

圖8 方案1應(yīng)力應(yīng)變云圖

圖9 方案2應(yīng)力應(yīng)變云圖

4 結(jié)語

1) 對貓道DM4.5-12的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹，并針對貓道底座的撕裂問題，提出初步的分析與判斷；

2) 利用三維模型和有限元計(jì)算對底座變形情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證失效原因；并根據(jù)失效原因，對底座進(jìn)行改進(jìn)；

3) 針對不同方案進(jìn)行有限元計(jì)算和分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況，確定使用加強(qiáng)板對底座進(jìn)行改進(jìn)。

利用有限元對貓道底座進(jìn)行整改分析，節(jié)省了貓道整改時(shí)間，節(jié)約維修成本，并大大節(jié)約了制造成本和人力物力。