钻机TC585天车强度分析

徐建宁，田 丽

(西安石油大学，陕西西安 710065)

0 引言

天车是钻机重要部件之一，它通过固定滑轮组将钻机提升系统固定在钻机井架内部，钢丝绳贯穿天车滑轮组，提升系统和绞车，完成正常钻进、起下钻柱和下套管，以及处理事故作业，承担着重要的钻井作业。天车由天车架、滑轮组、快绳滑轮、轴及轴承等部件组成。天车架采用焊接工字钢组成的整体焊接结构，结构主材料选用Q345B，主要焊缝进行磁粉探伤。滑轮组和快绳轮轴选用40CrNiMoA，滑轮选择通用60英寸(φ1 524 mm)。TC585的设计和制造符合美国石油学会的API 4F和API 8C规范。

1 天车设计参数

天车的重要参数见表1 TC585参数表。

表1 TC585参数表

2 天车主结构平面图

如图1为TC585天车主结构平面图。

图1 TC585天车主结构平面图

3 天车轴的强度计算

3.1 天车轴弯曲强度计算

Qmax=5 850 kN，天车轴上7个滑轮施加在上面的力可以近似视为均布载荷。如图2为天车轴受力分析图。

天车轴最大载荷:

天车轴的直径 D为 304.8 mm，材料为40CrNiMoA，屈服强度Rel≥827 MPa

抗弯截面系数:

受力分析如下:

由∑MA=0，可得:

图2 天车轴受力分析图

轴弯矩及剪力方程为:

(1)当x在AC之间时

由第四强度理论得:

(2)当x在CD之间时

在O点剪切力为0，所以:

(3)当x在DB之间时，受力情况与AC相同，天车轴安全。

3.2 天车轴的挠度计算

WMAX＜［W］，天车轴安全。

4 快绳轮轴的强度计算

快绳滑轮与天车滑轮选取相同，考虑到滑轮互换性问题。

快绳轮轴材料为40CrNiMoA，屈服强度Rel≥827 MPa。根据API RP 9B标准:

式中:Z为有效绳数;η游为游动系统效率［2］。

作用在快绳滑轮轴上的力为:

式中:θ为竖直方向快绳夹角。

快绳滑轮快绳另一侧绳力:

作用在快绳轮轴上的力为:

P总=P快+P2=553.87+533.35=1 087.22(kN)

受力分析，得到:

快绳轮轴剪应力:τMAX=3148(MPa)(快绳轮轴的直径D为304.8 mm)。

5 关键焊缝强度计算

承载滑轮组的梁GH，梁EF与之相连接的梁MP，梁NQ为主要受力焊缝，焊接采用50 kg级焊条，焊缝的许用应力［σ］焊缝=0.3σ焊缝=0.3×500=150(MPa)，母材的需用应力［σ］=0.6×315=189(MPa)

经过受力分析得到:

NG=1 537.13 kN，NH=1 824.75 kN，NE=1 546.32 kN，NF=1 443.48 kN，其中 H 点弯曲应力最大。

焊缝应力:σ焊MAX==24.71 MPa＜0.7 [ σ焊缝]，焊缝安全。

6 天车滑轮轴承强度校核

天车滑轮及快绳轮轴承型号相同，均选用双列圆锥滚子轴承37 961 K。

选用双列圆锥滚子轴承37 961 K，查表得额定载荷 C=906 kN，fh=1.71，fn=0.719，则:

7 结语

通过对TC585天车的关键部件天车轴弯曲，剪切的强度分析，挠度计算，快绳轮轴强度分析，以及天车滑轮轴承使用寿命等问题，得出结论TC585天车设计满足API规范，整体结构安全。

［1］ 机械设计手册［M］.第五版.北京:化学工业出版社 ，2007.

［2］ 美国石油学会API Spec RP 9B-2011［S］.第十三版《油田钢丝绳的应用、保养和使用的推荐方法》.美国:API出版服务，2011.

［3］ 美国石油学会API spec 8C-2012［S］.第五版《钻井和采油提升设备》.美国:API出版服务，2012.