顶驱回转头吊耳应力测试与有限元分析

赵 挺，侯德门，王一兵，殷 民

（西安交通大学 航天航空学院，西安710049）①

顶部驱动钻井装置（简称顶驱）是用以取代转盘钻进的新型石油钻井装置，由于它显著提高了钻井作业的能力和效率，被誉为近代钻井装备的三大技术成果之一［1］。

回转头是顶驱装置的重要构件，频繁受到拉伸冲击载荷的作用［2］，其主要承力部位——吊耳的安全性就显得至关重要。为此，对3 150 k N顶驱回转头吊耳进行了应力测试及有限元分析。

1 应力测试

1.1 测点布置

根据顶驱回转头吊耳结构形式及承力情况，分别在左、右吊耳根部内壁的上下部位及吊耳根部的上下表面确定了4个测点，即在左侧吊耳选定的4个测点编号为1～4，在右侧吊耳选定的4个测点编号为5～8，共计8个测点，如图1。

图1 回转头吊耳布片示意

1.2 测试方法及系统设置

测试方法采用电阻应变测试原理［3］，在选定的测点上各布置1枚直角应变花（分别为0°、45°、90°三个方向，0°沿顶驱轴线或水平方向。）。

测试系统采样按照分级定时多次采样模式设置，即：每个载荷等级保持30 s连续采样6次，以保证数据进行有效计算分析。

1.3 载荷工况设计

根据顶驱工作情况，设计5个载荷工况（如表1）。在试验过程中，顶驱置于卧式（如图2）。每个载荷工况按照从预载荷F0（约200 k N）开始，逐级施加至最大载荷Fmax，然后卸载至F0。

表1 顶驱施加载荷工况

图2 顶驱应力测试

1.4 测试结果及数据分析

为了有效分析Fmax＝3 150 k N的测试结果，选取第5载荷工况为对象，测试结果如表2所示。通过对测试数据的处理［4］与分析可知：

1） 从预载荷F0逐级增加至3 150 k N，各测点的应变对应增加；而当载荷从Fi卸载至预载荷F0时，测点的应变基本回复到初始状态。

2） 在测试载荷Fi范围内，所有测点的载荷－应变、应力关系基本呈线性。

3） 在回转头2个吊耳的所有测点中，位于内壁的测点应力比较大。当载荷Fmax＝3 150 k N时，左侧吊耳内壁测点的最大Mises应力为559 MPa，右侧吊耳内壁测点的最大Mises应力为441 MPa，可见左右吊耳的最大Mises应力相差较大。通过在现场仔细观察分析发现，回转头2个吊耳的外形尺寸有差异。

表2 3 150 k N时回转头吊耳各测点的Mises应力 MPa

2 有限元分析

2.1 建立计算模型

用三维实体单元来描述回转头吊耳。采用接触单元描述吊耳与吊环之间的连接。实体模型如图3所示，有限元网格模型如图4～5所示。单元总数为528 388，其中接触单元为17 132；节点总数为105 242个，其中接触节点为9 006个。

图3 实体模型

图4 回转头有限元网格模型

图5 吊耳有限元网格模型

2.2 计算分析步骤

1） 用ANSYS10软件的前处理功能，建立回转头吊耳实体三维有限元模型，将材料特性、边界条件等输入到计算模型中。

2） 建立部分吊环实体模型，并建立吊耳与吊环接触单元。

3） 进行模型的静力分析，施加载荷于吊环模型，对回转头吊耳进行非线性接触计算。

2.3 计算结果分析

2个吊环共传递3 150 k N的载荷。采用面压载荷方式施加在模拟吊环实体模型的表面，用ANSYS10软件对模型进行非线性接触计算。回转头吊耳结构的Mises应力分布如图6所示，回转头吊耳根部最大 Mises应力为515 MPa（如图7），吊耳与吊环的接触面处的最大挤压应力为781 MPa（如图8）。接触状态如图9所示，接触面位移如图10所示，最大接触位移为0.027 8 mm。回转头吊耳结构其他部位的Mises应力较小，结构的危险部位为吊耳根部和吊耳与吊环接触部位。

图6 吊耳Mises应力分布

图7 吊耳根部最大Mises应力分布

图8 吊耳与吊环接触面最大挤压应力分布

图9 吊耳接触状态

图10 吊耳接触面位移分布

3 应力测试与有限元分析结果对比

当Fmax＝3 150 k N时，回转头吊耳8个测点应力测试值与有限元计算值结果对比如图11所示。由图11应力变化趋势可见，试验值与计算值应力分布趋势基本一致［5］，从而也验证了有限元模型的正确性。试验值和计算值都表明：在回转头吊耳根部应力较大。

图11 吊耳试验值与计算值结果对比

由于回转头吊耳的结构形式类似于悬臂梁，承载后吊耳根部应力较大。如果在加工过程中2个吊耳外形尺寸不一致，或吊耳根部圆弧过度角偏小，就会进一步加剧吊耳根部应力的增大。因此，在安全检测和安全评估时要重点关注这个部位。

4 结论

1） 对顶驱回转头吊耳的应力测试及有限元分析结果可知：回转头吊耳根部和回转头吊耳与吊环接触处为危险部位，回转头吊耳其他部位的Mises应力均小于吊耳根部的最大Mises应力。应力测试数据与有限元计算结果吻合。

2） 由应力测试及有限元分析可知：回转头吊耳根部最大Mises应力值分别为559 MPa和515 MPa，其危险部位的最大Mises应力值已接近材料的设计极限应力（该回转头选用铸钢35Cr Mo材料制成，经热处理后其屈服极限应力约为560 MPa）。考虑到在实际使用过程中载荷动态交变以及环境条件（如高低温环境）等因素，设计回转头吊耳时要留有足够的安全裕度［6］。

3） 通过对回转头吊耳应力测试和有限元分析，确定了回转头吊耳的危险部位，该结果对回转头吊耳结构的设计、安全检测及安全评估具有一定的参考价值。

［1］ 冯琦，郭永岐，桑峰军.典型顶部驱动钻井装置结构与功能分析［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：90－93.

［2］ 王伟，李云鹏，刘新状.低温顶驱传动装置关键部件回转头的研制［J］.机械传动，2009，33（5）：88－91.

［3］ 张如一，陆耀桢.实验应力分析［M］.北京：机械工业出版社，1981.

［4］ 蔡怀崇，闵行.材料力学［M］.西安：西安交通大学出版社，2004.

［5］ 王冬雪，吴占伟，樵英，等.水下用FHZ48－70型环形防喷器承压件有限元分析［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：12－15.

［6］ SY/T5527—2001，石油钻机主要提升设备［S］.