基于风载、地震载荷下的钻机底盘有限元分析

郭迎辉

摘要：从风载地震载荷两个方面建立钻机底盘有限元分析体系，得到了应力、应变、模态三种指标，并对钻机底盘在常规加载状态下进行了疲劳分析，通过分析结果的云图数据获得了钻机底盘的强度、刚度、振动频率、寿命的数据结果表明钻机底盘强度、刚度满足，工作不会共振，寿命满足使用要求。

Abstract： The finite element analysis system of the drilling rig chassis is established from two aspects of wind load and earthquake load， and three indexes of stress， strain and mode are obtained. The fatigue analysis of the drilling rig chassis is carried out under the normal loading state. The data of the strength， rigidity， vibration frequency and life of the drilling rig chassis are obtained from the cloud chart data of the analysis results. The results show that the strength and rigidity of the drilling rig chassis meet the requirements of working It will not resonate， and its service life meets the requirements.

关键词：钻机底盘;风载;地震载荷;有限元分析

Key words： the chassis of drilling rig;wind load;earthquake load;finite element analysis

0  引言

GF-MX50锚固旋喷钻机（以下简称钻机）适用于水利、铁路、公路边坡及工、民建筑等软地基加固、防渗防漏旋喷桩施工工艺等。由于该钻机作业时属于野外作业，工况比较恶劣，也会有突发事件包括大风、地震的发生，为了应对突发事件的结构设计的合理性，就有必要对钻机的主要部件之一的底盘进行在大风、地震状态下的应力分析。因此，分析与掌握钻机主要承载部件的底盘特性是解决钻机恶劣环境下工作的首要任务。

进入21世纪后，我国相继研发了多款新型岩心钻机，但是在地质钻杆的拧卸、移送和摆放等自动化发展上始终没有实质性突破[1-2]。TSJ-2000水源钻机主要用于井矿盐钻井施工，由于自带底座结构简单低矮，已不能满足施工工艺要求，于是重新设计底座，底座设计除满足基本的受力分析和承载力校核之外[3-4]，还需要对钻机底座的固有频率和振动形态进行分析，因为钻机工作过程中，底座上部设备运动激励使其产生共振，会削弱钻机整体的结构强度，影响结构安全以及人员的工作环境[5]。上述文献虽然研究较全面，但是没有涉及到风载、地震载荷下的钻机底盘的仿真分析和钻机底盘普通载荷下的疲劳分析，因而存在一定问题。

钻机底盘主要是由槽钢焊接而成，在作业的时候由于环境的恶劣会产生变形，对钻机的正常作业造成破坏性的影响。本文将从风力8级、地震7级恶劣环境下两个方面对钻机底盘进行有限元分析。分析出钻机底盘的最大应力、最大挠度。并对钻机底盘进行疲劳分析得出钻机的寿命。该论文对工程机械强度提高的结构改进和材料的改进提供了重要的参考价值。

1  钻机底盘的数学模型的建立与受力分析

钻机的实体模型图如图1所示，主要由主梁、升举装置、底盘、底座等组件构成。钻机的底盘的受力主要来自于主梁工作时的反力、以及底盘4个支腿上承受的重力、风载荷、地震载荷。受力图如图2所示，F1为反力、F2为风载荷、F3（1-4）为地震载荷在每个支腿的分力，G（1-4）为钻机底盘所承受的重力在每个支腿的分力。

1.1 风载荷的计算

风力设定为7级大风时的风载荷的计算如下：

1.3 其他力的计算

钻机底盘的四个油缸之腿上共承受30kN的重力，则每个支腿上所承受的重力为7.5kN，钻机主梁上所受的力为40kN。把钻机主梁上的力平移至钻机底盘并附加一力偶则附加的力偶的大小经计算为75600N.m，把风载荷的力平移至钻机底盘并附加一力偶，附加力偶的大小为157.6N·m。

2  应力应变模态分析过程及结果

通过外部文件导入到ANSYS Workbench中建立几何模型如图3所示。加载如图4所示，加载的载荷为4个支腿上的30kN的重力载荷，4个之腿上的地震载荷0.850kN，风载荷为0.0985kN，钻机主梁工作載荷传到底盘中间的40kN的载荷。

钻机底盘经加载和约束后应力云图如图5所示，位移云图如图6所示，模态前6阶的频率如图7所示。从应力云图中可以得出钻机最大应力为125MPa，钻机底盘是由型材焊接而成的，主要包括槽钢、矩管、工字钢、厚板，材料均为Q235，当安全系数取1.5为较高可靠性时，该材料的许用应力为156MPa。从应力云图可知当底盘承受地震载荷和风载时强度满足要求。从位移云图可知钻机底盘最大变形为1.24mm，而钻机底盘的许用的最大变形为1.993。底盘承受地震载荷和风载时刚度满足要求。

图7只给出了起主要作用的前6阶频率，由图7可知钻机底盘的固有频率大约是55Hz，而钻机工作时的频率与该频率差别较大，表明工作时不会出现共振。

3  疲劳分析过程及结果

去除风载荷地质载荷重新进行静力学分析，在静力学分析的基础上进行疲劳分析，在静力分析后的求解器中插入疲劳分析工具，并设定疲劳分析工具的参数，疲劳强度因子为0.8，应力修正理论采用Goodman修正理论，设定好参数后，插入寿命和疲劳安全系数。得到寿命结果云图如图8所示，安全系数云图如图9所示。从寿命云图可以得出钻机底盘的最大寿命为106，若机器每天工作100次，每年工作365天，则经计算该钻机底盘的寿命为27年，则钻机底盘的寿命满足设计要求。从安全系数云图可知最大疲劳安全系数为15，最小疲劳安全系数为1.488。

4  结束语

本文采用风载荷、地震载荷的方法添加在钻机底盘上，对钻机底盘的应力、应变、模态、疲劳特性进行了分析，通过分析得到了一系列云图，证明了该钻机底盘在承受风载、地震载荷作用下强度、刚度、满足设计要求。最后针对寿命进行了仿真，证明了钻机底盘的寿命满足设计要求。本文方法具备通用性，为后期的设计提供了理论依据。而在结构设计方面，可以作为其他结构设计的参考依据。

参考文献：

[1]朱江龙.地质深孔电动顶驱钻进系统的研究与应用[D].中国地质大学（北京），2015.

[2]王达，李艺，周红军，等.我国地质钻探现状和发展前景分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（4）：1-9.

[3]文洪莉，高学仕，等.ZJ70DB型钻机底座承载能力的有限元分析[J].石油矿场机械，2007，36（11）：36-38.

[4]陈征，高伟，等.浅谈TSJ-2000水源钻机底座设计[J].中国井矿盐，2016，47（2）：19-21.

[5]王庆群，华剑，等.基于ANSYS的深井钻机底座模态分析[J].石油机械，2013，41（7）：25-27.