钻机天车架的结构强度及模态分析

黄泽旭 常加彪

（1.长江大学 机械工程学院，荆州 434023；2.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，西安 710018）

天车是石油钻机的重要部件之一，为钻杆提供了支撑平台。钻机通过钢丝绳将绞车、天车的滑轮组和提升系统连接起来。天车将钻机提升系统固定在井架内部，可以牵引钻具的起升和下放。钻具的全部载荷由天车承担，因此它的强度关系整个钻井平台的安全。天车主要由天车架、快绳滑轮、滑轮组、轴及轴承等零件组成[1]。天车架主要由工字钢和角钢焊接而成，通过安装天车滑轮组和快绳滑轮，并与井架顶部相连接来确保游车系统可靠工作[2]。因此，对天车架进行有限元强度及模态分析十分有意义。本文以石油钻机STC-450天车架为研究对象，进行有限元强度及模态分析。

1 天车架参数

天车的重要参数如表1所示。

表1 天车基本参数

2 天车架有限元模型建立

2.1 三维模型的导入

根据天车架的工程图和实际设备尺寸，通过SolidWorks建立天车架的实体模型，在满足对仿真结果影响较小的条件下，简化处理焊缝部位，忽略螺栓孔等细小特征，对天车架结构进行必要的简化[3]。将建立的三维模型保存类型选择为Parasolid，再在ANSYS中加载输入该格式的文件即可，同时可以修复在ANSYS软件中导入模型时发生的错误。

2.2 天车架的网格划分

使用ANSYS Workbench有限元分析软件中的mesh功能对天车架进行网格划分，综合考虑网格无关性和整体的尺寸，全部采用尺寸大小为15 mm的solid186实体单元进行网格划分。整个天车架有限元模型由294 534个单元和546 630个节点组成。天车架三维实体模型如图1所示。根据使用要求，天车架采用的材料特性参数如表2所示。

表2 天车架材料特性参数

图1 天车架有限元模型

3 天车架静强度分析

3.1 边界条件及载荷

在ANSYS Workbench有限元分析软件中使用位移载荷作为有限元解的边界条件，其中包括3个转动约束和3个位移约束，分别为ROTX、ROTY、ROTZ、UX、UY、UZ。在天车架仿真分析过程中，对天车架主梁下部的4块连接板采取全约束。该天车的最大钩载为4 500 kN，由大钩和游车自重组成的恒载为116.31 kN，游绳数为12，所以单根游绳的承载为384.69 kN。引入快绳和死绳后，天车架所承受的载荷为5 385.69 kN。其中，大钩载荷通过滑轮、天车轴、轴承座以及垫板传给主滑轮支座处，作用方向为垂直向下，大小为4 616.31 kN。快绳拉力通过快绳滑轮及其2个支撑梁后均匀施加在快绳滑轮支座处。该拉力方向相对于井架有一定的倾斜角度，但角度较小，也可简化为垂直向下，大小为769.38 kN。

3.2 静强度分析结果

采用ANSYS软件对天车架进行静力学求解，以获得其应力分布情况。根据仿真计算结果可知，天车架应力云图及变形云图分别如图2和图3所示。由图2可知，最大应力位于主梁固定端前部，最大应力值为205.53 MPa。天车架的主材料为Q355B，它的屈服极限值为355 MPa，可知该天车架安全系数为1.73，其中各部分的最大应力都小于其材料的屈服强度，所以该天车架的静强度完全符合安全需要。通过图3可知，最大变形发生在天车架的快绳滑轮支座处，变形值为3.195 8 mm。该变形值较小，刚度满足工况安全要求[4]。

图2 天车架应力云图

图3 天车架位移云图

4 天车架模态分析

4.1 模态分析理论

模态分析是一种处理过程，是根据结构的固有特性包括频率、阻尼和模态振型等动力学属性去描述结构的过程。将线性系统的振动微分方程进行坐标转换，转换为模态坐标下的分析问题，从而使得方程组解耦，成为以模态坐标及模态参数描述的独立方程，进而求出系统的模态参数。坐标变化的矩阵为模态矩阵，每一列为模态振型[5-6]。

天车架的固有频率和振型决定了钻机的起升系统是否具有良好的动态特性。通过模态分析，可以得到天车架的固有频率和振型等特征。了解结构的刚度情况和安全工作频率，对以后的结构设计和设备布置具有很好的指导作用。

4.2 模态分析结果

在有限元软件中对天车架进行带约束的模态分析，保持约束条件不变，将天车架所受的全部快绳拉力卸去，求解后可得到各阶模态的固有频率和振型。由于高阶频率影响很小，此次分析仅计算前6阶固有频率。天车架的前6阶固有频率如表3所示，振型和变形趋势如图4所示。

图4 天车架前6阶振型及变形趋势

表3 天车架前6阶固有频率

由表3可知：该天车架的第1阶固有频率为92.257 Hz；第1阶和第4阶振型主要表现为快绳滑轮支座的扭转和弯曲；第2阶和第6阶振型主要表现为快绳滑轮支座的扭转与滑轮组支撑梁的弯曲；第3阶和第5阶振型主要表现为天车架边梁的翘曲。其中，最高固有频率是6阶频率为122.98 Hz，最低频率为1阶固有频率为92.257 Hz。最大模态位移发生于第5阶为14.04 mm，对应的频率为106.6 Hz，应避免天车架受到此工频的设备激励。

5 结语

对天车架进行有限元静强度分析及模态分析，可以得出该天车架最大应力位于主梁固定端前部，大小为205.53 MPa。天车架结构各部分的最大应力都小于其材料的屈服强度，安全系数为1.73，说明该天车架的静强度完全符合安全需要。该天车架最低固有频率为92.257 Hz，应避免天车架受到此工频的设备激励。该天车架的各阶振型主要为快绳滑轮支座的扭转和弯曲、滑轮组支撑梁的弯曲和天车架边梁的翘曲。