惠川川， 李洪波， 廖剛， 王文君， 晉小慶， 梁順安

（寶雞石油機(jī)械和國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

YC450（PSL2）游動(dòng)滑車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

惠川川， 李洪波， 廖剛， 王文君， 晉小慶， 梁順安

（寶雞石油機(jī)械和國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）

為符合探傷檢驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了符合API 8C PSL2級(jí)的超深井鉆機(jī)配套作業(yè)的YC450游動(dòng)滑車(chē)（簡(jiǎn)稱游車(chē)），對(duì)常規(guī)游車(chē)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)UG NX7.5建模，應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析，采用ASMEⅧ規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。結(jié)果表明，此游車(chē)在強(qiáng)度上滿足ASMEⅧ規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)上滿足API 8C PSL2級(jí)質(zhì)量要求。

游車(chē)；PSL2；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元

0 引言

游動(dòng)滑車(chē)，是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的重要組成部分。它與天車(chē)、大鉤、水龍頭等配套使用。在鉆井過(guò)程中，主要用于懸吊和起下鉆柱桿、更換鉆頭、下套管等作業(yè)。目前廣泛使用的YC450游車(chē)基本上都是PSL1級(jí)，且結(jié)構(gòu)形式基本相同，大多采用在受力側(cè)板上焊接耳板的結(jié)構(gòu)，焊縫多采用角焊縫（如圖1所示）。這種結(jié)構(gòu)易于滿足API 8C PSL1級(jí)對(duì)焊縫的磁粉探傷要求，且不需進(jìn)行超聲波探傷。而API 8C PSL2級(jí)要求所有的焊縫需進(jìn)行磁粉及超聲波探傷，受探傷條件要求，焊縫盡可能采用全熔透焊縫，而對(duì)于游車(chē)側(cè)板而言，鋼板厚度較大，實(shí)現(xiàn)全熔透焊縫比較困難，焊接費(fèi)時(shí)費(fèi)力，焊縫質(zhì)量很難保證，焊縫的超聲波探傷不易實(shí)現(xiàn)，也不能滿足API 8C PSL2級(jí)質(zhì)量要求。

基于此，筆者對(duì)常規(guī)游車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)完成了符合API 8C PSL2級(jí)質(zhì)量要求的新型游車(chē)結(jié)構(gòu)，建模分析計(jì)算結(jié)果表明，強(qiáng)度滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。

圖1 YC450（PSL1）游車(chē)側(cè)板組幾何模型

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

YC450（PSL2）游車(chē)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，幾何模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。主要由吊梁、滑輪、滑輪軸、左側(cè)板組、右側(cè)板組、提環(huán)座、連接銷、提環(huán)、提環(huán)銷等組成。

圖2 YC450（PSL2）游車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 YC450（PSL2）游車(chē)幾何模型

圖4 提環(huán)座幾何模型

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

最大鉤載：4500kN（500 US tons）；滑輪數(shù)：6；滑輪外徑：φ1524mm（60″）；鋼絲繩直徑；外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：3 110 mm×1 600 mm×920 mm；理論重量：8 709 kg。

1）該新型YC450（PSL2）游車(chē)摒棄了側(cè)板焊接耳板來(lái)連接主要受力零件的結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度材料的整體鑄造的提環(huán)座結(jié)構(gòu)（如圖4），提環(huán)座安裝在左右側(cè)板組之間下部，用2個(gè)連接銷貫穿側(cè)板組牢固地連接，提環(huán)銷的一端用開(kāi)槽螺母及開(kāi)口銷固定，方便拆卸。提環(huán)由2個(gè)提環(huán)銷牢固地連接在提環(huán)座上。提環(huán)與大鉤連接部分的接觸表面半徑符合API規(guī)范。提環(huán)銷的一端用開(kāi)槽螺母及開(kāi)口銷固定，當(dāng)摘掛大鉤時(shí)，可以拆掉游動(dòng)滑車(chē)的任何1個(gè)或2個(gè)提環(huán)銷。這種結(jié)構(gòu)不但保證了游車(chē)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且更易于進(jìn)行磁粉和超聲波探傷，滿足API 8C PSL2級(jí)要求。

2）該YC450（PSL2）游車(chē)滑輪軸采用空心光軸結(jié)構(gòu)，兩端用壓板壓緊，螺栓緊固。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便、經(jīng)濟(jì)。而在軸縱向中心部位鉆有6個(gè)潤(rùn)滑通道，與6個(gè)軸承的單獨(dú)潤(rùn)滑油道相對(duì)應(yīng)連通。這種潤(rùn)滑方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了軸承的獨(dú)立潤(rùn)滑，保證了游車(chē)在使用過(guò)程中良好的潤(rùn)滑效果，大大減少了游車(chē)的檢修維護(hù)周期。

3）為防止泥漿等污物進(jìn)入游車(chē)內(nèi)部，在游車(chē)兩側(cè)裝有護(hù)罩。護(hù)罩通過(guò)護(hù)罩銷及絲堵與左右側(cè)板連接起來(lái)。為防止鋼絲繩跳繩，在左右側(cè)板組上還焊有下護(hù)板，保證鋼絲繩安全工作。

2 強(qiáng)度分析

根據(jù)API 8C規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，該游車(chē)的主要承載件有：左右側(cè)板組，滑輪軸，提環(huán)座，提環(huán)，提環(huán)銷，滑輪。由于吊梁等其他附件在游車(chē)分析中不承受主要載荷，故在此將其做一些簡(jiǎn)化處理。UG NX軟件在建模過(guò)程中有其特殊的靈活性和便利性，故筆者通過(guò)該軟件對(duì)YC450（PSL2）游車(chē)建立三維模型。而后將此三維模型導(dǎo)入ANSYS14.0分析軟件進(jìn)行整體受力分析，再采用ASMEⅧ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判定。根據(jù)ASME規(guī)范中的應(yīng)力分類理論，應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力點(diǎn)的等效應(yīng)力是由一次薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和應(yīng)力集中引起的峰值應(yīng)力疊加而成。危險(xiǎn)截面為過(guò)最大應(yīng)力點(diǎn)、沿破壞趨勢(shì)最明顯的截面，此截面的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力和總應(yīng)力應(yīng)分別滿足公式要求［2］。

式中：分析時(shí)取應(yīng)力系數(shù)K=1；Pm為一次薄膜應(yīng)力；Pb為彎曲應(yīng)力；Pm+Pb為一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力；Pm+Pb+Q為一次薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+峰值應(yīng)力，即總應(yīng)力。公式Sm= σb/3.0中，Sm為許用應(yīng)力，σb為材料的強(qiáng)度極限。

2.1 有限元分析模型

將YC450（PSL2）游車(chē)主要承載件在裝配模式下進(jìn)行有限元分析，該游車(chē)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算單元，減少解方程的個(gè)數(shù)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取1/4模型進(jìn)行分析計(jì)算，有限元裝配模型如圖5所示。其中，實(shí)體網(wǎng)格劃分選用三維實(shí)體單元SOLID186、SOLID187，在互相接觸的部位采用接觸單元CONTA174、TARGE170。網(wǎng)格劃分后共劃分單元數(shù)為41 886，節(jié)點(diǎn)數(shù)為158 949。對(duì)有限元模型進(jìn)行檢查，顯示無(wú)失敗單元，所以網(wǎng)格劃分成功。

圖5 YC450游車(chē)（PSL2）主承載件裝配體有限元模型

2.2 約束及載荷

油水煮法所適用的原料一般是纖維較短、質(zhì)地細(xì)嫩、異味較小的鮮活原料，且必須加工切配為符合煮制要求的規(guī)格形態(tài)，如絲條、片、塊、丁等。菜肴一般均帶有比較多的湯汁，為半湯菜。而且加熱時(shí)間不能太長(zhǎng)，防止原料過(guò)度軟散失味。

由圖2和圖3所示可知，滑輪軸上并列裝有6個(gè)滑輪，兩側(cè)通過(guò)左右側(cè)板連接，側(cè)板上部通過(guò)吊梁銷連接，側(cè)板下部裝有提環(huán)座、提環(huán)及提環(huán)銷，游車(chē)整體剛度對(duì)稱。因此取游車(chē)模型的1/4進(jìn)行分析。因?yàn)橛诬?chē)與大鉤是通過(guò)各自的提環(huán)、吊環(huán)進(jìn)行連接，所以在建模時(shí)加入同級(jí)別大鉤的吊環(huán)與游車(chē)一起進(jìn)行裝配分析。如圖6所示，在大鉤吊環(huán)下端面施加固定約束Fixed Support A，約束其全部自由度，同時(shí)，在滑輪軸上施加1/4額定載荷，根據(jù)其實(shí)際工作情況采用軸承載荷Bearing Load B，大小為1125kN（額定載荷為4500 kN），方向豎直向上。

圖6 裝配體約束及載荷示意圖

2.3 額定載荷下計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度校核

該YC450（PSL2）游車(chē)的提環(huán)座為本次設(shè)計(jì)的一個(gè)亮點(diǎn)，而左右側(cè)板在設(shè)計(jì)過(guò)程中也做了相應(yīng)的改進(jìn)，它們的強(qiáng)度對(duì)整個(gè)游車(chē)的影響較大，故在此需對(duì)提環(huán)座及與之連接的左右側(cè)板強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗(yàn)證其可靠性，保證游車(chē)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

2.3.1 提環(huán)座

圖7 提環(huán)座Mises應(yīng)力分布云圖

提環(huán)座幾何模型如圖4所示，其材料為高強(qiáng)度合金鋼，力學(xué)性能指標(biāo)取σb≥655 MPa，σs≥520 MPa。在額定載荷下，提環(huán)座的Mises應(yīng)力分布如圖7所示，由圖示情況可知，提環(huán)座的2個(gè)銷孔位置周?chē)膽?yīng)力值較高，最大應(yīng)力值為506.48MPa，其余大部分應(yīng)力在56.391～112.65MPa。實(shí)際工作時(shí)，游車(chē)整體受到的拉伸應(yīng)力也正好分布在目前分析的應(yīng)力集中位置。說(shuō)明分析與實(shí)際工作相符。本文在應(yīng)力最大點(diǎn)與應(yīng)力最小點(diǎn)之間建立兩條危險(xiǎn)路徑，即如圖8、圖10所示的提環(huán)座在額定載荷下的線性化路徑一、線性化路徑二，兩條危險(xiǎn)路徑計(jì)算結(jié)果如圖9、圖11所示。

圖8 提環(huán)座額定載荷下線性化路徑一

圖9 提環(huán)座額定載荷下線性化結(jié)果一

圖10 提環(huán)座額定載荷下線性化路徑二

圖11 提環(huán)座額定載荷下線性化結(jié)果二

根據(jù)ASME規(guī)范及其公式要求，計(jì)算得Sm=σb/3= 655/3=218.3 MPa。分析中取系數(shù)k=1.0。1.5kSm=1.5×1.0× 218.3=327.5 MPa；3Sm=3×218.3=655 MPa。

1）通過(guò)模型計(jì)算得到額定載荷下線性化路徑一：Pm=122.72 MPa，Pb=135.91 MPa，Q=160.13 MPa，Pm+Pb+Q= 414.78 MPa。根據(jù)ASME規(guī)范設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)其在額定載荷下線性化路徑校核結(jié)果一：

2）通過(guò)模型計(jì)算得到額定載荷下線性化路徑二：Pm=156.03 MPa，Pb=102.76 MPa，Q=35.52 MPa，Pm+Pb+Q= 288.3 MPa。根據(jù)ASME規(guī)范設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)其在額定載荷下線性化路徑校核結(jié)果二：

通過(guò)以上兩條危險(xiǎn)路徑的計(jì)算，結(jié)果表明在額定載荷作用下，提環(huán)座的強(qiáng)度滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。說(shuō)明提環(huán)座的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

2.3.2 左（右）側(cè)板銷孔處

提環(huán)座通過(guò)連接銷與左（右）側(cè)板相連，故對(duì)左（右）側(cè)板進(jìn)行強(qiáng)度分析，以確定其可靠性。左（右）側(cè)板材料為低合金高強(qiáng)度鋼板，力學(xué)性能指標(biāo)取σb≥501 MPa，σs≥315 MPa。在額定載荷下，左（右）側(cè)板的Mises應(yīng)力分布如圖12所示，由圖示情況可知，左（右）側(cè)板的下部銷孔位置周?chē)膽?yīng)力值較高，最大應(yīng)力值為338.42 MPa，其余大部分應(yīng)力在37.633～75.231 MPa。本文在應(yīng)力最大點(diǎn)與應(yīng)力最小點(diǎn)之間建立一條危險(xiǎn)路徑，即如圖13所示左（右）側(cè)板線性化路徑，危險(xiǎn)路徑計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

圖12 提環(huán)座Mises應(yīng)力分布云圖

圖13 左（右）側(cè)板額定載荷下線性化路徑

圖14 左（右）側(cè)板額定載荷下線性化結(jié)果

根據(jù)ASME規(guī)范及其公式要求，計(jì)算得Sm=σb/3=501/ 3=167 MPa。分析中取系數(shù)K=1.0。1.5KSm=1.5×1.0×167= 250 MPa；3Sm=3×167=501 MPa。

通過(guò)模型計(jì)算得到額定載荷下線性化路徑二：Pm=82.64 MPa，Pb=157.52 MPa，Q=109.16 MPa，Pm+Pb+Q= 344.5 MPa。根據(jù)ASME規(guī)范設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)其在額定載荷下線性化路徑校核結(jié)果：

通過(guò)該危險(xiǎn)路徑的計(jì)算，結(jié)果表明在額定載荷作用下，左（右）側(cè)板的強(qiáng)度滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。說(shuō)明左（右）側(cè)板的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)條件。

3 結(jié)論

1）YC450（PSL2）游車(chē)提環(huán)座采用特種材料、新技術(shù)、新工藝，解決了API 8C PSL2級(jí)產(chǎn)品探傷要求很難滿足的問(wèn)題。

2）通過(guò)UG NX7.5建模，導(dǎo)入ANSYS14.0進(jìn)行有限元分析，在額定壓力下，YC450（PSL2）游車(chē)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足ASMEⅧ規(guī)范要求。證明建立的有限元模型是正確的。各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且該游車(chē)具有結(jié)構(gòu)緊湊、合理及維護(hù)方便等特點(diǎn)。

3）通過(guò)改變各主承載件高應(yīng)力部位的結(jié)構(gòu)，使得該游車(chē)在滿足安全和使用要求的前提下具有最優(yōu)的幾何結(jié)構(gòu)。有限元分析方法有助于設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步了解設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，節(jié)省了試驗(yàn)成本。

4）該新型YC450（PSL2）游車(chē)目前已投入油田使用，該產(chǎn)品提高了YC450游車(chē)的質(zhì)量等級(jí)，滿足了用戶的多樣化需求。

［1］ API SPEC 8C，Specification for Drilling and Production Hoisting Equipmen（tPSL1 and PSL2）［S］.

［2］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code（sectionⅧDivision 2）［S］.SI Edition，2001.

［3］ 陳義厚，李建文.YC450游動(dòng)滑車(chē)零部件的有限元強(qiáng)度分析［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010，39（2）：76-79.

［4］ 楊西萍.YC585游動(dòng)滑車(chē)的安全性能評(píng)定［J］.機(jī)械制造與研究，2013，26（123）：41-43.

［5］ 黃咸璞，黨元，高峰.YG135整體式游車(chē)大鉤的設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1996，25（5）：11-16.

［6］ 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010：33-88.

（編輯昊 天）

Structure Design and Strength Analysis of YC450（PSL2）Travelling Block

HUI Chuanchuan,LI Hongbo， LIAO Gang,WANG Wenjun,JIN Xiaoqing， LIANG Shunan
（National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center,Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002，China）

In order to meet the requirements of defect detection,self-contained YC450 (API 8C PSL2 grade)travelling block for ultra-deep drilling rig PSL2 is designed,and the structure of traditional travelling block is improved.Through UG NX7.5 modeling and finite element method analysis,the ASMEⅧ specification is used to test strength.The result show that,the travelling block strength can meet requirements of the ASME Ⅷ specification,and satisfiy the requirement of API 8C PSL2 grade the quality on the structure.

travelling block;PSL2;structure design;finite element

TE 92

A

1002－2333（2014）05－0170－04

惠川川（1985—），男，助理工程師，從事石油機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)與研究工作。

2014-02-22