柴璇

（天津知時(shí)捷科技發(fā)展有限公司，天津 300300）

在頂部驅(qū)動裝置所有工作裝置中，旋轉(zhuǎn)頭是一個核心的工作部件，它承重上百噸重量，該部件必須可靠耐用，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

目前，國內(nèi)外對常溫頂部驅(qū)動裝置研究較多，對低溫頂驅(qū)研究卻很少。頂部鉆井裝置應(yīng)用在低溫場合下的情況較多，因此要求其材質(zhì)必須具備較高強(qiáng)度和較好的沖擊韌性。采用低碳鉻鎳鉬鋼+稀土元素，是低溫頂驅(qū)鑄鋼件材質(zhì)應(yīng)用的趨勢。本文根據(jù)石油及鑄造行業(yè)通常使用的具有較高強(qiáng)度和較好韌性的材料，以及相關(guān)資料，采用ZG28CrNiMoRe作為低溫頂部驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)頭的材質(zhì)。利用有限元分析，計(jì)算ZG28CrNiMoRe旋轉(zhuǎn)頭的強(qiáng)度和剛度；選擇合適的熱處理加工工藝；對ZG28CrNiMoRe的樣品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有限元分析

1.1 線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析原理

假設(shè)所選結(jié)構(gòu)件為線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)，不考慮慣性和阻尼的影響。在線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中力與時(shí)間無關(guān)，因此，有限元線性靜態(tài)分析公式如下：

[K]{x}={F}

式中：[K]——剛度系數(shù)矩陣；

{x}——結(jié)構(gòu)位移矢量；

{F}——結(jié)構(gòu)外力矢量。

1.2 旋轉(zhuǎn)頭靜態(tài)分析

（1）幾何模型建立。對模型進(jìn)行局部簡化，在SOLIDWORKS建立有限元模型，在ANSYSWorkbench中導(dǎo)入幾何體文件。

（2）材料設(shè)置。旋轉(zhuǎn)頭使用的材質(zhì)是ZG28CrNiMoRe，根據(jù)SY/T5053-2004標(biāo)準(zhǔn)要求，鑄鋼件材料最終熱處理后的力學(xué)性能應(yīng)滿足：材料的抗拉強(qiáng)度σb≥640MPa，屈服強(qiáng)度σs≥540MPa，斷后延伸率為δ≥15%，斷面收縮率ψ≥25%，沖擊功AKV≥27J。參數(shù)設(shè)置彈性模量E=2.1e11，泊松比μ=0.3。

（3）網(wǎng)格劃分。對模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，單元長度為30mm，有限元網(wǎng)格共有30197個節(jié)點(diǎn)，51488個單元。如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)頭網(wǎng)格劃分

（4）約束與加載。旋轉(zhuǎn)頭接觸部位加約束，在兩側(cè)吊耳處加載。

（5）結(jié)果分析。圖2為旋轉(zhuǎn)頭應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如圖2可知，Von-Misese應(yīng)力值較大區(qū)域在吊鉤與旋轉(zhuǎn)頭吊耳接觸區(qū)偏上方圓弧過渡處，數(shù)值最大值σmax為276MPa，依據(jù)第四強(qiáng)度理論知識以及APISpec8C規(guī)定 可 知， 許 用 應(yīng) 力 [σ]=σs/n=655/2.25=291.1MPa，σmax≤[σ]，最大值在許用范圍之內(nèi)，故強(qiáng)度滿足要求。圖3為變形計(jì)算結(jié)果，如圖3可知，旋轉(zhuǎn)頭兩側(cè)吊耳處承載，故最大變形量在兩側(cè)吊耳處，且最大變形值為0.8，可忽略不計(jì)，剛度滿足要求。

圖2 旋轉(zhuǎn)頭應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表1 ZG28CrNiMoRe各溫度下拉伸與沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖3 旋轉(zhuǎn)頭變形結(jié)果

通過分析計(jì)算以及實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，我們需注意以下：（1）鑄造用的模型制作應(yīng)特別注意圓角過渡曲線，防止應(yīng)力集中。（2）吊耳圓弧處為非加工面，應(yīng)特別注意零件毛坯的打磨修整。（3）零件的無損探傷應(yīng)保證無鑄造缺陷。

2 熱處理工藝選擇

ZG28CrNiMoRe旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)滿足要求，還必須有合適的熱處理加工工藝。

在旋轉(zhuǎn)頭鑄后的熱處理工序中，淬火的加熱溫度對其淬火后的組織和性能有著重大影響，而淬火溫度的選擇主要是根據(jù)鋼的化學(xué)成分來確定，ZG28CrNiMoRe屬于亞共析鋼，為使共析鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并考慮有利于奧氏體形成和得到細(xì)小奧氏體晶粒，亞共析鋼的淬火溫度推薦為：AC3+（30～50）℃。在生產(chǎn)上，用于過冷奧氏體穩(wěn)定性比較大的合金鋼通常用油作介質(zhì)。綜合考慮工件尺寸、淬火介質(zhì)，該鑄鋼件的淬火加熱溫度為：870～890℃。

根據(jù)經(jīng)典回火方程可知：回火溫度和時(shí)間對硬度和沖擊功有顯著的影響，其中回火溫度更加顯著。對于含鉻、鎳、錳等元素的合金鋼淬火后在500～650℃回火，緩冷易產(chǎn)生可逆回火脆性，為防止它，小零件采用回火時(shí)快冷，大零件可選用含鎢或鉬的合金鋼。合金鋼在300～400℃之間和500～550℃之間出現(xiàn)兩個極小值，即低溫回火脆性和高溫回火脆性。因此回火溫度應(yīng)避開此溫度范圍。當(dāng)回火溫度在640～660℃范圍內(nèi)時(shí)，材料的沖擊韌性較高。

綜合以上，選出最優(yōu)工藝組合：890℃×80min淬火，650℃×75min回火。

3 試驗(yàn)

對ZG28CrNiMoRe樣品進(jìn)行金屬拉伸試驗(yàn)以及夏比缺口沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

通過以上數(shù)據(jù)，可知，ZG28CrNiMoRe在各個溫度條件下，拉伸性能和沖擊性能均滿足鑄造行業(yè)和石油標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

通過ANSYS計(jì)算分析，對ZG28CrNiMoRe頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭進(jìn)行靜力強(qiáng)度與剛度校核，均滿足要求。

選擇合適的熱處理加工工藝：890℃×80min淬火，650℃×75min回火。

試驗(yàn)驗(yàn)證ZG28CrNiMoRe樣品，均能滿足低溫狀態(tài)下的力學(xué)要求。