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        基于Simulation樁頂鉆機鉆桿系統(tǒng)研究

        2019-12-05 08:29:44聶文杰侯紅恩龍海濱
        天津科技 2019年11期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)變形分析

        聶文杰,張 波,侯紅恩,龍海濱

        (太重(天津)濱海重型機械有限公司技術(shù)中心 天津300457)

        0 引 言

        鉆桿系統(tǒng)是樁頂鉆機的關(guān)鍵部件,連接動力頭與鉆具,傳遞動力頭扭矩和壓力,鉆桿工作中若產(chǎn)生嚴重彎曲變形,會導致鉆具無法正常工作,因此有必要對鉆桿的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性等方面進行研究,以保證鉆桿的剛度、強度,確保鉆機可靠工作。本項目基于 DR5800樁頂鉆機,鉆桿最大承受鉆壓 1450kN,最大扭矩 500kN·M,鉆頭卡阻狀態(tài)最大扭矩750kN·M,具體研究了鉆桿的剛度、強度、穩(wěn)定性,分析當前鉆桿系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)是否合理。

        1 樁頂鉆機簡介

        圖1 樁頂鉆機Fig.1 Pile top drilling rig

        樁頂鉆機是風電樁基施工的關(guān)鍵設(shè)備,如圖1所示,主要由龍門架、動力頭、主平臺、樁接頭、穩(wěn)定器、鉆桿、過渡接頭、平衡器、鉆具等部件組成。樁頂鉆機通過樁接頭與基礎(chǔ)樁上端固定,利用龍門架內(nèi)液壓缸提供垂直鉆壓,利用液壓馬達通過動力頭傳動扭矩。鉆桿系統(tǒng)是連接動力頭與鉆具的關(guān)鍵部件,傳遞扭矩和壓力到鉆具處,完成對巖石層的鉆挖工作。

        2 鉆桿類型分析及受力模型簡化

        2.1 鉆桿類型分析

        目前主流鉆桿類型分為單層壁鉆桿和雙層壁鉆桿,如圖2、3所示。單層壁鉆桿由厚壁鋼管構(gòu)成泥漿管路,由兩側(cè)橡膠軟管構(gòu)成氣體管路,鉆桿結(jié)構(gòu)緊湊,但氣體管路裸露在外,易受泥漿侵蝕;雙層壁鉆桿由內(nèi)外兩側(cè)薄壁鋼管分別構(gòu)成泥漿管路和氣體管路,這種結(jié)構(gòu)可有效保護氣體管路不受外部泥漿的侵蝕,但雙層壁鉆桿既需要保證內(nèi)部泥漿排出的通徑,又要將氣體管路包裹進去,因此最外層的管徑相應(yīng)需要加大,造成上部法蘭變大,鉆桿重量變大,同時也使得整機夾持裝置、動力頭等尺寸加大。結(jié)合本機類型及鉆桿的優(yōu)缺點,本文采用單層壁鉆桿為研究對象,鉆桿材料選用 42CrMo,外徑 380mm,內(nèi)徑310mm,單根鉆桿長度 3m,最大鉆深情況下共需21根鉆桿,合計總長63m。

        圖2 單層壁鉆桿Fig.2 Single wall drill pipe

        圖3 雙層壁鉆桿Fig.3 Double wall drill pipe

        2.2 鉆桿受力模型簡化

        鉆桿主要作用是傳遞軸向壓力和扭矩。樁頂鉆機實際工作中的工況主要分為2類:正常工作狀態(tài)和卡阻工作狀態(tài)。正常工作狀態(tài)下,鉆桿承受鉆孔所需的正壓力和扭矩;卡阻工作狀態(tài),鉆頭卡入巖層之中,需要更大的扭矩克服巖層阻力。2種工作狀態(tài)中,受力均包括正壓力F,扭矩M,鉆桿重力G,詳細數(shù)值見表 1。根據(jù)受力情況,本文將鉆桿的兩端簡化為下端固定、上端鉸支的壓桿[1],如圖4。

        表1 鉆桿受力及42CrMo許用數(shù)值Tab.1 Drill pipe force and 42 CrMo permitted values

        圖4 鉆桿受力模型簡化Fig.4 Simplification of drill pipe force model

        3 鉆桿系統(tǒng)分析

        3.1 鉆桿靜力分析

        鉆桿靜力分析是在鉆桿承受靜態(tài)正壓力和扭矩情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析,保證鉆桿的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

        3.1.1 正常工作狀態(tài)下分析結(jié)果

        鉆桿最大應(yīng)力為 206MPa,發(fā)生在鉆桿與接頭連接焊縫處(圖5),安全系數(shù) 4.5,大于 3,滿足設(shè)計要求。

        鉆桿最大垂直變形量 11.7mm,由圖6可見,垂直變形量由上到下逐漸變小,最大變形發(fā)生在上部與動力頭連接部位。

        圖5 應(yīng)力分析Fig.5 Stress analysis

        圖6 垂直變形 Fig.6 Vertical deformation

        圖7 扭轉(zhuǎn)變形Fig.7 Torsional deformation

        鉆桿扭轉(zhuǎn)最大變形量 92.3mm,由圖 7可見,扭轉(zhuǎn)變形量由鉆桿最大外徑向中心逐漸變小,最大變形發(fā)生在鉆桿上部最大外徑處,安全系數(shù) 3.5,大于 2,滿足設(shè)計要求。

        3.1.2 卡阻工作狀態(tài)下分析

        鉆桿最大應(yīng)力 293MPa,發(fā)生在鉆桿與接頭連接焊縫處如圖8所示,安全系數(shù)3.17,大于3,滿足設(shè)計要求。

        鉆桿最大垂直變形量:11.7mm,由圖 9可見,垂直變形量由上到下逐漸變少,最大變形發(fā)生在上部與動力頭連接部位。

        鉆桿扭轉(zhuǎn)最大變形量:138.5mm,由圖10可見,扭轉(zhuǎn)變形量由鉆桿最大外徑向中心逐漸變少,最大變形發(fā)生在鉆桿上部最大外徑處,安全系數(shù) 2.34,大于2,滿足設(shè)計要求。

        圖8 應(yīng)力分析Fig.8 Stress analysis

        圖9 垂直變形Fig.9 Vertical deformation

        圖10 扭轉(zhuǎn)變形Fig.10 Torsional deformation

        3.2 鉆桿模態(tài)分析

        鉆機工作過程中,鉆桿要承受動力頭的扭矩和壓力,同時鉆桿要以一定的回轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動,這將產(chǎn)生振動,鉆桿的橫向振動將會對鉆機的鉆孔垂直度產(chǎn)生重大影響[2],故需通過鉆桿的模態(tài)分析為避免共振提供理論依據(jù)。經(jīng)研究當鉆進深度不斷增加時,其固有頻率不斷減小。這是由于隨著鉆進的深入,鉆桿的整體長度增加,使得鉆桿的整體剛度降低,固有頻率減小,因此轉(zhuǎn)速的變化極易引起鉆桿的共振。

        DC-DC技術(shù)是電能變換的重要形式,廣泛應(yīng)用于各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域[1]。在直流電機驅(qū)動、不間斷電源、航空航天電源、太陽能風能發(fā)電領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。直流變換電路拓撲眾多,最基本的是Buck和 Boost電路,廣泛應(yīng)用的如反激電路等[2-6]。

        DR5800樁頂鉆機最大回轉(zhuǎn)速度 15r/min,因此激勵源頻率 f=15/60=0.25,模態(tài)分析結(jié)果如表2所示,一階模態(tài)如圖11所示,可知鉆桿激勵源頻率遠離鉆桿各階模態(tài),故鉆桿無發(fā)生共振的風險。數(shù)據(jù)中鉆桿振動頻率出現(xiàn)兩兩相近的情況,這主要是因為所建模型軸對稱,其在對稱平面出現(xiàn)2種相同振型。

        圖11 一階模態(tài)Fig.11 First-order modes

        3.3 鉆桿屈曲分析

        鉆進過程中,鉆桿處于受壓狀態(tài),限制鉆桿變形的穩(wěn)定器支撐在井壁上,受到摩擦力。鉆桿在較小壓力作用下可以保持穩(wěn)定,但當巖層較硬,壓力增大到一定程度時,鉆桿容易發(fā)生彎曲失穩(wěn),甚至折斷。由于鉆孔直徑(D=5800mm)與鉆桿直徑(d=380mm)相差很大,在加壓運轉(zhuǎn)過程中,易引起鉆桿失穩(wěn)破壞。為保證鉆桿穩(wěn)定運行,需根據(jù)實際工況增設(shè)穩(wěn)定器,支撐在井壁上。

        表2 模態(tài)分析結(jié)果匯總Tab.2 Summary of modal analysis results

        利用能量法推導鉆桿在同時承受壓力、扭矩、重力作用下的臨界壓力方程如下[3]:

        式中:F—臨界壓力;E—彈性模量;I—界面慣性矩;l—鉆桿長度;m—鉆桿質(zhì)量;T—扭矩;G—切邊模量;δ—穩(wěn)定器與樁的間距。

        可見隨著鉆深的增加,臨界壓力值呈減少趨勢。因此有必要在不同鉆深工況下,討論鉆桿穩(wěn)定性問題。

        利用 Solidworks Simulation的屈曲分析模塊分析不同鉆桿長度下的臨界載荷如圖12,可知鉆桿長度約為40m時,載荷因子小于2,此時有必要增加穩(wěn)定器,穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)如圖13所示。

        下面的分析中,在鉆桿長度為 30m 時,增加穩(wěn)定器,分析可知增加穩(wěn)定器后 63m 長鉆桿屈曲載荷因子為 2.3138,可滿足工作要求,分析結(jié)果如圖14。隨著鉆進長度的增加,在豎直鉆桿上間隔布置穩(wěn)定器,主要有 2個作用:導向作用,保證鉆具系統(tǒng)在鉆孔過程中保持一定的方向;增加鉆桿剛度,限制鉆桿變形,從而減小鉆桿失穩(wěn)屈曲變形的可能性。

        圖12 鉆桿長度與載荷因子關(guān)系Fig.12 Relationship between length of drill pipe and load factor

        圖13 穩(wěn)定器支撐圖Fig.13 Stabilizer support diagram

        圖14 屈曲分析結(jié)果Fig.14 Result of buckling analysis

        3.4 鉆桿疲勞分析

        大量工程實踐表明,構(gòu)件在交變應(yīng)力長期作用下,即使其最大工作應(yīng)力低于材料的強度極限,甚至低于屈服極限,也常會在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生斷裂破壞。由于這種破壞經(jīng)常發(fā)生在構(gòu)件長期運轉(zhuǎn)后,故稱為疲勞破壞。鉆桿系統(tǒng)處于正壓力及扭矩的交變應(yīng)力作用下,工作周期長,鉆桿易發(fā)生疲勞破壞。

        本文采用恒幅載荷下的有限壽命設(shè)計。額定扭矩為對稱循環(huán)交變應(yīng)力,R=-1,工作時間占比 80%,50%扭矩工作時間占比 20%,安全系數(shù) 1.34;正壓力為脈動循環(huán)交變應(yīng)力,R=0,安全系數(shù)1.34。疲勞分析結(jié)果表明,由于模型中的交變應(yīng)力始終小于 S-N曲線值的最小值,如圖15所示,鉆桿并無產(chǎn)生疲勞破壞,分析結(jié)果如圖16所示。

        圖15 42CrMo S-N曲線Fig.15 42CrMo S-N curve

        圖16 疲勞分析結(jié)果Fig.16 Results of fatigue analysis

        4 結(jié)論及展望

        文中分析了主流鉆桿的類型,總結(jié)不同類型鉆桿的優(yōu)缺點。分析鉆桿工況,將鉆桿工況分為正常工作狀態(tài)和卡阻工作狀態(tài),最后在不同工況下分別進行了靜力分析、頻率分析、屈曲分析、疲勞分析,確定鉆桿結(jié)構(gòu)滿足工況要求。

        由于樁頂鉆機的工況復雜,本文的分析仍有許多技術(shù)需要進一步研究:

        ①疲勞分析中的 S-N曲線數(shù)值是根據(jù)《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》中φ120熱軋棒材在99.9%存活率下的缺口式樣數(shù)據(jù)編制,試驗棒材與本項目的鉆桿系統(tǒng)有較大差別,因此準確的 S-N曲線數(shù)據(jù)需要進一步通過試驗獲得。

        ②本文的分析未考慮泥漿對鉆桿的沖刷腐蝕,這是以后需要進一步研究的,另外對于特殊工況的把握尚未掌握充足的理論基礎(chǔ),例如在塌方特殊情況下,鉆桿如何保證強度穩(wěn)定性問題也需要進一步研究。

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