何娟 肖揚(yáng)

摘 要：采用有限元分析的手段，對(duì)石油鉆機(jī)平臺(tái)整體移運(yùn)用一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。依據(jù)分析結(jié)果，在保證設(shè)計(jì)安全裕度的前提下，對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了符合使用要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：整體移運(yùn);一線兩軸車橋;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

石油鉆機(jī)平臺(tái)一般具有體積大、重量重等特點(diǎn)，需要利用整體移運(yùn)裝置進(jìn)行設(shè)備搬家，以節(jié)省拆卸、安裝時(shí)間和搬家車次，從而提高搬家效率，降低搬家成本[1-2]。一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)是石油鉆機(jī)平臺(tái)搬家整體移運(yùn)裝置的主要承重部件，承擔(dān)著設(shè)備及其各部件的重量的同時(shí)，還承受了設(shè)備搬家移運(yùn)過程中產(chǎn)生的各種力與力矩。因此一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度以及合理性直接影響著石油鉆機(jī)平臺(tái)移運(yùn)過程中的安全性和可靠性。

整體移運(yùn)裝置用一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)個(gè)性化強(qiáng)、受力情況復(fù)雜，無法用經(jīng)驗(yàn)公式推算其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且其廠內(nèi)試驗(yàn)的工況模擬較困難，試驗(yàn)成本高，相應(yīng)生產(chǎn)周期也會(huì)延長(zhǎng)。為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，采用有限元分析的手段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，并依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，既能有效地提高產(chǎn)品可靠性，減短生產(chǎn)周期，又能降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高生產(chǎn)效益。

1 一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)要求

研制的一線兩軸車橋主要使用在相對(duì)較平坦的沙漠和戈壁地區(qū)的石油鉆機(jī)平臺(tái)整體移運(yùn)裝置上，作為移運(yùn)和駐車過程中的主要承重部件。要求整體承重能力為251000 kg，最大移動(dòng)速度為10 km/h，牽引狀態(tài)下最大加速度為0.3G。整體移運(yùn)高度約有60m，因路面有一定起伏波動(dòng)，移運(yùn)過程中整體裝置會(huì)發(fā)生的前后、左右傾斜，因此不僅要保證一線兩軸車橋的承載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還應(yīng)考慮其穩(wěn)定性和通過性等要求。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)左右輪距為1632 mm，前后輪跨距為3770 mm，離地間隙為746mm。一線兩軸車橋整體結(jié)構(gòu)主要包括主縱梁、聯(lián)接座、輪軸、車輪總成以及制動(dòng)系統(tǒng)總成等。兩輪軸分別裝有一對(duì)車輪總成作為支撐，聯(lián)接座在主縱梁上，通過滑動(dòng)軸承與主縱梁聯(lián)接。聯(lián)接座與主縱梁的連接結(jié)構(gòu)允許前后方向±8°的傾斜自由度，輪軸與主縱梁的連接結(jié)構(gòu)允許左右方向的擺動(dòng)自由度，滿足了石油鉆機(jī)移運(yùn)過程中傾斜擺動(dòng)的工況需求。整體移運(yùn)設(shè)備通過聯(lián)接座與一線兩軸車橋連接，再通過動(dòng)力帶動(dòng)設(shè)備移運(yùn)，實(shí)現(xiàn)搬家功能。在三維建模軟件中建立三維實(shí)體模型，如圖1所示。一線兩軸車橋的主縱梁主要由結(jié)構(gòu)鋼Q355焊接而成，輪軸采用42CrMoA材料鍛造焊接加工而成，滑動(dòng)軸承采用ZQAl9-4-4-2材料。

2 一線兩軸車橋的有限元分析

2.1有限元分析模型簡(jiǎn)化

對(duì)一線兩軸車橋進(jìn)行有限元分析前，需對(duì)其三維實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。利用軟件將模型中對(duì)受力分析無影響的零部件、孔、倒角、焊縫等簡(jiǎn)化處理，減少有限元分析計(jì)算量，制動(dòng)系統(tǒng)總成和車輪總成統(tǒng)一簡(jiǎn)化為輪軸兩端的剛性圓盤，模擬車輪接地，便于有限元計(jì)算的約束施加。

2.2定義材料屬性、劃分網(wǎng)格

根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)一線兩軸車橋材料屬性進(jìn)行定義，考慮所使用的板材的厚度因素，材料具體參數(shù)[3]見表1。

劃分網(wǎng)格步驟是有限元計(jì)算中關(guān)鍵的一步，模型單元的性質(zhì)和單元節(jié)點(diǎn)的數(shù)目決定著有限元計(jì)算模型與實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的相似程度，即只有選擇了合理單元類型和劃分足夠數(shù)量的單元，才能獲得符合實(shí)際情況的分析結(jié)果。本設(shè)計(jì)主要關(guān)注主縱梁和輪軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度情況，綜合考慮有限元分析模型結(jié)構(gòu)以及分析計(jì)算的精度、可行性和可靠性，對(duì)主縱梁和輪軸選用高3維8節(jié)點(diǎn)的Hex Dominant結(jié)構(gòu)單元格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為12.5 mm，對(duì)支撐用的剛性圓盤選用3維4節(jié)點(diǎn)的Tetrahedrons結(jié)構(gòu)單元格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為150 mm，用掃略方式對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。一線兩軸車橋有限元模型如圖2所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)為795008，單元數(shù)為2591456，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好。

2.3設(shè)置邊界條件

分析一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，施加相對(duì)應(yīng)的載荷約束。一線兩軸車橋整體受牽引方向的加速度為0.3G，牽引力為500000 N，載重251000 kg，垂直方向的重力加速度為1G。

2.4結(jié)果分析

通過有限元計(jì)算，一線兩軸車橋和主縱梁連接座處的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D如圖3、圖4所示。經(jīng)分析得到一線兩軸車橋的最大應(yīng)力點(diǎn)在主縱梁與輪軸連接處，最大應(yīng)力值為280 MPa（如圖3（a）所示），安全系數(shù)為S1=345/280=1.23，該處為鍛造焊縫結(jié)構(gòu)。另主縱梁與聯(lián)接座聯(lián)接處是行駛過程中主要受力點(diǎn)，此處的應(yīng)力值為178MPa（如圖4（a）所示），安全系數(shù)S2=345/178=1.94。考慮有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算時(shí)考慮的影響因素少于實(shí)際受力情況，為確保此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，提高該處結(jié)構(gòu)的安全裕度，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以增大此處的安全系數(shù)。

3 一線兩軸車橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)上述有限元分析結(jié)果對(duì)一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加主縱梁上、下翼板厚度和寬度，左、右腹板厚度，增大聯(lián)接座處銷軸直徑，并對(duì)聯(lián)接座處做增加加強(qiáng)筋處理，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。優(yōu)化后一線兩軸車橋和主縱梁連接座處的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖5、圖6所示。

優(yōu)化后的一線兩軸車橋最大應(yīng)力點(diǎn)仍在主縱梁與輪軸連接處，此時(shí)最大應(yīng)力值為245 MPa（如圖5（a）所示），S1=345/245=1.4，主要關(guān)注點(diǎn)主縱梁聯(lián)接座處的應(yīng)力值為131MPa（如圖6（a）所示），安全系數(shù)為S2=345/131=2.63，比優(yōu)化前的安全系數(shù)明顯提高，此處受力情況得到改善，改進(jìn)后應(yīng)變情況也良好。綜上所述，在保證安全裕度的前提下，經(jīng)過有限元分析計(jì)算，一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。

目前本設(shè)計(jì)產(chǎn)品已經(jīng)在阿聯(lián)酋石油鉆機(jī)整體移運(yùn)搬家中成功應(yīng)用，產(chǎn)品安全可靠。

4 總結(jié)

采用有限元分析的方法對(duì)石油鉆機(jī)平臺(tái)移運(yùn)用一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，并在保證安全裕度的前提下，對(duì)一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了符合實(shí)際使用要求的一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)形式。本文提供的有限元分析方法適用于試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算無法詳細(xì)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力和變形情況的設(shè)計(jì)場(chǎng)合，既為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，又有效地縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)周期、降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李亞輝，侯文輝，劉志林等. 7000m快速移運(yùn)拖掛鉆機(jī)設(shè)計(jì)[J] . 石油機(jī)械，2015，43（9）：37-41.

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作者簡(jiǎn)介：

何娟（1988-），女，湖南湘電集團(tuán)有限公司，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。