伍曉龍，劉凡柏

（中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及人口的持續(xù)增長，對石油、天然氣、鐵、銅、鉻、鉀鹽等礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，地表礦、淺部礦、易識別礦日益減少，重要資源的可采儲量顯著下降，難以滿足現(xiàn)代化建設(shè)的需要，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境供給不足的矛盾日益突出。國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對深部勘探技術(shù)提出了迫切需求。我國的巖心鉆探設(shè)備仍以20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的立軸式鉆機(jī)為主，除少數(shù)機(jī)型鉆進(jìn)能力可達(dá)3000 m外，多數(shù)機(jī)型在2000 m以內(nèi)?！笆晃濉逼陂g，國家“863”計(jì)劃安排了重點(diǎn)項(xiàng)目“2000 m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的研究工作，只能滿足2000～2500 m隱伏礦床資源勘探的需要。為給深部地質(zhì)勘探及巖石圈科學(xué)鉆探研究提供強(qiáng)有力的支撐，急需開展深孔用成套地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)及其裝備的攻關(guān)研究。因此，開展4000 m地質(zhì)巖心成套技術(shù)裝備研究，對提升我國的鉆探技術(shù)水平，滿足資源勘探的迫切需求是非常必要的，對于緩解目前資源短缺制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”、發(fā)現(xiàn)新的礦產(chǎn)地、實(shí)現(xiàn)資源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)研究內(nèi)容主要包括：電驅(qū)動力頭系統(tǒng)、電驅(qū)轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)、鉆具升降系統(tǒng)、巖心打撈系統(tǒng)、鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、交流變頻控制系統(tǒng)、鉆進(jìn)與儀表參數(shù)監(jiān)測及操控系統(tǒng)、鉆具機(jī)械化擰卸裝置、鉆柱移排管系統(tǒng)、鉆具卡夾機(jī)構(gòu)、鉆機(jī)底座及桅桿等。本文就4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)桅桿進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。眾所周知，對于任何一款鉆機(jī)而言，桅桿都是其重要的組成部分，是鉆機(jī)的主要承重部位［1-3］。主要用于擺放鉆桿、安裝天車、起升裝置等零部件、承受反扭矩等。受力情況復(fù)雜，使用狀況惡劣，桅桿的承載能力對井下施工作業(yè)有著重要的影響。因此在桅桿的設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)對其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算，對其進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，這些都為鉆機(jī)桅桿的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及應(yīng)用提供重要的依據(jù)；對其進(jìn)行模態(tài)分析，能夠掌握桅桿的固有振動特性與振型，并與桅桿中的振動源頻率進(jìn)行對比，減少共振的發(fā)生，提高桅桿的使用壽命［4］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)是勘探技術(shù)所研制的一款新型巖心鉆探設(shè)備，能夠滿足多種工況使用，集機(jī)電液于一體化，其HQ（?89 mm）口徑鉆深能力為4000 m，采用頂驅(qū)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行高轉(zhuǎn)速取心鉆進(jìn)。桅桿底部設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可進(jìn)行大扭矩低轉(zhuǎn)速全面鉆進(jìn)。桅桿設(shè)計(jì)如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)為K形，主要由桅桿主體、二層臺、梯子、天車以及桅桿附件等組成。其中桅桿主體總高為37425 mm，材質(zhì)為Q345B工字鋼，由七段桅桿短節(jié)通過銷軸、耳板連接而成，方便拆卸，便于運(yùn)輸，節(jié)約場地。其背面采用斜拉梁和橫梁布置提高桅桿整體強(qiáng)度，保證其穩(wěn)定性。桅桿有效高度為33850 mm，使用液壓油缸加鋼絲繩的倍速機(jī)構(gòu)進(jìn)行井架的垂直升降，占地面積小，起升效率高，安全性增強(qiáng)。二層臺位于距桅桿底部21153 mm處，主要用于擺放鉆桿、鉆鋌以及為工人提供站立平臺進(jìn)行起下鉆作業(yè)，在其周圍設(shè)置有護(hù)欄，防止意外情況的發(fā)生。桅桿外側(cè)均安裝爬梯，方便工作人員到達(dá)工作位置。

圖1 桅桿設(shè)計(jì)Fig.1 Mast design

2 工況與載荷分析

桅桿是鉆機(jī)承載鉆具反扭矩、承受鉤載和所擺放鉆具的重力并確保鉆機(jī)保持穩(wěn)定的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度和剛度都會影響整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性［5-7］。因此，對桅桿進(jìn)行工況和載荷分析不僅可以檢驗(yàn)方案的合理性，也為后續(xù)進(jìn)行ANSYS分析打下基礎(chǔ)［8-10］。鉆機(jī)桅桿主要有3種工作情況：無風(fēng)載最大鉤載、有風(fēng)載額定鉤載、最大風(fēng)載。

工況一（無風(fēng)載最大鉤載）：在無風(fēng)載最大鉤載工況下，桅桿主要受到最大鉤載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷，具體載荷如表1所示。

表1 工況一載荷參數(shù)Table 1 Load parameters for Case 1 working condition

工況二（有風(fēng)載額定鉤載）：在有風(fēng)載額定鉤載工況下，桅桿主要受到額定鉤載、一定風(fēng)載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷。風(fēng)載主要是指空氣流動時(shí)產(chǎn)生的動能作用于桅桿上，風(fēng)載公式為：

式中：W——受到的風(fēng)壓，W=0.6115V2K0KgK；V——風(fēng)速，K0——高度系數(shù)；Kg——形狀系數(shù)；K——體型系數(shù)［11］；f——風(fēng)載面積。

在額定鉤載正常工作時(shí)，取風(fēng)速最大為15.5 m/s。具體載荷如表2所示。

表2 工況二載荷參數(shù)Table 2 Load parameters for Case 2 working condition

工況三（最大風(fēng)載）：在最大風(fēng)載工況下，桅桿主要受到最大風(fēng)載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷。在最大風(fēng)載工況下，風(fēng)速最大為36 m/s，具體載荷如表3所示。

表3 工況三載荷參數(shù)Table 3 Load parameters for Case 3 working condition

3 靜力學(xué)分析

當(dāng)分析對象結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，首先要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化，然后再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析［12-13］。本文主要是對鉆機(jī)桅桿進(jìn)行分析，其零部件較多，因此必須對三維模型進(jìn)行簡化。

（1）銷軸的簡化處理。桅桿與桅桿連接處使用的是銷軸，銷軸的尺寸較小，無法劃分出高質(zhì)量網(wǎng)格，并且影響接觸的設(shè)置。因此將銷軸簡化為兩端封閉的圓柱體，這樣能夠得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，并且減少接觸對的數(shù)量。

（2）桅桿附件接觸對種類數(shù)目較雜，不是本次研究分析的主要對象，因此將其全部忽略，將其重力全部疊加到桅桿的總重力中。

（3）所有零件的工藝性圓角或裝飾性圓角均忽略；忽略焊接對結(jié)構(gòu)的影響；非主要受力部位的孔和槽結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)。

（4）本次分析中主要研究對象是桅桿，各桿件連接均為剛性連接。

簡化后的桅桿三維模型如圖2所示，導(dǎo)入ANSYS Workbench后，對零件進(jìn)行了切分，對切分后的body運(yùn)用Body Sizing和Face Sizing等局部網(wǎng)格控制方法。組中得到網(wǎng)格數(shù)46007個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)232744個(gè)，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.869，能夠滿足靜力學(xué)有限元分析對網(wǎng)格質(zhì)量的要求［14］，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖2 簡化后桅桿三維模型Fig.2 Simplified 3D model for the mast

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Meshing results

3.1 無風(fēng)載最大鉤載

在桅桿下端添加固定約束，在桅桿上添加工況一載荷對模型進(jìn)行求解。

圖4所示是桅桿的最大等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在天車支架與桅桿頂端的連接處，最大等效應(yīng)力≯238.08 MPa；圖5所示是桅桿的總變形云圖，最大變形出現(xiàn)在天車支架處，最大變形≯10.8 mm。

圖4 工況一等效應(yīng)力云圖Fig.4 Equivalent stress nephogram for Case 1 working condition

圖5 工況一總變形云圖Fig.5 Total deformation nephogram for Case 1 working condition

桅桿材料選用的是Q345鋼，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，取安全系數(shù)1.3，則許用應(yīng)力為：

靜力學(xué)分析結(jié)果中最大等效應(yīng)力為238.08 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度265 MPa；最大變形為10.743 mm，與桅桿零部件尺寸相比可忽略，因此可看出桅桿強(qiáng)度和剛度滿足要求。

3.2 有風(fēng)載額定鉤載

在桅桿下端添加固定約束，在桅桿上添加工況二載荷對模型進(jìn)行求解。

圖6所示是桅桿的最大等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在天車支架與桅桿頂端的連接處，最大等效應(yīng)力≯179.31 MPa。圖7所示是桅桿的總變形云圖，最大變形≯14.1 mm。靜力學(xué)分析結(jié)果中最大等效應(yīng)力為179.31 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度265 MPa；最大變形為14.029 mm，與桅桿零部件尺寸相比可忽略，因此可看出桅桿強(qiáng)度和剛度滿足要求。

圖6 工況二等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress nephogram for Case 2 working condition

圖7 工況二總變形云圖Fig.7 Total deformation nephogram for Case 2 working condition

3.3 最大風(fēng)載

在桅桿下端添加固定約束，在桅桿上添加工況三載荷對模型進(jìn)行求解。

圖8所示是桅桿的最大等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在天車支架與桅桿頂端的連接處，最大等效應(yīng)力≯226.17 MPa。圖9所示是桅桿的總變形云圖，最大變形≯49.33 mm。靜力學(xué)分析結(jié)果中最大等效應(yīng)力為226.17 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度265 MPa；最大變形為49.325 mm，與桅桿零部件尺寸相比可忽略，因此可看出桅桿強(qiáng)度和剛度滿足要求。

圖8 工況三等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress nephogram for Case 3 working condition

圖9 工況三總變形云圖Fig.9 Total deformation nephogram for Case 3 working condition

從3種工況的結(jié)果來看，第一種工況在桅桿最大負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其等效應(yīng)力最大；第三種工況在風(fēng)力最大、無負(fù)載不工作的情況下，變形最大，但是都能夠符合桅桿的強(qiáng)度和剛度要求。

4 模態(tài)分析

模態(tài)分析［15］主要用于進(jìn)行桅桿的振動測量以及為結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析提供依據(jù)［14，16］，它能夠比較精確地測得桅桿的固有頻率和振型，從而幫助進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使桅桿結(jié)構(gòu)更趨完善和合理。它能夠防止桅桿各零部件之間發(fā)生共振引起的破壞和噪聲問題。

該鉆機(jī)的動態(tài)構(gòu)件主要為轉(zhuǎn)盤和起升系統(tǒng)，轉(zhuǎn)盤為電機(jī)直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速在0～200 r/min之間，最大頻率≯3.34 Hz；起升系統(tǒng)也為電機(jī)直接驅(qū)動，滾筒轉(zhuǎn)速為0～250 r/min，最大頻率≯4.2 Hz。當(dāng)桅桿在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，桅桿處于靜止?fàn)顟B(tài)，其固有頻率與施加的載荷無關(guān)，邊界條件為底端固定全約束，得到桅桿前10階固有頻率，如表4所示。

表4 桅桿前10階固有頻率及變形參數(shù)Table 4 The first 10 intrisinc frequencies and deformation parameters of the mast

對比桅桿固有頻率與鉆機(jī)動態(tài)構(gòu)件的頻率，發(fā)現(xiàn)桅桿動態(tài)構(gòu)件頻率較低，最大頻率≯4.2 Hz，因此具有實(shí)際意義的只有前4階桅桿的固有頻率與振型，如圖10～13所示。

第一階模態(tài)振型主要為桅桿進(jìn)行前后搖擺振動，其主要變形發(fā)生在桅桿頂部沿Y軸方向，最大變形量為0.282 mm，沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動；第二階模態(tài)振型主要為桅桿進(jìn)行左右搖擺振動，其主要變形發(fā)生在桅桿頂部沿Z軸方向，最大變形量為0.256 mm，沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動；第三階模態(tài)振型主要為桅桿進(jìn)行大幅度的左右搖擺振動以及繞X軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，其主要變形發(fā)生在桅桿頂部沿Z軸方向和第三、第四桅桿段，最大變形量為0.273 mm；第四階模態(tài)振型主要為桅桿進(jìn)行大幅度繞X軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，其主要變形發(fā)生在第五、第六桅桿段，最大變形量為0.329 mm。

圖10 一階頻率Fig.10 First-order frequencies

圖11 二階頻率Fig.11 Second-order frequency

圖12 三階頻率Fig.12 Third-order frequency

圖13 四階頻率Fig.13 Fourth-order frequency

桅桿轉(zhuǎn)盤和滾筒的頻率都在桅桿前三階固有頻率之中，如果它們的頻率接近時(shí)就有可能發(fā)生擾動，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，因此在進(jìn)行驅(qū)動轉(zhuǎn)盤和滾筒時(shí)要注意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在模態(tài)振動中，桅桿最大變形量都較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文討論了4000 m地質(zhì)巖心鉆機(jī)桅桿的設(shè)計(jì)方案，建立了桅桿的三維模型，對桅桿裝配體不同工況下受到的載荷進(jìn)行了有限元分析，得到了桅桿在不同工況下的受力變形結(jié)果；還對其進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了桅桿的固有頻率。通過與鉆機(jī)激振源的頻率進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)共振主要可能發(fā)生在前三節(jié)固有頻率中，但是其最大變形處變形量較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。通過有限元分析表明該鉆機(jī)桅桿的強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際工作的需要，在工作過程中變形量較小，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。