伍曉龍,劉凡柏
(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊065000)
隨著我國經濟規(guī)模的不斷擴大以及人口的持續(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,難以滿足現代化建設的需要,社會經濟發(fā)展與資源環(huán)境供給不足的矛盾日益突出。國民經濟發(fā)展對深部勘探技術提出了迫切需求。我國的巖心鉆探設備仍以20世紀70年代發(fā)展起來的立軸式鉆機為主,除少數機型鉆進能力可達3000 m外,多數機型在2000 m以內?!笆晃濉逼陂g,國家“863”計劃安排了重點項目“2000 m地質巖心鉆探關鍵技術與裝備”的研究工作,只能滿足2000~2500 m隱伏礦床資源勘探的需要。為給深部地質勘探及巖石圈科學鉆探研究提供強有力的支撐,急需開展深孔用成套地質巖心鉆探技術及其裝備的攻關研究。因此,開展4000 m地質巖心成套技術裝備研究,對提升我國的鉆探技術水平,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濟發(fā)展的“瓶頸”、發(fā)現新的礦產地、實現資源產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大的現實意義。4000 m地質巖心鉆機研究內容主要包括:電驅動力頭系統、電驅轉盤系統、鉆具升降系統、巖心打撈系統、鉆機給進系統、液壓系統、交流變頻控制系統、鉆進與儀表參數監(jiān)測及操控系統、鉆具機械化擰卸裝置、鉆柱移排管系統、鉆具卡夾機構、鉆機底座及桅桿等。本文就4000 m地質巖心鉆機桅桿進行設計研究。眾所周知,對于任何一款鉆機而言,桅桿都是其重要的組成部分,是鉆機的主要承重部位[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。因此在桅桿的設計過程中要重點對其強度和剛度進行計算,對其進行有限元結構分析,這些都為鉆機桅桿的設計、優(yōu)化及應用提供重要的依據;對其進行模態(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行對比,減少共振的發(fā)生,提高桅桿的使用壽命[4]。
4000 m地質巖心鉆機是勘探技術所研制的一款新型巖心鉆探設備,能夠滿足多種工況使用,集機電液于一體化,其HQ(?89 mm)口徑鉆深能力為4000 m,采用頂驅回轉系統,能夠進行高轉速取心鉆進。桅桿底部設計有轉盤回轉系統,可進行大扭矩低轉速全面鉆進。桅桿設計如圖1所示,總體結構為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構進行井架的垂直升降,占地面積小,起升效率高,安全性增強。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行起下鉆作業(yè),在其周圍設置有護欄,防止意外情況的發(fā)生。桅桿外側均安裝爬梯,方便工作人員到達工作位置。
圖1 桅桿設計Fig.1 Mast design
桅桿是鉆機承載鉆具反扭矩、承受鉤載和所擺放鉆具的重力并確保鉆機保持穩(wěn)定的關鍵部件,其強度和剛度都會影響整機的穩(wěn)定性和可靠性[5-7]。因此,對桅桿進行工況和載荷分析不僅可以檢驗方案的合理性,也為后續(xù)進行ANSYS分析打下基礎[8-10]。鉆機桅桿主要有3種工作情況:無風載最大鉤載、有風載額定鉤載、最大風載。
工況一(無風載最大鉤載):在無風載最大鉤載工況下,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Table 1 Load parameters for Case 1 working condition
工況二(有風載額定鉤載):在有風載額定鉤載工況下,桅桿主要受到額定鉤載、一定風載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷。風載主要是指空氣流動時產生的動能作用于桅桿上,風載公式為:
式中:W——受到的風壓,W=0.6115V2K0KgK;V——風速,K0——高度系數;Kg——形狀系數;K——體型系數[11];f——風載面積。
在額定鉤載正常工作時,取風速最大為15.5 m/s。具體載荷如表2所示。
表2 工況二載荷參數Table 2 Load parameters for Case 2 working condition
工況三(最大風載):在最大風載工況下,桅桿主要受到最大風載、桅桿自重、天車自重、二層臺自重等載荷。在最大風載工況下,風速最大為36 m/s,具體載荷如表3所示。
表3 工況三載荷參數Table 3 Load parameters for Case 3 working condition
當分析對象結構比較復雜時,首先要對其結構進行合理的簡化,然后再導入ANSYS中進行分析[12-13]。本文主要是對鉆機桅桿進行分析,其零部件較多,因此必須對三維模型進行簡化。
(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,無法劃分出高質量網格,并且影響接觸的設置。因此將銷軸簡化為兩端封閉的圓柱體,這樣能夠得到高質量的網格,并且減少接觸對的數量。
(2)桅桿附件接觸對種類數目較雜,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;忽略焊接對結構的影響;非主要受力部位的孔和槽結構忽略不計。
(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,導入ANSYS Workbench后,對零件進行了切分,對切分后的body運用Body Sizing和Face Sizing等局部網格控制方法。組中得到網格數46007個,節(jié)點數232744個,平均網格質量為0.869,能夠滿足靜力學有限元分析對網格質量的要求[14],網格劃分結果如圖3所示。
圖2 簡化后桅桿三維模型Fig.2 Simplified 3D model for the mast
圖3 網格劃分結果Fig.3 Meshing results
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行求解。
圖4所示是桅桿的最大等效應力云圖,最大等效應力出現在天車支架與桅桿頂端的連接處,最大等效應力≯238.08 MPa;圖5所示是桅桿的總變形云圖,最大變形出現在天車支架處,最大變形≯10.8 mm。
圖4 工況一等效應力云圖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,其屈服強度為345 MPa,取安全系數1.3,則許用應力為:
靜力學分析結果中最大等效應力為238.08 MPa,小于材料的屈服強度265 MPa;最大變形為10.743 mm,與桅桿零部件尺寸相比可忽略,因此可看出桅桿強度和剛度滿足要求。
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行求解。
圖6所示是桅桿的最大等效應力云圖,最大等效應力出現在天車支架與桅桿頂端的連接處,最大等效應力≯179.31 MPa。圖7所示是桅桿的總變形云圖,最大變形≯14.1 mm。靜力學分析結果中最大等效應力為179.31 MPa,遠小于材料的屈服強度265 MPa;最大變形為14.029 mm,與桅桿零部件尺寸相比可忽略,因此可看出桅桿強度和剛度滿足要求。
圖6 工況二等效應力云圖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
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行求解。
圖8所示是桅桿的最大等效應力云圖,最大等效應力出現在天車支架與桅桿頂端的連接處,最大等效應力≯226.17 MPa。圖9所示是桅桿的總變形云圖,最大變形≯49.33 mm。靜力學分析結果中最大等效應力為226.17 MPa,小于材料的屈服強度265 MPa;最大變形為49.325 mm,與桅桿零部件尺寸相比可忽略,因此可看出桅桿強度和剛度滿足要求。
圖8 工況三等效應力云圖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種工況的結果來看,第一種工況在桅桿最大負載運行時,其等效應力最大;第三種工況在風力最大、無負載不工作的情況下,變形最大,但是都能夠符合桅桿的強度和剛度要求。
模態(tài)分析[15]主要用于進行桅桿的振動測量以及為結構動力學分析提供依據[14,16],它能夠比較精確地測得桅桿的固有頻率和振型,從而幫助進行結構優(yōu)化,使桅桿結構更趨完善和合理。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。
該鉆機的動態(tài)構件主要為轉盤和起升系統,轉盤為電機直接驅動,轉速在0~200 r/min之間,最大頻率≯3.34 Hz;起升系統也為電機直接驅動,滾筒轉速為0~250 r/min,最大頻率≯4.2 Hz。當桅桿在進行模態(tài)分析時,桅桿處于靜止狀態(tài),其固有頻率與施加的載荷無關,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Table 4 The first 10 intrisinc frequencies and deformation parameters of the mast
對比桅桿固有頻率與鉆機動態(tài)構件的頻率,發(fā)現桅桿動態(tài)構件頻率較低,最大頻率≯4.2 Hz,因此具有實際意義的只有前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)生扭轉振動;第二階模態(tài)振型主要為桅桿進行左右搖擺振動,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)生扭轉振動;第三階模態(tài)振型主要為桅桿進行大幅度的左右搖擺振動以及繞X軸進行扭轉,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)振型主要為桅桿進行大幅度繞X軸進行扭轉,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就有可能發(fā)生擾動,出現共振現象,因此在進行驅動轉盤和滾筒時要注意轉速的調節(jié)。在模態(tài)振動中,桅桿最大變形量都較小,能夠滿足設計要求。
本文討論了4000 m地質巖心鉆機桅桿的設計方案,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行了有限元分析,得到了桅桿在不同工況下的受力變形結果;還對其進行了模態(tài)分析,得到了桅桿的固有頻率。通過與鉆機激振源的頻率進行對比發(fā)現共振主要可能發(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,能夠滿足設計要求。通過有限元分析表明該鉆機桅桿的強度能夠滿足實際工作的需要,在工作過程中變形量較小,具有一定的工程應用價值。