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石油修井机井架的动态特性分析
西南石油学院 刘春全 艾志久 杜红勇 廖世辉
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摘要：根据 XJ350 II修井机井架的结构特点，运用PTC公司的Pro/Engineer模块建立了井架的空间梁单元模型，并用Pro/Mechanica对井架结构进行了模态、时间历程响应分析。分析结果表明，该型井架第2和第3阶固有频率与第4和5挡的转盘激振频率较为接近；在正常起下钻时的动应力不大，井架有足够的安全裕度。
关键词：石油修井机 井架 有限元法 Pro/ENGINEER
修井机在完成修井作业过程中，特别是刚开始起钻和下钻末的突然刹车均会产生较大的冲击，使井架承受较大的额外动载荷并产生剧烈振动。此外，由于转盘的周期性激励，井架也会产生不同形式和不同程度的振动。因此，研究井架的动态特性，特别是井架在各种工况下的时间历程响应，对井架的承载能力及疲劳强度分析都具有实际的意义。
笔者运用PTC公司的Pro/Mechanica(以下简写为Pro/M)模块对XJ350 II修井机井架进行了有限元分析，得到前8阶模态及振型。在此基础上，分析了转盘激励和大钩载荷为784.53kN起升时井架时间历程响应以及井架的整体稳定性。
Pro/M包括三部分：Structure(结构)、Thermal(热学)、Motion(机构运动)。结构分析包括静力分析、模态分析、屈曲分析。热学和机构运动模块用于温度场和机构动力学分析。Pro/M可以处理线性材料的大变形问题，但不能分析包含非线性弹性材料(如橡皮在内)的应力场问题。
1 力学模型的建立
为了便于对井架进行有限元分析，在确定井架力学模型时，作以下几点基本假设。
(1) 井架为刚架结构，井架各杆之间焊接可靠，为刚性连接。
(2) 井架工作时底部与支座间不发生相对移动或转动，为固定支座。
(3) 略去护栏、护梯、栏杆等对井架的影响。
(4) 将绷绳作为弹性支承作用于井架。
(5) 井架上下体在工作时连接可靠，上下体连接处不发生相互串动现象。
(6) 以井架4条大腿的形心为基准(大腿为125×125×12mm等边角钢)，不考虑斜杆、横杆、加强杆和大腿形心不重合的情况，即认为形心均重合或汇交于一点，但在计算这些杆件的应力时，应考虑由于这样简化所造成的形心不重合以及对杆件造成的附加弯矩，和由此对杆件应力所带来的影响。
图1所示为井架的力学模型。用于分析的井架在工作时向井口方向倾斜3°32′，考虑井架最不利的受力情况，认为4根外绷绳中，井架倾向一侧的那两根和二层台绷绳垂弯而失去张力，只有井架倾向背侧的另两根外绷绳和内绷绳的拉紧力，故可将井架倾向一侧的两根外绷绳和二层台绷绳略去不计。其中边界条件与约束的处理是根据假设将井架与底座间的约束处理为固定支座。

（图片）

图1 井架理想化后的力学模型

2 模态分析
井架结构的周期性外载激振源主要是安装在井架底座上的转盘旋转，转盘最大扰动频率为3.61Hz，笔者计算了井架的前8阶固有频率，结果见表1，其各档的扰动频率见表2。

表1 井架的前8阶固有频率

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表2 各档的扰动频率

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表2当中的动力系数表示在周期性外Asinpt作用下，结构受迫振动最大动力偏移与静力A作用下结构静力偏移相比的倍数。

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式中 ——相对比率；
b——阻力系数，取b=0.05。
若η计算值小于1，则取1[1]。
振型模态级数越低对结构影响越大，模态级数6、8为二次振型，对结构影响较小，其前8阶模态的振型见图2。

（图片）

图2 井架前8阶模态的振型

3 时间历程响应
在文献[2]的仿真模型的基础上，得出了修井机在载荷为784.53kN(井深3600m，1挡)起升时的井架载荷，并将其用于井架的时间历程响应分析，仿真结果如图3所示。为了考察模型的正确性，从8s才开始挂合离合器(也可从0s挂合)。从图3可以看出，井架在离合器挂合后，载荷急剧增大，约7秒钟达到最大值后，在平衡值上下波动，因此在作时间历程响应分析时仅考虑8～15s这段时间。

（图片）

图3 大钩载荷为784.53kN起升时井架的载荷

通过对该修井机井架的静力分析得知，在各工况下，井架下体靠前的第3根大腿的受力情况最严重，其他各处的应力均小于该处。因此，分析井架的时间历程响应时，考察了该大腿在上述仿真载荷下的最大应力、速度曲线分别如图4、图5、图6所示。

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图4 井架大腿的应力时间历程响应(MPa)

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图5 井架大腿的速度时间响应(x向)

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图6 井架大腿的速度时间响应(Y向)

从图4可以看出，大腿的应力在8s～10s时增长缓慢，10s～12s时增长很快，之后从12s～13.5s缓慢达到稳定振动阶段，大腿的最大应力值为165MPa左右，平均应力为140MPa。大腿的材料为16Mn，主要承受压弯载荷，其屈服极限为345Mpa，因此强度远满足要求[3]。
图5、图6为该大腿在784.53kN大钩载荷时的振动情况，可以看出X向的振动要比Y向剧烈，但均与载荷的变化保持同步。
4 结论与建议
4.1 结论
XJ350II修井机井架第2和第3阶固有频率与第4和第5挡的转盘激振频率很接近，相应的动力系数可达9.11和6.81，因此其振动特性不是很好。井架在最大钩载时的稳定安全系数为2.34，井架安全可靠。需要说明的是，该安全系数只具有相对参考价值，因为根据有限元的有关理论，其数值计算结果较实际值偏大。
4.2 建议
根据选用有限元软件的特点，上下体间的连接可采用笔者的处理方式，亦可用相应节点的线位移约束来代替。力学模型中绷绳的处理应尽量符合其实际工作特性，在今后的分析计算中，建议采用其他分析软件来考虑绷绳的非线性影响。
参考文献
1 陈于果.JJ300/43-A型井架结构电算及力学分析[J].石油矿场机械，1982，12(6):11～22
2 侯勇俊，艾志久，杜小平.修井机起升系统动力学仿真的初步研究[J].石油机械，1998，26(12)： 4～8
3 张见明.修井机井架的应力分析及结构改进[J] . 石油矿场机械，1998，27(2):17～21
4 赵克峰. XJ350II自走式修井机井架的应力分析.［学位论文］.西南石油学院，1999
5 高秀华，李炎亮等.机械三维动态设计及仿真技术[M].第1版.北京：化学工业出版社，2003.3 11/1/2005

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