要 提 出对 修 井 机 井架 结 构 采 用 有 限 单 元 法 进 行 分 析 建 立 修 井 机 的力 学 模 型 通 过 对 修井 机 井 架 结构所 做 的有 限 元 分析 得 到 了 井 架 的应 力 分 布 规 律 分 析 了 井架斜 撑 的布 置 形 式 对 井 架 大 腿 应 力 的 影 响 门 框 结 构 的作 用 危 险截 面 产 生 的 原 因 等 并计算 了 井架 在 工 作 过 程 中的 应 力 应 变状 态 及 位 移 大小 确 定 了 最 佳 的井 架 结构
摘
，
：
．
．
．
．
、
、
关键词
基于 A N S
：
。
．
、
有限 元 分 析
：
井架
应力
；
的 4 0 t 修井机井架
YS
有 限元分析 与优化设计 杨 威 长 春 工 程 学 院 机 电学 院
0
引言
s 风载 3 0 8 m ， ．
修井机是各油 田 作业 中承 担起 下 油管柱和更换井下
长春
，
付胡代 13 0 0 12
从分 析 目的和 井架模 型 的特 点 出发
。
如 下 基 本假设
。
[2 】：
1
作
．
) 井架的各杆 之 间 为刚性焊接结 构
建 模 时略去 扶梯
护栏
栏框等 附属 物
．
工 具 的必 备 装 备 我 国 每 年 要 进 行十 多万 次 的各类修 井
焊接可 靠
和 增产 措施作 业 井 架是 修井机 的 主 要受力 部件 本 文
3 )
采 用 A N S Y S 有 限 元 软件作 为 主 要 的计算 和分 析 手 段
钢 丝 绳 的 固 定端 为 固 定约 束 5 ) 锚 固 钢 丝 绳 受 力与变形
，
。
。
，
有针对性 的分析 了北 方 奔驰 4 0 t 修井机井 架的应 力分 -
略去 内绷绳 ：
1
。
修井 机井架 工 况 条 件 大 钩载 6 7 5 K N 2 )
快绳 载荷
，
：
1)
给定 的穿绳 条件 下
12 8 KN
，
．
最
：
：
4 )
．
。
井 架体 通 过 背拉杆 及 井 架铰座 固 定在后 支架 上 利 ．
用 四 根绷绳 固 定在地 面 上
2
，
。
约束点 共 有 6 个 其 中铰 点 ，
钢 绳 与地 面 连 接 点 限 制 3 个 自 由度
。
有 限 元 计 算 与 分析 通 过 A N S Y S 软 件 的求 解 完成 之 后 分析结 果 如 下
死 绳载荷 1 1 7 K N ；
井架 总 成质 量 2 4 K N 3 ) 后 绷绳预 紧载 荷 7 0 K N
。
，
3
限 制 5 个 自由度
有 限 元 几 何模 型 创建
、
井架底部 与支座 为铰接约束 锚 固
。
，
，
4 )
、
服从 线 性关系 创 建 简化有 限 元 几 何 模 型 [ 1 如 图 1 所 示
布规 律 井 架斜撑 的布置 形 式 对 井 架大腿 应 力的影响及 危险截 面 产 生 的原 因 等 并提 出 了 相 应 的改 进 方 案 【1$ 】
：
2 )
．
图2
为 井架 的 变 形 图
．
图
3
为 左 前 大 腿 的位移 曲线
。
图 2 井架的 变 形 图
对 图 表 分析 可 得 图
1
井架
、
背拉 杆
、
绷 绳 的有 限 元 几 何 模 型
：
1)
从 变形 图 可 知
，
节点 X 方 向
位移从 下 至 上 依 次按高度满足近 似 线性规律增加 在井 ，
中 国机 电 ＼’ n “n M
．
一
体化 网
CA ME TA O R G C N
27
工 控 软 件 专栏
IN D US T R IA L C O NT R O L S O F TW A R E
¨ 井架背部斜 撑 布 置 有 4 种形 式
．
即 平 行式
波浪 式 平
、
、
行人 字 形 交 叉 人 字 形 对 以上 几 种 布置 分 别 建模 经 。
、
过修 改模 型 置
，
．
将井 架 的侧 面 和 背 部 斜 撑 都改 成平 行 布
然后 再 进行 有 限 元 计算 结果发 现 井架 大腿 的平
，
，
．
均应 力 比侧 面 斜撑 和 背部斜 撑都是 波浪 式布 置 的结构 低 1／ 7
。
从 可 靠 性 和 经 济 性 几 个 方 面 考虑
，
背部斜撑 采 用
平行式结 构 方 案 时 井架综合 性能 指 标 能够满 足 实 际需 ，
要
生 产 的成 本较 低
，
斜撑较 为 合 理
。
因此
，
原 结 构 选 用 的平行式 侧 面
。
危 险 截 面 部位 改 进
3 _2
井架 上 体第
层 门框 是 整 个井 架 的危 险 截 面 造成
一
。
图 3 左 大 腿 的位移 曲线
表
架的顶 部达 到 最 大 值
优 化 前井 架 中 9 个较 大 应 力 值 的 单 元 杆 件(单位 ：P a )
在 满 负荷 下
2 )
。
1
面 右 侧 主 腿 上 部 ( 单 元 1 2 ) 应 力偏高 32 MP a
。
，
第
，
一
层 门框 前
最 大 应 力为 2 4 9
．
．
井 架上 体第 这
小 井架 大 腿 在 第
一
层 门框 以 上 向 内弯 曲 从 而 使 大 腿 ．
的轴 向压 力 在 此 门框 上 产 生 了 力 ( 图 4 中的 P )
。
具 有 较 高的强 度
修 井机 井架 的优 化
3
层 门 框特 殊 的 原 因是 由于 天 车 的宽度 比 井架 宽 度
一
，
此 值 是 整个井架 应 力 的最大 值 因 此 该 处 为 井
架 的危 险截面
这
，
。
对于 这
一
一
个 向两 边 撑开 的水 平分
层 门框
。
不 仅其 本身要 求
而 且 其 刚 度 也 直 接 影 响大 腿 的应 力
层 门 框是 整个井架 的危 险 截面 造 成
一
。
层 门框特 殊 的 原 因 是 由于 天 车 的 宽 度 比 井 架 宽 度
一
小 井 架大腿 在第
层 门框 以上 向内弯 曲 从 而 使 大 腿
一
．
．
的轴向压 力在 此 门 框 上 产 生 了
一
个 向两 边 撑开 的水平 分
力 从 整体 受 力情 况 看 井 架 的各杆件 单元 分布并 不 是 。
，
很合 理 井 架上 体 第
层 门框杆件 单 元 及 横 梁 的应 力较
一
．
大 接 近 材 料 的屈 服 强 度 而 第 二 层 门框 及 以下 门框 的 ．
．
杆件单 元 应力值均较小 由此 看 出 原 设 计在选 材 上 的 ．
．
存在浪 费 为 了 减 轻 自重 。
降低 成本 本文 从 以下 二 个 ，
．
方 面 对 原 结构进 行 了 优化
[4
_
” 。
( a ) 原 天 车 门 框 结构
3 1 ．
外 形 结构 的优 化 井 架侧 面 斜 撑 布 置
困
圈雨 外托 电 碜佑 筱 书
一
2009 09 -
IN T E R N A T IO N A L M E C H A T R O N IC S T E C H N O L O G Y
1 天车
般 采 用 平 行式和 波浪式 两 种
。
(b ) 改进 后 的 门 框结构 2 天 车下 第
图 4 井架 上 体第
一
一
层 门框
层 门框
。
表 2 优 化后 9 个 较 大 应 力 值 的单 元 杆 件(单位 ：P a )
因 为刚 度 越小 井架 上 部前 大 腿 张 开 就 越大 使 得 井架 ，
．
大 腿 顶 部 的弯矩 (图 4 中的 M ) 也 越 大
最 大应 力值 2 4 9 3 2 M P a 相 比 最大应 力的降幅 为 1 2 ％ ．
，
。
通 过 有 限 元 技术 对 井架进行分 析 可 以更 为直 观 地
。
．
层 门框应 力 分布复 杂 仅 靠增 加杆件 的截
了 解井 架的应 力分 布情 况 针对井架的应 力分 布 可 以
面 尺 寸取 得 的效 果 往 往 不 大 N 1t ~本 文 反 复 更 改 此 门框
方便 的对 井 架的背部斜撑 危 险截 面 以及 选 材进 行 优化
由于 这
一
．
。
,
的 结 构 再 进行 有 限 元 计算 然 后 分析 比 较 这 些 结构 ．
．
最后 挑选 出
一
大 腿 上 部 最 大应 力 比原 结构 降低
曲应 力降低 3 5 M p a 高
．
3 0 MP a
．
。
．
该 结构
门框 横 梁 弯
，
设 计 这 极 大节 约 了 试 验成 本 缩 短 了 研 发 周 期 。
．
又 可 以使 井 架的结构合 理
低 了 成本
．
同时
，
提 高修 井 机的 整体性 能 降 ，
口
。
从 而 使 井 架 的整体 稳 定性得到 提
参考 文献
。
3 3 ．
、
个最好 的结 构 ( 如 图 4 (b )所 示 )
。
，
1 】王 【
改 进 前 后 的 结果 对 比
：
国 强 使 用 工 程 数 值 模 拟技术 及 其 在 A N S Y S 上 ．
的 实践 西 北 工 业 大学 出版社
优 化 后 9 个较大应 力值 单 元 杆件 如 表 2 所 示 改进
．
2000 4 ．
，
．
。
前后 井 架前左 大 腿 应 力值 对 比图如 图 5 所 示
2 】 任 重 A N S Y S 实 用 分 析 教 程 北 京 ：北 京 大 学 出版 【 ．
．
。
社
2 0 0 3 -3
，
[3 】杜 平安
制造 [4
．
．
有 限 元 网 格 划 分 的 基 本 原 则 机械 设 计 及 ．
2 0 0 2 2 ：3 4 3 6 —
，
．
．
] 李 媛 石 油 修 井 机 井 架 的 有 限 元 应 力 应变 分 析 青 ．
．
岛农 业 大 学 学 报 ( 自然 科 学 版 ) 5 】高 学 仕 【
，
，
．
齐 明侠 王 维 忠 刘兵 修 井机 井 架 的 可 靠性
，
，
计 算 分 析 石 油机械 ．
[6
2 0 0 9 2 6 ( 1 ) ：4 9 5 1 —
．
，
2 0 0 1 1 0 ：2 5 2 9 ．
，
．
．
】周 传 喜 海 洋 修 井 机 井 架 有 限 元 分 析 及 结构 优 化 ．
石 油 机械
2 0 0 8 3 6 (9 ) ：5 4 5 7
．
—
，
．
．
图 5 改进 前 后 井架 前 左 大 腿 应 力值 对 比 图
4
结论 通 过 对 改进 后 井 架 的静 态分 析 可 得 如 下 结论 表 ：
．
2 所 示 井架 大腿 应 力 比原 结 构 分 布均 匀 天 车 门 框 的应 ．
力水平大 为降低 井架 的整体 应 力分 布也趋 于 均匀 最 ．
大应 力 点 位 于 天 车 下 第 (单 元 1 4 4 )
．
．
层 门框 新 增 加 的横 梁 中点 处
一
其值 为 2 2 0
—
2 MPa
．
与井架顶 部 原 结构
中国机电
一
体化 网
WW W CA ME TA O R G C N ．
．