车载钻机桅杆的有限元分析(全文)

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[摘要]桅杆作为车载钻机的支撑主体，其力学性能直接影响着车载钻机的正常工作。本文采用Solidworks 软件的Simulation 有限元分析模块，建立桅杆的三维模型，对其结构进行静强度分析。找出桅杆结构的薄弱环节，为桅杆的结构设计提供参考。

[关键词]车载钻机桅杆有限元分析

中图分类号：F426.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0280-01

1.桅杆的结构简介

本文所研究的桅杆结构属于伸缩式桅杆，全钢板箱式结构，配合有A型三角支架和起落油缸（见图1），整个桅杆主要有三个部分组成：固定桅杆、伸缩桅杆和头部滑轮。主要参数：最大提升能力1500KN，最大给进能力250KN，最大扭矩30KN.m。

2.桅杆有限元模型的建立

为了便于分析计算，采用较简化方案，建模原则如下：

（1）与桅杆相连的A型三角支架、起塔油缸、伸缩腿油缸视为刚性静止体；（2）桅杆所受的载荷和力学条件符合力学平衡条件；（3）所有载荷均视为集中载荷等。

3.桅杆的典型工况及受力分析

车载钻机工作时，突然卡钻和卡钻后提升两种工况最为恶劣，本文就其两种工况对桅杆进行静态强度分析。

3.1 突然卡钻工况

按动力头在桅杆上部时作用最大提升力和最大扭矩验算最大变形和最大应力。此时的外负荷有：桅杆各部件的重量G，横向风载荷P1，纵向风载荷P2，，动力头反扭矩N，最大提升F。

3.2 卡钻提升工况

当卡钻提升钻具时，按动力头位于桅杆的下部，此时除主要承受动力头反作用的扭矩N外，由于桅杆本身体积较大，所以考虑了重力的影响，其它外力同正常加压钻进时一致。

4.桅杆有限元分析及结果

4.1 材料的选取

计算中所使用的材料参数如下：弹性模量：205Gpa；材料密度：7.85g/cm3；泊松比：0.3；屈服强度：345Mpa

4.2 约束的确定

约束面分别取桅杆底部伸缩腿油缸连接处左右两端的销轴孔处表面、三角支架轴与桅杆连接处左右两端的销轴孔处表面和起落油缸与桅杆之间的两个铰接孔处表面，这6个为全约束，保证x、y、z三个方向的位移均为0。

4.3 施加载荷

分别按突然卡钻和卡钻提升两种工况对桅杆分析计算。

4.4计算结果分析

4.4.1 应力分布

突然卡钻工况最大应力为298Mpa，卡钻提升工况下最大应力为299.3Mpa。桅杆在两种工况下的最大应力均小于材料的屈服强度，因此桅杆处于安全状态（见图2）。

4.4.2 位移变化

根据相关标准，扭矩刚度正面和侧面均不应超过h/700（h为高度），L=23000/700=32mm。两种工况下，最大位移为10.98mm，所以桅杆的刚度是合格的（见图3）。

4.4.3 变形情况

根据应变图（见图4）可以看出：桅杆在突然卡钻和卡钻提升时变形是上部对下部有相对扭矩，扭转方向为逆时针，与桅杆受扭力矩方向相同。

4.4.4 安全系数

由计算结果可得，两种工况下桅杆的最小安全系数均为1.2，根据强度计算桅杆的最小安全系数完全符合强度要求。

5.结论

在合理简化有限元模型基础上，通过对两种极限工况静力强度分析，获得了桅杆各局部区域应力分布情况，对桅杆的设计和改进工作具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 韩广德.中国煤炭工业钻探工程学，煤炭工业出版社.

[2] 陈超祥.胡其登Solidworks Simulation 基础教程.机械工业出版社 2012.

作者简介

车载钻机桅杆的有限元分析