（机械设计及理论专业论文）碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统的优化设计与动态仿真.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统的优化设计与动态仿真 机械设计及理论 王二化( 签名) 闫文辉( 签名) 摘要 为深入了解碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统的动力学特性，改善该系统的 动力学性能并降低其成本，本文对该系统进行了动力学仿真及优化设计研究。 在对井架静力分析的基础上，建立了井架的有限元模型，对其进行屈曲稳定性和 模态分析，计算得出了井架的屈曲载荷系数、前9 阶模态频率及相对应的振型，为光 杆起升系统的动力学仿真和优化设计奠定了理论基础。 建立了光杆起升系统的动力学模型，并对其进行仿真计算。给出了起升系统的各 阶固有频率及相应的主振型，给出了开始起升工况下起升系统各部件的载荷曲线，给 出了几种典型工况下的起升系统各部件的最大动载和动载系数，分析了各输入参数对 动载系数的影响。以上理论分析，为光杆起升系统的优化设计提供了理论依据。 结合仿真结果和优化设计理论，建立了光杆起升系统的优化设计数学模型，并利 用编制的相关软件进行了计算，井架质量比优化前下降了6 1 7 。对优化后的井架进 行有限元分析，对优化后的起升系统进行了动力学分析，得出相关结果并和优化前进 行比较分析。结果表明，优化设计在减小井架质量并降低其成本的同时，大大改善了 光杆起升系统的动力学性能。 关键词：碳纤维抽油杆作业车光杆优化设计动力学仿真 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e e t ：o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dd y n a m i cs i m u l a t i o no np o l i s h e dr o dh o i s t i n g s y s t e mo fc a r b o nf i b e r sc o n t i n u o u ss u c k e rr o d v e h i c l e s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp o l i s h e dr o dh o i s t i n gs y s t e mo f c a r b o nf i b e r sc o n t i n u o u ss u c k e rm dv e h i c l ed e 印l y , i m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f p o l i s h e dr o dh o i s t i n gs y s t e ma n dr e d u c ei t sc o s t , i nt h i st h e s i s ，t h ed y n a m i cs i m u l m i o na n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h es y s t e mi ss t u d i e d b a s e do nt h es t a t i ca n a l y s i so ft h ed e r r i c k ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d , b u c k l i n gs t a b i l i t ya n dm o d a la n a l y s i sh a sa l s ob e e nm a d e t h eb u c k l i n gl o a dc o e f f i c i e n t ，t h e p r e c e d i n g9s t e p sm o d a lf r e q u e n c i e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d e so ft h ed e r r i c ka r e c a l c u l a t e d a l lo f t h e s ed o n ea b o v eh a v ep r o v i d e dat h e o r e t i cb a s i sf o rt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n a n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f p o l i s h e dr o dh o i s t i n gs y s t e m t h ed y n a m i cm o d e lo fp o l i s h e dr o dh o i s t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e da n ds o l v e d a l lo ft h e n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm a j o rm o d e so f t h eh o i s t i n gs y s t e ma r eg i v e n , a s a st h el o a dc u r v e o fa l lp a r t so ft h eh o i s t i n gs y s t e mo nt h es t a r tr i s ew o r kc o n d i t i o n o ns o m et y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h em a x i m u md y n a m i cl o a da n dd y n a m i cc o e f f i c i e n to fa l lp a r t so ft h eh o i s t i n g s y s t e mi sg i v e n a n dt h ei n f l u e n c eo f i n p u tp a r a m e t e r so nt h ed y n a m i cc o e f f i c i e n ti sa n a l y z e d t h et h e o r e t i c a n a l y s i sa b o v eh a sp r o v i d e dt h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no f p o l i s h e dr o dh o i s t i n gs y s t e m c o m b i n i n gw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h et h e o r yo f o p t i m u md e s i g n ，t h em a t h e m a t i c s m o d e lo f o p t i m i z a t i o nd e s i g ni se s t a b l i s h e d , a n ds o l v e dw i t ht h ec o m p i l e ds o f t w a r e t h em a s s o ft h ed e r r i c kh a sd e c l i n e db y6 1 7 c o m p a r e dt oi tb e f o r eo p t i m i z a t i o n t h ef m i t ee l e m e n t a n a l y s i so f t h ed e r r i c ko p t i m i z e dh a s b e e nm a d e t h ed y n a m i ca n a l y s i so f t h eh o i s t i n gs y s t e m o p t i m i z e dh a sb e e nf i n i s h e d t h er e l a t e dr e s u l tg o t t e nh a sb e e nc o m p a r e da n da n a l y z e dw i t hi t b e f o r eo p t i m i z a t i o n t h er e s u l ts h o w so p t i m i z a t i o nh a sr e d u c e dt h em a s so f t h ed e r r i c ka n di t s c o s t ，a n di m p r o v e dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f p o l i s h o dr o dh o i s t i n gs y s t e mg r e a t l y k e y w o r d ：c a r b o nf i b e r ss u c k e rr o d ，w o r k i n gp l a t f o r m ，p o l i s h e dr o d ，o p t i m i z a t i o n d e s i g n ，d y n a m i cs i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：州日期：聊箩、 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：丕 形 导师签名 日期：7 哪右d 吼蚪 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 碳纤维杆用于有杆泵系统采油的应用研究起源于美国【1h 6 】，美国利用其航空航天和 材料技术的优势，于2 0 世纪9 0 年代初研制成功碳纤维杆、专用的油井作业设备和碳纤 维杆钢抽油杆的混合抽油杆柱设计软件【”。 随着国内各大油田开发过程中深井、超深井、腐蚀性油井的不断出现，国内对碳纤 维连续抽油杆的需求和应用日益广泛，大有方兴未艾之势，但国内却没有与之很好配套 使用的起下作业设备；加之机电一体化技术、计算机技术、信息技术的迅速发展，当前 各大油田对便捷、高效的智能化作业设备的需求正在扩大，进行相应的专用的连续抽油 杆作业车的研制和开发已成为当务之急。 由西安石油大学彭勇教授课题组研制的连续抽油杆作业车创新性的提出将碳纤维杆 的起下杆装置由缠绕式驱动改为夹紧摩擦式驱动的新颖方案( 起杆器由抽油杆导向架、 链条牵引总成等组成) 。连续抽油杆作业车工作时，链条牵引总成通过液压驱动反向旋转 的双链条夹持抽油杆，两条牵引链条的驱动链轮( 旋转方向相反) 由一台液压马达和过 轮传动产生所需的摩擦牵引力，使得连续抽油杆在滚筒上一次次地缠绕、伸直，通过起 杆器下入井内，完成下杆及其他相关作业( 结构示意图见图1 - 1 ) 。解决了第一代碳纤维 杆专用作业车缠绕盘驱动扭矩过大的问题，同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受 力状态。其主要特点是：起升( 下放) 载荷能力大，起升( 下放) 作业时杆柱受力状况改善，杆 柱缠绕盘负载扭矩大幅降低，作业过程自动化程度高、速度快，设备对井场环境的适应性强， 易损件少，便于维修，兼顾杆的运输和作业两项功能，减少设备投资，持续作业时间长，为碳 纤维杆在国内油井大面积推广应用提供高效、可靠的作业配套设备，填补了国内空白【”。 图1 1 碳纤维杆作业车起杆器结构示意图 西安石油大学硕士学位论文 连续抽油杆作业车集液、机、电一体化，自动化程度高，使用范围很广，可推广使用 于修井、采油的各个阶段，不仅可进行简单的修井作业，而且还能扩展新的作业内容如 打捞、除垢等。 目前，国内油田对碳纤维连续抽油杆( 以下简称碳纤维杆) 的需求和应用日益广泛， 先后已有四个厂家建成了碳纤维杆的生产线，却没有与之很好配套使用的起下作业设备， 因此，为深入了解碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统的动力学特性，改善光杆起升 系统的动力学性能，降低光杆起升系统成本，对光杆起升系统进行动力学仿真及优化设 计研究具有重大意义。 1 2 国内外现状、科学依据 有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术。目前世界上机械采油井数已 超过总生产井数的9 0 以上，8 0 左右的机械采油井都采用有杆泵抽油模式：我国则有 8 0 左右的生产井是采用有杆泵抽油模式，随着各主要油田相继迸入中后期开发阶段， 深部油层和难动用油藏也逐渐投入开发，这个比例还将呈上升趋势。 在有杆泵抽油系统中，抽油杆是关键部件之一，尽管国内已研制出多种高强度和超 高强度抽油杆，并且不断完善其相关工艺技术，使它的使用寿命有了较大的提高，但由 于这种杆本身的结构特点，它存在以下难以克服的弱点： 1 ) 钢抽油杆必须靠接头和接箍连接。下泵越深，接箍越多，这些接箍在长期承受交 变、冲击和振动载荷的工作条件下易发生脱扣，以至断裂等； 2 ) 由于接箍的多级活塞效应，抽油杆柱上将产生较大的附加摩擦阻力； 3 ) 由于钢抽油杆的起、下作业是间断进行的，作业时间较长； 4 ) 抽油杆上须加装扶正器，使抽油机的载荷增加2 0 以上： 5 ) 钢抽油杆自身重量和抗拉强度的双重约束，使下泵深度受到限制等。 为适应上述情况，近年来国内先后研制出了碳纤维杆，在国内油田的应用获得了初 步的成功。碳纤维杆是我国于9 0 年代中后期引入和研制开发使用的一种新型连续抽油 杆，实验证明，碳纤维连续抽油杆有重量轻、强度高、耐腐蚀性、耐磨耗性、摩擦系数 低、高疲劳强度等优点4 1 5 1 6 1 。现已成为有杆抽油井采油方式中一种重要的柔性连续抽 油杆，在开采深井、超深井、腐蚀性油井等以有杆抽油泵为机械采油方式的油田中，这 种连续抽油杆有着巨大的使用价值和发展潜力。 碳纤维连续抽油杆采油系统在国内油田的应用获得了初步成功1 1 2 h 1 6 】，尤其在这 技术中的产品性能、节能效果，与园外的专用作业车比较有一定的优势【引，但国内碳纤 维杆现场应用的配套专用作业设备问题尚未得到很好的解决。 在碳纤维杆使用的初期，曾经开发过第一代碳纤维杆专用作业车( 结构示意图见图 1 2 ) ，这种作业车为碳纤维杆的现场试验和下井作业提供了最初的硬件保证，目前在国 内有四台类似原理的作业车在现场使用。该作业车选用东风车底盘，通过液压马达驱动 2 第一章绪论 绞车机构，安装在绞车上的缠绕盘随绞车一块转动，从而缠绕和起下碳纤维杆。这种作 业车的优点主要有： 1 ) 兼顾杆的运输和作业两项功能，减少设备投资：作业速度较快，持续作业时间较 长。 2 ) 与国外的作业车( 结构示意图见图1 3 ) 比较具有碳纤维杆的弯曲次数少( 为两次， 国外的三次) ；不需要三个驱动缠绕盘的液压马达同步的优势。 图l - 2 国内第一代碳纤维杆专用作业车 图1 - 3 国外的碳纤维杆作业车示意图 但这种以缠绕盘动力为起升动力的作业车都存在一个致命的不足：起下杆柱时，所 需的缠绕盘驱动力矩过大，使得碳纤维杆在缠绕过程中易导致断杆( 从受力的角度来看， 在起下杆过程中由于缠绕的原因，使杆柱受弯而导致杆柱弯曲内侧面受到较大的轴向压 力，这正是碳纤维杆的薄弱之处) 。此外，由于第一代作业车上没有配备光杆起升装置， 起下杆柱时，还得另外配备一辆修井作业车，增加了作业成本。 光杆起升系统( 如图1 4 所示) 是碳纤维连续抽油杆作业车的重要组成部分，其主要组 西安石油大学硕士学位论文 成是：液压缸、液压马达、绞车、井架、天车、游车、钢丝绳、大钩等。液压缸用来固 定井架，并保证井架能安全工作。液压马达是光杆起升系统的动力源，驱动滚筒主轴旋 转，完成起下杆柱功能。绞车是碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统的核心设备，上 升时卷扬起升杆柱，下降时平衡杆柱重力，将杆柱重力势能转化为热能。井架用来安装 天车、悬挂游车和大钩等其它起升设备。天车和游车通过钢丝绳联系在一起，构成复滑 轮系统，以减轻钢绳载荷。天车是安装在井架顶部的定滑轮组，游车是上下往复运动的 动滑轮组。 图1 - 4 碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统结构简图 另外，随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，现代设计技术应运 而生。它主要包括优化设计、有限元法、可靠性设计、动态设计等。目前现代设计方法 在工程设计的各个领域得到了广泛的应用。应用实践表明，其能适应市场剧烈竞争的需 要，提高设计质量和缩短设计周期，以及推动计算机在设计中的广泛应用。这些设计理 论及其具体的设计与应用方法的不断发展和完善，为本课题的完成提供了坚实的技术理 论和实践基础。 1 3 论文的主要研究内容 a 碳纤维杆作业车光杆起升系统动态仿真 1 ) 深入分析碳纤维杆作业车光杆起升系统的动力学特性，做一些适当的假设，并对 光杆起升系统进行简化、质量集中和折算，建立其起升和下降的动力学模型： 2 ) 选择合适算法，求解此模型的动力学方程； 3 ) 根据计算结果，分析各部件对动载系数的影响，并指导优化设计。 b 碳纤维杆作业车光杆起升系统优化设计研究 1 ) 概述国内外连续抽油杆作业车( 包括钻机和修井机) 光杆起升系统的发展状况； 4 第一章绪论 2 ) 结合国内实际现状，完成碳纤维杆作业车光杆起升系统现有设备的分析； 3 ) 根据仿真结果制定优化方案，完成起升系统的优化设计，并用a n s y s 软件对 井架进行稳定性和振动分析。 1 4 论文的来源 本文系中国石油化工集团公司重大装备国产化项目“全液压智能控制碳纤维连续抽 油杆作业车的研制”( 编号j w 5 0 0 6 ) 的部分研究内容，此项目由西安石油大学和胜利油 田工程机械总厂联合承担。 西安石油大学硕士学位论文 第二章井架屈曲稳定性和振动的有限元分析 2 1 井架概述【2 0 】 井架是碳纤维连续抽油杆作业车光杆起升系统的重要组成部分之一。它是一种具有 一定高度的金属结构物，与起升系统其它设备相比，它有自己独有的特点。 井架的功用： 1 ) 安装天车，悬挂游车、大钩以及吊环等其它起升设备； 2 ) 使游车具有一定的行程； 3 ) 在起升和下放作业过程中，承受井内抽油杆柱和游动系统的全部重量。 碳纤维连续抽油杆作业车对井架的使用要求包括： 1 ) 足够的承载能力，保证可靠地起下和悬持一定长度的抽油杆柱； 2 ) 足够的有效高度和空间。 井架常用型材： 1 ) 角钢：井架所用一般为热轧角钢，角钢的尺寸用数字表示，如l o 表示边长为 1 0 0 m m 的热轧等边角钢。同号角钢有几种不同的厚度，选择范围较大。角钢的主要特 点是截面惯性矩与单位长度重量的比值较大，比较经济合理。另外连接方便，即可焊接， 又可很容易地采用螺栓连接。不足之处是两个惯性主轴的惯性矩相差较大，对刚度和稳 定性有一定的影响。 2 ) 钢管：井架所用一般为结构用热轧无缝管。钢管的主要特点是截面惯性矩大， 重量轻，两个惯性主轴的惯性矩相同，由于截面封闭，抗扭能力强。但钢管成本较高， 一般只能采用焊接或销轴连接方式，并且连接部位必须经过一定的处理，增加了制造成 本。 3 ) 槽钢：井架制造时一般用热轧槽钢。槽钢的两个惯性主轴的惯性矩相差很大， 一般只用于做井架的横、斜杆件。 4 ) 矩形钢管：井架制造时一般多用冷拔无缝等壁厚矩形管。矩形钢管具有圆形钢 管截面惯性矩大，重量轻，两个惯性主轴的惯性矩相同，抗扭能力强等优点，且连接比 圆形钢管更为方便，但成本较高。 5 ) 十字角钢：十字角钢实际上是由两根等边角钢焊接而成。十字角钢具有一般等 边角钢截面惯性矩与单位长度重量的比值较大，承载能力强，即可焊接，又可很容易地 采用螺栓连接等优点，同时两惯性主轴的惯性矩相差不大，刚度和稳定性得到改善。但 由于十字角钢是由两根等边角钢焊接而成，在焊接时易变形，并且增j h $ j 造成本。 6 ) h 型钢：h 型钢的特点是横截面积大，两惯性主轴的惯性矩几乎相同，抗弯、 抗扭能力强，构造简单，连接方便，是制造钢结构的理想型材。 6 第二章井架屈曲稳定性和振动的有限元分析 2 2a n s y s 软件介绍【2 1 1 - - 2 4 1 a n s y s 是一种应用广泛的通用有限元分析工程软件，具有功能完备的预处理器和后 处理器( 又称预处理模块和后处理模块) ，强大的图形处理能力以用及得心应手的实用工 具，并且具有多种平台支持( w i n d o w s n t 、l i n u x 、u n i x ) 和异种异构网络浮动能力，各 种硬件平台数据库兼容，使其功能一致，界面统一。目前，a n s y s 已经广泛应用于核工 业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土 木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。 本论文主要应用结构静力分析、结构动力分析和结构屈曲分析。 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构影 响不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线 性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变用接触问题的分析。 2 ) 结构动力分析 结构动力分析用来求解随时间变化的载荷和结构部件的影响。与静力分析不同，动 力分析要考虑随时问变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行结构动态 分析的类型包括瞬时动力分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 3 ) 结构屈曲分析 屈曲分析是用来确定结构失稳的载荷大小与在特定的载荷下结构是否失稳的问题。 a n s y s 中的稳定性分析主要分为线性分析和非线性分析两种。 2 3 井架静力学分析 如图2 1 所示为井架受力图示，其中，f 1 为快绳拉力，f 2 和f 3 为死绳拉力，m g 为杆 柱、游车和大钩的重力之和，角度a 为井架工作过程中的倾斜角，角度b 为死绳与井架立 柱的夹角，角度c 为快绳与井架立柱的夹角。 假设x 坐标向右，y 坐标向上，经过分析，可以求出井架顶端的受力： 只2 一只s i n ( a + c ) 一最s i n ( 口+ 6 ) ( 2 1 ) 只= 一只e o s ( a + c ) 一f 2c o s ( a + 一m g 死绳和井架连接处受力： 只，= 只s i n ( a + 6 ) 只，= e e o s ( a + b ) 为便于分析，在做有限元分析时， 个顶点。 ( 2 - 2 ) 假设顶部受力均分成四份，分别施加于井架的四 7 西安石油大学硕士学位论文 2 4 井架的屈曲分析 为避免在工作中发生井架毁坏事故，并为碳纤维 连续抽油杆作业车井架设计提供科学的依据，需对井 架进行屈曲稳定性分析。 2 4 1 单元类型的选择 井架体为板、梁组合空间工程结构，考虑到板件 数量少，为了简化数学模型和计算过程，我们将板和 梁均等效为三维弹性梁单元( b e a m 4 ) ，b e a m 4 单元 的特性分述如下： 三维弹性梁单元是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲 功能的单轴单元，在每个节点上具有六个自由度，即 沿x 、y 、z 轴移动和绕x 、y 、z 轴转动。 2 4 2 网格划分 1 t t 2 1 井架受力图示井架所选单元类型如前所述，各杆件均等效为三维 弹性梁单元( b e a m 4 ) ，模型中节点的确定遵循如下原则：( 1 ) 井架的节点为模型的节点； ( 2 ) 井架与压缸和作业车的连接点为模型的节点；( 3 ) 井架施力点为模型的节点。 图2 2 为井架的几何模型，为描述节点坐标、节点位移及节点载荷方向等有关参数， 取整体坐标系为右手系o x y z ，其中y 轴垂直向上，原点位于井架底端一焊接点。该 模型由9 2 个节点和2 6 4 个单元组成。 2 4 3 约束及载荷 井架体通过压缸及井架铰支座固定在作业车上，约束点共有6 个，其中铰点限制5 个自由度，压缸与井架连接处限制5 个自由度。载荷包括最大钩载、死绳和快绳在顶部 四个节点上的均分力。所建有限元模型如图2 3 所示。 2 4 4 求解步骤 a 施加载荷进行静力分析 1 ) 定义分析类型：m a i nm e n u s o l u t i o nn e wa n a l y s i s ，出现n e wa n a l y s i s 对话框。 选择s t a t i c ，单击o k 。执行m a i nm e n u l s o l u t i o n l a n a l y s i so p t i o n s ，出现s t a t i co r s t e a d y s t a t e a n a l y s i s 对话框。在s s t i f 、p s t r e s 选定p r e s t r e s so n ，单击o k 。 2 ) 施加载荷：m a i nm e n u i s o l u t i o n l l o a d s l a p p l y l d i s p l a c e m e n t l o nn o d e s ，出现a p p l y 第二章井架屈曲稳定性和振动的有限元分析 图2 - 2 井架的几何模型图2 - 3 并架屈曲分析的有限元模型 u ，r o t o n n o d e s 选择框。在图形窗口选择节点l 、2 、3 、4 、3 3 、3 6 ，单击o k ，出现 a p p l yu ，r o to nn o d e s 对话框。除r o t z 外全部选中，单击o k 。执行m a i n m c n u l s o i n t i o n l a p p l y l f o r c c m o m c n t l o nn o d e s ，出现a p p l yf mo l ln o d e s 选择框。选择 8 9 、9 0 、9 l 、9 2 ，单击o k ，出现a p p l y f mo n n o d e s 对话框。在l a b 选择f y ，v a l u e 中输入1 ，单击o k ，集中力标识出现在图形窗口。 3 ) 保存数据库文件：u t i l i t ym c n u l f i l e l s a v ea sb u c k l i n g d b 。 4 ) 求静力解：m a h lm e n u l s o l u t i o n l s o l v e c u r r e n tl s ，查看求解信息，关闭求解状态 窗口，单击o k 开始求解，求解完成后单击c l o s e 关闭求解信息框。 b 特征值屈曲分析 1 ) 定义分析类型：m a i nm c n u l s o l u t i o n in e wa n a l y s i s ，出现一条警告信息，单击 c l o s e 关闭。在n e w a n a l y s i s 对话框中选取e i g c n b u c k l i n g ，单击o k 。 2 ) 屈曲分析选项设置：m e n u l s o l u t i o n l a n a l y s i so p t i o n s ，出现e i g e n v a l u eb u c k l i n g o p t i o n s 对话框。选定b l o c kl a n c z o s 提取模态数输入l ，单击o k 。 3 ) 模态扩展选项：m a i nm e n u l s o l u t i o n i s o l v e l l o a ds t e po p t s l e x p a n s i o n p a s s e x p a n d m o d e s ，在n m o d e 中输入1 ，单击o k 。 4 ) 开始特征值屈曲分析： m a i nm c n u l s o l u t i o n l a n a l y s i so p t i o n s ，出现e i g c n v a l u e b u c k l i n go p t i o n s 对话框。选定b l o c kl a n c z o s 提取模态数输入1 ，单击o k 。 9 西安石油大学硕士学位论文 c 查看求解结果 1 ) 读入结果数据：m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o e l r e a dr e s u l t s l f i r s ts e t 。 2 ) 列出屈曲荷载系数：m a i nm e n u l g e n e r a lp o s t p r o c l l i s tr e s u l t s l r e s u l t ss u m m a r y 。 3 ) 观察屈曲变形：m a i nm e n u l g e n e r a lp o s t p r o e l p l o tr e s u l t s d e f o r m e ds h a p e ，出现 p l o td e f o r m e ds h a p e 对话框。选择d e f + u n d e f o r m e d ，单击o k ，结构变形前后的形状同时 出现在图形窗口，如图2 4 所示。 图2 - 4 井架的屈曲变形结果 d 退出a n s y s 在a n s y s 工具条中单击q u i t ，出现e x i tf r o ma n s y s 对话框。指定保存方式后单 击o k ，退出a n s y s 。 2 4 5 结果分析 屈曲荷载系数为：1 9 4 8 1 0 5 ，即井架顶端四个节点均受到1 9 4 8 1 0 5 4 的力时，井 架会进入一阶屈曲模态状态。井架顶端四个节点实际受力均为3 6 4 4 8 1 0 4 n ，说明井架 在实际工作过程中不会失稳，并且相当安全，从稳定性方面考虑，有很大的优化空间。 2 5 井架的振动分析2 5 】 为避免在工作中发生共振现象，并为碳纤维连续抽油杆作业车井架设计提供科学的 1 0 第二章井架屈曲稳定性和振动的有限元分析 依据，需对其井架进行有限元模态分析。本节利用a n s y s 有限元软件对作业车井架进 行模态分析，计算出井架在自然状态下的前9 阶固有频率和相应的振型。 2 5 1 单元类型的选择 井架体为板、梁组合空间工程结构，考虑到板件数量少，为了简化数学模型和计算 过程，我们将板和梁均等效为三维弹性梁单元( b e a m 4 ) ，b e a m 4 单元的特性分述如下： 三维弹性梁单元是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元，在每个节点上具 有六个自由度，即沿x 、y 、z 轴移动和绕x 、y 、z 轴转动。 2 5 2 网格划分 井架所选单元类型如前所述，各杆件均等效为三维弹性梁单元( b e a m 4 ) ，模型中 节点的确定遵循如下原则：( 1 ) 井架的节点为模型的节点；( 2 ) 井架与压缸和作业车的 连接点为模型的节点。 图2 - 5 为井架的几何模型，为描述节点坐标、节点位移及节点载荷方向等有关参数， 取整体坐标系为右手系o x y z ，其中y 轴垂直向上，原点位于井架底端一焊接点。该 模型由9 2 个节点和2 6 4 个单元组成。 2 5 3 约束及载荷 井架体通过压缸及井架铰支座固定在作业车上，约束点共有6 个，其中井架底部铰 点限制5 个自由度，压缸与井架连接处限制5 个自由度。由于进行的是模态分析，故没 有外加载荷。所建有限元模型如图2 6 所示。 2 5 4 施加载荷并求解 a 选择分析类型 m a i nm e n u l s o l u t i o n ln e w a n a l y s i s ，在n e wa n a l y s i s 对话框中选取m o d a l ，单击 o k 。 b 设定分析选项 m a i nm e n u l s o l u t i o n l a n a l y s i st y p e l a n a i y s i so p t i o n s ，系统将弹出m o d a la n a l y s i s 对话 框，选择s u b s p a e e ( 子空问法) 并在n o o f m o d e st oe x t r a c t ( 提取几阶模态输出) 文本 框中输入“9 ”，启用e x p a n dm o d es h a p e s ( 模态图形展开) 选项，在n o o f m o d e st oe x p a n d ( 几阶模态展开) 文本框中输入“9 ”阶，然后单击o k 按钮。 c 定义约束 m a i nm e n u l s o l u t i o n l l o a d s l a p l l y l d i s p l a e e m e n t l o nn o d e s ，出现a p p l yu ，r o to n n o d e s 选择框。在图形窗口选择节点1 、2 、3 、4 、3 3 、3 6 ，单击o k ，出现a p p l yu ， r o t o n n o d e s 对话框。除r o t z 外全部选中，单击o k 。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 5 井架的几何模型图2 - 6 井架振动分析的有限元模型 d 求解 m a i n m e n u l s o l u t i o n i s o l v e l c u r r e n t l s ，查看求解信息，关闭求解状态窗口，单击o k 开始求解，求解完成后单击c l o s e 关闭求解信息框。 2 5 5 查看分析结果 a 查看各阶模态的模态频率 m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c l r e s u l t ss u m m a r y ，系统将弹出s e t , l i s tc o m m a n d 对话 框，得出前9 阶模态频率。 为了合理设计作业车井架，需要全面了解井架的固有振动特性。利用有限元分析软 件a n s y s 对井架结构在自然状态下( 1 l p 无钩载作用) 进行模态分析，可得到井架的前9 阶模态频率( 如表2 - 1 所示) 及相对应的主振型。表2 2 所列为该作业车各转动轴转速， 可以看出，井架的模态频率与作业车设计的工作频率相差较大，不会发生共振现象。由 于井架的振动模念主要由前9 阶模态决定，故以下重点分析这些振型。 b 井架模态振型分析 第一阶振型( o 3 0 2 h z ) 主要表现为井架作大幅前后的一阶摇摆振动，无明显的其 它振动。第二阶振型( 1 2 5 3 h z ) 主要表现为井架作大幅左右的一阶摇摆振动，无明显 的其它振动。第三阶振型( 2 7 4 1 h z ) 主要表现为井架上部作大幅前后的二阶摇摆振动， 1 2 第二章井架屈曲稳定性和振动的有限元分析 表2 - 1 前9 阶固有频率 阶数 固有频率( f h z ) l0 3 0 2 21 2 5 3 32 7 4 l 4 3 9 9 6 54 8 1 5 68 8 9 6 71 3 2 6 8 81 3 5 0 3 91 6 5 9 4 表2 - 2 作业车各转动轴的转速 转动轴名称发动机主轴分动箱输出轴液压泵主轴 液压马达主轴 i 转速( r m i n ) 3 6 0 01 5 0 01 5 0 0 5 还有轻微的绕y 轴的旋转运动。第四阶振型( 3 9 9 6 h z ) 主要表现为井架作大幅前后的 二阶摇摆振动，无明显其它振动。第五阶振型( 4 8 1 5 h z ) 主要表现为井架上部比较强 烈的绕y 轴的二阶旋转运动，无明显其它振动。第六阶( 8 8 9 6 h z ) 主要表现为井架下 部作大幅前后的二阶摇摆振动，上部作轻微的前后摆动。第七阶振型( 1 3 2 6 8 h z ) 主要 表现为井架作大幅左右的二阶振动，还有比较剧烈的绕y 轴的旋转运动。第八阶振型 图2 7 第一阶振型图 图2 - 8 第二阶振型图 图2 - 9 第三阶振型 西安石油大学硕士学位论文 图2 1 0 第四阶振型图2 1 1 第五阶振型图2 - 1 2 第六阶振型 图2 1 3 第七阶振型图2 1 4 第八阶振型 图2 1 5 第九阶振型 ( 1 3 5 0 3 h z ) 主要表现为井架上部绕y 轴作剧烈的扭转振动，同时伴有左右的摆动。 第九阶振型( 1 6 5 9 4 h z ) 主要表现为井架作大幅前后的二阶摇摆振动，无明显其它振动。 1 4 第二章井架屈曲稳定性和振动的有限元分析 2 5 6 结果分析 根据结果得出，井架结构在自由状态下( 无钩载作用) 的固有频率与作业车设计的工 作频率相差较大，井架不会发生共振现象。 从井架各阶振型分析中看出，井架整体的刚度和质量分布较为均衡，无明显的薄弱 部位和过乘部位。 2 6 本章小结 本章首先概述井架和a n s y s 软件，并用a n s y s 软件对井架的屈曲稳定性进行有 限元分析，得出井架工作过程中不会失稳并且相当安全的结论，确保井架在工作中不会 因为稳定性发生毁坏事故，并为井架设计提供科学的依据。 随后，利用a n s y s 有限元软件对作业车井架进行模态分析，计算出井架在自然状 态下的前9 阶模态频率和相对应的振型。分析结果显示，作业车工作时，井架不会发生 共振现象，并且从井架各阶振型分析中看出，井架整体的刚度和质量分布较为均衡，无 明显的薄弱部位和过剩部位，这些都有利于井架的动力性能。 综上所述，该作业车的井架整体结构设计是合理的，为后续的动力学仿真和优化设 计提供了基本保证。 触 觥 奏| 艄涨 游 渺舭锄一 一一一一一 一 一一例一 。 瓣 棵勘强制 俩 一 一一一一 俩 滩 渺翘掰胜 渺一 一一一一 一一膨一一一一 第三章光杆起升系统动力学模型的建立 绳联系在一起，构成复滑轮系统，以减轻钢绳载荷。天车是安装在井架顶部的定滑轮组， 游车是上下往复运动的动滑轮组。 3 3 起升系统的动力学研究概况 光杆起升系统起升杆柱过程中，光杆起升系统由液压马达直接驱动滚筒主轴，带动 滚筒旋转，使得钢丝绳在滚筒上一次次地缠绕、拉紧，提升游车和大钩系统，由于抽油 杆柱与大钩相连，从而起升抽油杆柱。 光杆起升系统下放杆柱过程中，光杆起升系统在抽油杆柱重力作用下下放，利用盘 式刹车系统控制滚筒主轴转速，平衡杆柱重力，从而控制抽油杆柱下放速度。 起升系统的工作特点是间歇、重复和循环。频繁的启动、制动过程中，机构和结构 承受着强烈的冲击振动。在起升系统设计的动力选择、机构设计和零部件设计等仍多是 以动载系数来考虑动力载荷的影响而采用静力计算方法的。 动载系数是指在起升或下放光杆及杆柱过程中出现的短时尖峰载荷与稳定载荷之 比，动载系数表明在起升或下放过程中，起升系统部件里可能出现的最大载荷高出静载 荷的倍数，据此确定起升系统的载荷情况，作为强度设计的依据。 动载系数的确定依赖于起升系统动力学研究的成果。早期的起升系统动力学多采用 解析方法，利用经典振动理论建立系统的微分方程，求解方程获得起升系统的动态特性。 由于多于两个方程的微分方程组的解析求解困难，建立起升系统模型时不得不将起升系 统多质量动力学系统大大简化，多采用两质量两自由度系统模型。显然，模型与实际结 构有很大差别。随着计算技术的发展和计算机功能的不断完善，动力学问题的数值解法 成果不断出现。 工程实践中，起升载荷动载系数的确定常见有以下三种方法【2 6 1 ： 1 ) 按照规范推荐，以= 1 0 2 0 ，具体值则是依赖设计者的经验选取的。显然这里 存在着任意性。 2 ) 按公式，以= k v 计算，k 是由起升系统类别确定的系数，v 是起升速度。尽管此 方法可以在很大程度上避免任意性，但过于笼统，无法考虑不同起升系统的机构、结构 和各工况特征。 3 ) 按公式 五：】+ c vf 工( 3 - 1 ) “ 、f 国( 厶+ y o ) 计算。 式中：v 一额定起升速度；c - 一操作系数：g 重力加速度；矗在额定起 升载荷作用下下滑轮对上滑轮的位移值；k 在额定起升载荷作用下物品悬挂处的结 构静变位值；8 - - 结构质量影响系数。 方法3 考虑了影响起升系统动载特性的各因素，较为准确。但在设计初期公式中部分 1 7 西安石油大学硕士学位论文 参数难以确定而可操作性较差。同时，未能反映起升钢丝绳不同长度对动载特性的影响。 3 3 1 国外情况【2 7 】 国外制造钻机比较发达的前苏联、美国、罗马尼亚、德国、奥地利、波兰和日本等 国，在钻机起升动力学研究方向上，开展了大量的试验和研究。 前苏联从不同角度对钻机起升系统进行研究，各种学术观点比较活跃。为什么苏联 对钻机起升动力学的研究颇感兴趣? 他们认为，起升机构按用途而言是钻机最重要的部 分，按运动而言是钻机最复杂的部分，它在很大程度上决定了钻机的工作能力和可靠性。 还认为钻机构件的损坏8 0 都属于疲劳破坏，而起升机构受到的循环载荷作用是很明显 的，因此，研究起下钻时作用于钻机上的周期性变载的起因及特点，自然有其重要意义。 美国在钻机的起升性能、游动系统和钻杆等方面，开展了比较深入的理论研究和试 验，重点放在节约起下钻的时间上。 罗马尼亚研究了整个钻机起升机构的基本特性，提出了将起升机构看作具有分布质 量的弹性体系来加以研究的方法，进行了游动系统的静力学和动力学研究。针对电驱动 钻