摘要：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。

关键词：有限元分析；井架；应力

1. 引言

修井机是各油田作业中承担起下油管柱和更换井下工具的必备装备,我国每年要进行十多万次的各类修井和增产措施作业。井架是修井机的主要受力部件。本文采用ANSYS有限元软件作为主要的计算和分析手段, 有针对性的分析了北方-奔驰40t修井机井架的应力分布规律,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][6] 。

2. 有限元几何模型创建

修井机井架工况条件：1）给定的穿绳条件下，最大钩载675KN，快绳载荷128KN，死绳载荷117KN；2）井架总成质量24KN；3）后绷绳预紧载荷70KN；4）风载30.8m/s。从分析目的和井架模型的特点出发，作如下基本假设^[2] ：1）井架的各杆之间为刚性焊接结构，焊接可靠。2）建模时略去扶梯、护栏、栏框等附属物。3）略去内绷绳；4）井架底部与支座为铰接约束，锚固钢丝绳的固定端为固定约束。5） 锚固钢丝绳受力与变形服从线性关系。创建简化有限元几何模型^[3] ，如图1所示。

图1井架、背拉杆、绷绳的有限元几何模型

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。约束点共有6个，其中铰点限制5个自由度，钢绳与地面连接点限制3个自由度。

3. 有限元计算与分析

通过ANSYS软件的求解完成之后，分析结果如下：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

图3 左大腿的位移曲线

表1　优化前井架中9个较大应力值的单元杆件（单位：Pa）

对以上图表分析可得：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，在井架的顶部达到最大值。2）在满负荷下，第一层门框前面右侧主腿上部（单元12）应力偏高，最大应力为249.32MPa。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。

4. 修井机井架的优化

井架上体第一层门框是整个井架的危险截面。造成这一层门框特殊的原因是由于天车的宽度比井架宽度小，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，井架上体第一层门框杆件单元及横梁的应力较大，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][5] 。

4.1外形结构的优化

井架侧面斜撑布置一般采用平行式和波浪式两种。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，将井架的侧面和背部斜撑都改成平行布置，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。因此，原结构选用的平行式侧面斜撑较为合理。

4.2危险截面部位改进

井架上体第一层门框是整个井架的危险截面。造成这一层门框特殊的原因是由于天车的宽度比井架宽度小，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一个向两边撑开的水平分力（图4中的P）。对于这一层门框，不仅其本身要求具有较高的强度，而且其刚度也直接影响大腿的应力。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。

由于这一层门框应力分布复杂，仅靠增加杆件的截面尺寸取得的效果往往不大。因此本文反复更改此门框的结构，再进行有限元计算，然后分析、比较这些结构，最后挑选出一个最好的结构（如图4（b） 所示）。该结构大腿上部最大应力比原结构降低30MPa，门框横梁弯曲应力降低35Mpa，从而使井架的整体稳定性得到提高。

 （a）原天车门框结构  (b) 改进后的门框结构

1 天车   2 天车下第一层门框

图4井架上体第一层门框

4.3改进前后的结果对比

表2  优化后9个较大应力值的单元杆件（单位：Pa）

图5 改进前后井架前左大腿应力值对比图

5. 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一层门框新增加的横梁中点处（单元144），其值为 220.12MPa，与井架顶部原结构最大应力值249.32MPa相比，最大应力的降幅为12%。

通过有限元技术对井架进行分析，可以更为直观地了解井架的应力分布情况。针对井架的应力分布，可以方便的对井架的背部斜撑、危险截面以及选材进行优化设计。这极大节约了试验成本，缩短了研发周期，同时又可以使井架的结构合理，提高修井机的整体性能，降低了成本。

参考文献

［1］ 王国强.使用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践. 西北工业大学出版社, 2000.4

［2］任重.ANSYS实用分析教程. 北京：北京大学出版社, 2003.3

［3］杜平安.有限元网格划分的基本原则.机械设计及制造, 2002.2: 34～36

［4］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) 　26 (1) : 49～51, 2009

［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, 2001.10: 25～29

［6］ 周传喜  海洋修井机井架有限元分析及结构优化   石油机械  2008.36.9:54～57