基于多路况的沙漠修井车车架强度分析

安绍敏，陈德勇，张维东

（1.中石化石油工程机械有限公司 第四机械厂，湖北 荆州434000；2.中石油兰州石化客运分公司，兰州730060）①

目前，全世界已发现了324个储量在亿吨级别的油气田，其中有109个分布在沙漠地区，并且至关重要的几个油田是在沙漠中。沙漠环境对工程机械的性能与可靠性提出了更高的要求。在把修井机运输到沙漠油气田的过程中，对底盘的要求非常高，尤其是大型修井机，在道路颠簸的山路、凹凸不平的坏路和高低起伏且松软的沙漠地形上，遇到的问题要远多于普通环境［1－3］，整车承受地面给车架的动载荷是很大的，所以研究沙漠修井车的车架在各种恶劣路况下强度就显得更加重要［4］。本文分析沙漠修井车在平稳路面、轮胎悬空、紧急制动、沙漠凹凸坡道4种路况下行驶时车架的结构强度，为设计提供依据，对提高整车道路通过性和整车使用寿命具有重要意义。

1 路况分类

在驶往沙漠油气田的过程中，沙漠修井车需要经历山路、沼泽地、沙漠地形下的凹凸颠簸路面，承受地面对车身的巨大冲击力。这些工况可分为4种：

1） 普通平稳道路行驶路况 沙漠修井车在平稳路面上行驶时受到的载荷，或者驻车停止时，都可以近似于只承受车架上部设备重力的静压力载荷，包括井架、驾驶室、发动机、传动箱、分动器、绞车架等上装设备的垂向静载荷。SXJ550ZJM型沙漠修井机在平整路况下行驶，如图1，底盘为三江瓦力特航天公司特制的WS5650ATXJ型沙漠专用底盘，全独立悬挂，最大载质量48t，高越野性能。

2） 单侧前轮悬空路况 沙漠修井车在比较崎岖的道路上行驶时，很容易出现单侧前轮悬空的情况，这时候车架受到的力是不对称的，在上装设备的重力作用之下，车架左右两侧会形成弯矩，将会产生较大的变形和应力。

3） 紧急制动路况 道路行驶过程中，遇到紧急情况需要紧急制动时，模拟车架0.5s内制动，计算相应减速度惯性载荷对车架的纵向冲击载荷。施加载荷时模拟1条载荷谱，横坐标为时间，历时0.5 s，纵坐标为整车惯性力（F＝ma），此时车架受到垂向静载荷＋制动减速度冲击载荷。

4） 凹凸沙漠坡道路况 在颠簸山路中行驶，沙漠修井车会遇到各种凹凸不平的坑道，加上沙漠中行驶时，各种大沙坑、沙堆坡道。模拟沙漠修井车以30km／h的速度遇到1个接近5m的凹坑，然后越过沙堆的路谱，如图2。

当前轴轮胎进入凹坑时，后轴轮胎还没有进入凹坑，前轮准备出凹坑时，后轮准备进入凹坑，前轮驶出凹坑时，后轮准备越过凹坑，分析前后轴所受冲击载荷对车架各处产生的应力和变形。图3为SXJ550ZJM型沙漠修井机的前轮已经驶出凹坑，后轮准备越过凹坑时的后轴受力情况。

其中垂向静载荷为4种路况下都具有的永久上装设备重力载荷，主要包括井架、滚筒及刹车系统、驾驶室、发动机、传动箱、分动箱、绞车架等设备对车架的重力静载荷，同时包括车架本身的重力，如表1。

2 有限元分析

以SXJ550ZJM型沙漠修井机为例进行分析。

2.1 模型建立

采用Pro／E软件建立了沙漠修井车车架的三维装配体模型.为了提高车架强度分析的计算效率，在满足主要因素计算精度的前提下，对车架结构进行简化，略去承受载荷较小和对整体变形影响很小的部件，得到的模型无缝连接到ANSYS中。

在建立有限元模型时，由于车架结构庞大、复杂，小特征较多，采用10节点四面体单元划分有限元网格。为提高建模精度，选取合适的的单元尺寸（10～15mm）［5－6］，划分单元总数为213 358 个，节点总数为891 658个。在处理有限元模型的载荷条件时，采用面均匀加载模拟真实载荷工况。

2.2 分析结果

在有限元的计算中，车架的材料为16Mn，材料的许用应力为350MPa，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。针对4种路况，给车架施加相应的载荷，得到4种路况下有限元应力云图和变形云图。由于篇幅所限，此处只给出车架在比较危险的轮胎悬空路况（路况2）和凹凸沙堆坡道路况（路况4）下的应力分布图和最大变形分布图。如图4～7。4种路况下有限元分析数据对比如表2。

4种路况下普遍应力在30MPa左右，车架强度比较安全。其中，路况2的最大应力约为150MPa，第4种路况下车架所受应力和变形最大，最大应力为181MPa，位于后4轴中间车架上端处，属于受力较大位置，由于材料的屈服强度为350MPa，所以满足强度要求；最大变形为13.9mm，位于车架中后部，第4、5轴中间位置，车架前端的井架支撑架位置变形也比较大，受井架重力集中引起的局部变形也在允许变形范围之内；第2种路况下，变形明显比其他工况大很多，为24mm，这是由于轮胎悬空引起不平衡弯矩，导致单侧车架前端变形较大，加上驾驶室后边的井架支撑架处变形比较大，属于局部受井架重力集中引起的变形，需要局部加强。所以，针对这几个明显的应力较大和变形明显的局部可以进行结构加强，而且在恶劣路况行驶的时候，车速不能太快，颠簸路面更加注意避免车轮悬空，凹坑不平路面不能快速通过，这样保证沙漠修井车的使用寿命和道路通过更加安全。

3 结论

1） 建立了沙漠修井车车架装配体模型，并无缝连接到有限元分析软件ANSYS中，按照修井车4种实际路况设置有限元车架模型。

2） 将沙漠修井车进行了平稳路面、轮胎悬空、紧急制动、凹坑及沙漠坡道4种真实路况下的有限元分析，得到车架应力云图和变形云图，从而得到应力、变形较大位置，为以后的沙漠修井车在恶劣路况下的车架强度校核和改善提供依据。

［1］刘健，肖柳胜，吴汉川，等.多轴特种车辆底盘性能匹配研究［J］.石油矿场机械，2013，42（8）：29－32.

［2］牛文录，杨文新，李家平，等.GYC－600型压裂供液车的开发与研制［J］.石油矿场机械，2003，32：44－46.

［3］尹俊峰.某特种作业车底盘通用化设计的研究［D］.长沙：中南大学，2010.

［4］李博超.修井车车架有限元分析及研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2010：1－4.

［5］Topa M M，Günal H，Kuralay N S，et a1.Fatigue Failure Prediction of a Rear Axle Housing Prototype by Using Finite Element Analysis［J］.Engineering Failure Analysis，2009（16）：1474－1482.

［6］管欣，史建鹏，杨得军，等.单纵臂式与扭力梁式悬架特征分析［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2011，39（1）：86－89.