YC450（PSL2）游动滑车结构设计及强度分析

惠川川， 李洪波， 廖刚， 王文君， 晋小庆， 梁顺安

（宝鸡石油机械和国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）

YC450（PSL2）游动滑车结构设计及强度分析

惠川川， 李洪波， 廖刚， 王文君， 晋小庆， 梁顺安

（宝鸡石油机械和国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）

为符合探伤检验要求，设计开发了符合API 8C PSL2级的超深井钻机配套作业的YC450游动滑车（简称游车），对常规游车在结构上进行了改进，并通过UG NX7.5建模，应用有限元法进行分析，采用ASMEⅧ规范进行强度校验。结果表明，此游车在强度上满足ASMEⅧ规范要求，结构上满足API 8C PSL2级质量要求。

游车；PSL2；结构设计；有限元

0 引言

游动滑车，是钻机起升系统的重要组成部分。它与天车、大钩、水龙头等配套使用。在钻井过程中，主要用于悬吊和起下钻柱杆、更换钻头、下套管等作业。目前广泛使用的YC450游车基本上都是PSL1级，且结构形式基本相同，大多采用在受力侧板上焊接耳板的结构，焊缝多采用角焊缝（如图1所示）。这种结构易于满足API 8C PSL1级对焊缝的磁粉探伤要求，且不需进行超声波探伤。而API 8C PSL2级要求所有的焊缝需进行磁粉及超声波探伤，受探伤条件要求，焊缝尽可能采用全熔透焊缝，而对于游车侧板而言，钢板厚度较大，实现全熔透焊缝比较困难，焊接费时费力，焊缝质量很难保证，焊缝的超声波探伤不易实现，也不能满足API 8C PSL2级质量要求。

基于此，笔者对常规游车的结构进行了改进，设计完成了符合API 8C PSL2级质量要求的新型游车结构，建模分析计算结果表明，强度满足ASMEⅧ规范要求。

图1 YC450（PSL1）游车侧板组几何模型

1 结构设计

1.1 结构组成

YC450（PSL2）游车结构示意如图2所示，几何模型简图如图3所示。主要由吊梁、滑轮、滑轮轴、左侧板组、右侧板组、提环座、连接销、提环、提环销等组成。

图2 YC450（PSL2）游车结构示意图

图3 YC450（PSL2）游车几何模型

图4 提环座几何模型

1.2 主要技术参数

最大钩载：4500kN（500 US tons）；滑轮数：6；滑轮外径：φ1524mm（60″）；钢丝绳直径；外形尺寸（长×宽×高）：3 110 mm×1 600 mm×920 mm；理论重量：8 709 kg。

1）该新型YC450（PSL2）游车摒弃了侧板焊接耳板来连接主要受力零件的结构，采用高强度材料的整体铸造的提环座结构（如图4），提环座安装在左右侧板组之间下部，用2个连接销贯穿侧板组牢固地连接，提环销的一端用开槽螺母及开口销固定，方便拆卸。提环由2个提环销牢固地连接在提环座上。提环与大钩连接部分的接触表面半径符合API规范。提环销的一端用开槽螺母及开口销固定，当摘挂大钩时，可以拆掉游动滑车的任何1个或2个提环销。这种结构不但保证了游车整体结构的稳定性，而且更易于进行磁粉和超声波探伤，满足API 8C PSL2级要求。

2）该YC450（PSL2）游车滑轮轴采用空心光轴结构，两端用压板压紧，螺栓紧固。结构简单，加工方便、经济。而在轴纵向中心部位钻有6个润滑通道，与6个轴承的单独润滑油道相对应连通。这种润滑方式结构简单，实现了轴承的独立润滑，保证了游车在使用过程中良好的润滑效果，大大减少了游车的检修维护周期。

3）为防止泥浆等污物进入游车内部，在游车两侧装有护罩。护罩通过护罩销及丝堵与左右侧板连接起来。为防止钢丝绳跳绳，在左右侧板组上还焊有下护板，保证钢丝绳安全工作。

2 强度分析

根据API 8C规范的相关规定，该游车的主要承载件有：左右侧板组，滑轮轴，提环座，提环，提环销，滑轮。由于吊梁等其他附件在游车分析中不承受主要载荷，故在此将其做一些简化处理。UG NX软件在建模过程中有其特殊的灵活性和便利性，故笔者通过该软件对YC450（PSL2）游车建立三维模型。而后将此三维模型导入ANSYS14.0分析软件进行整体受力分析，再采用ASMEⅧ标准对分析结果进行判定。根据ASME规范中的应力分类理论，应力云图中最大应力点的等效应力是由一次薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和应力集中引起的峰值应力叠加而成。危险截面为过最大应力点、沿破坏趋势最明显的截面，此截面的薄膜应力、弯曲应力、薄膜应力+弯曲应力和总应力应分别满足公式要求［2］。

式中：分析时取应力系数K=1；Pm为一次薄膜应力；Pb为弯曲应力；Pm+Pb为一次薄膜应力+弯曲应力；Pm+Pb+Q为一次薄膜应力+弯曲应力+峰值应力，即总应力。公式Sm= σb/3.0中，Sm为许用应力，σb为材料的强度极限。

2.1 有限元分析模型

将YC450（PSL2）游车主要承载件在装配模式下进行有限元分析，该游车为左右对称结构，为了减少计算单元，减少解方程的个数，节省计算时间，取1/4模型进行分析计算，有限元装配模型如图5所示。其中，实体网格划分选用三维实体单元SOLID186、SOLID187，在互相接触的部位采用接触单元CONTA174、TARGE170。网格划分后共划分单元数为41 886，节点数为158 949。对有限元模型进行检查，显示无失败单元，所以网格划分成功。

图5 YC450游车（PSL2）主承载件装配体有限元模型

2.2 约束及载荷

油水煮法所适用的原料一般是纤维较短、质地细嫩、异味较小的鲜活原料，且必须加工切配为符合煮制要求的规格形态，如丝条、片、块、丁等。菜肴一般均带有比较多的汤汁，为半汤菜。而且加热时间不能太长，防止原料过度软散失味。

由图2和图3所示可知，滑轮轴上并列装有6个滑轮，两侧通过左右侧板连接，侧板上部通过吊梁销连接，侧板下部装有提环座、提环及提环销，游车整体刚度对称。因此取游车模型的1/4进行分析。因为游车与大钩是通过各自的提环、吊环进行连接，所以在建模时加入同级别大钩的吊环与游车一起进行装配分析。如图6所示，在大钩吊环下端面施加固定约束Fixed Support A，约束其全部自由度，同时，在滑轮轴上施加1/4额定载荷，根据其实际工作情况采用轴承载荷Bearing Load B，大小为1125kN（额定载荷为4500 kN），方向竖直向上。

图6 装配体约束及载荷示意图

2.3 额定载荷下计算结果及强度校核

该YC450（PSL2）游车的提环座为本次设计的一个亮点，而左右侧板在设计过程中也做了相应的改进，它们的强度对整个游车的影响较大，故在此需对提环座及与之连接的左右侧板强度进行详细分析，以验证其可靠性，保证游车的设计强度满足要求。

2.3.1 提环座

图7 提环座Mises应力分布云图

提环座几何模型如图4所示，其材料为高强度合金钢，力学性能指标取σb≥655 MPa，σs≥520 MPa。在额定载荷下，提环座的Mises应力分布如图7所示，由图示情况可知，提环座的2个销孔位置周围的应力值较高，最大应力值为506.48MPa，其余大部分应力在56.391～112.65MPa。实际工作时，游车整体受到的拉伸应力也正好分布在目前分析的应力集中位置。说明分析与实际工作相符。本文在应力最大点与应力最小点之间建立两条危险路径，即如图8、图10所示的提环座在额定载荷下的线性化路径一、线性化路径二，两条危险路径计算结果如图9、图11所示。

图8 提环座额定载荷下线性化路径一

图9 提环座额定载荷下线性化结果一

图10 提环座额定载荷下线性化路径二

图11 提环座额定载荷下线性化结果二

根据ASME规范及其公式要求，计算得Sm=σb/3= 655/3=218.3 MPa。分析中取系数k=1.0。1.5kSm=1.5×1.0× 218.3=327.5 MPa；3Sm=3×218.3=655 MPa。

1）通过模型计算得到额定载荷下线性化路径一：Pm=122.72 MPa，Pb=135.91 MPa，Q=160.13 MPa，Pm+Pb+Q= 414.78 MPa。根据ASME规范设计准则对其在额定载荷下线性化路径校核结果一：

2）通过模型计算得到额定载荷下线性化路径二：Pm=156.03 MPa，Pb=102.76 MPa，Q=35.52 MPa，Pm+Pb+Q= 288.3 MPa。根据ASME规范设计准则对其在额定载荷下线性化路径校核结果二：

通过以上两条危险路径的计算，结果表明在额定载荷作用下，提环座的强度满足ASMEⅧ规范要求。说明提环座的设计满足强度要求。

2.3.2 左（右）侧板销孔处

提环座通过连接销与左（右）侧板相连，故对左（右）侧板进行强度分析，以确定其可靠性。左（右）侧板材料为低合金高强度钢板，力学性能指标取σb≥501 MPa，σs≥315 MPa。在额定载荷下，左（右）侧板的Mises应力分布如图12所示，由图示情况可知，左（右）侧板的下部销孔位置周围的应力值较高，最大应力值为338.42 MPa，其余大部分应力在37.633～75.231 MPa。本文在应力最大点与应力最小点之间建立一条危险路径，即如图13所示左（右）侧板线性化路径，危险路径计算结果如图14所示。

图12 提环座Mises应力分布云图

图13 左（右）侧板额定载荷下线性化路径

图14 左（右）侧板额定载荷下线性化结果

根据ASME规范及其公式要求，计算得Sm=σb/3=501/ 3=167 MPa。分析中取系数K=1.0。1.5KSm=1.5×1.0×167= 250 MPa；3Sm=3×167=501 MPa。

通过模型计算得到额定载荷下线性化路径二：Pm=82.64 MPa，Pb=157.52 MPa，Q=109.16 MPa，Pm+Pb+Q= 344.5 MPa。根据ASME规范设计准则对其在额定载荷下线性化路径校核结果：

通过该危险路径的计算，结果表明在额定载荷作用下，左（右）侧板的强度满足ASMEⅧ规范要求。说明左（右）侧板的强度满足设计条件。

3 结论

1）YC450（PSL2）游车提环座采用特种材料、新技术、新工艺，解决了API 8C PSL2级产品探伤要求很难满足的问题。

2）通过UG NX7.5建模，导入ANSYS14.0进行有限元分析，在额定压力下，YC450（PSL2）游车的强度设计满足ASMEⅧ规范要求。证明建立的有限元模型是正确的。各项性能指标均达到设计要求，且该游车具有结构紧凑、合理及维护方便等特点。

3）通过改变各主承载件高应力部位的结构，使得该游车在满足安全和使用要求的前提下具有最优的几何结构。有限元分析方法有助于设计人员进一步了解设计的合理性和可靠性，节省了试验成本。

4）该新型YC450（PSL2）游车目前已投入油田使用，该产品提高了YC450游车的质量等级，满足了用户的多样化需求。

［1］ API SPEC 8C，Specification for Drilling and Production Hoisting Equipmen（tPSL1 and PSL2）［S］.

［2］ ASME Boiler and Pressure Vessel Code（sectionⅧDivision 2）［S］.SI Edition，2001.

［3］ 陈义厚，李建文.YC450游动滑车零部件的有限元强度分析［J］.机械制造与自动化，2010，39（2）：76-79.

［4］ 杨西萍.YC585游动滑车的安全性能评定［J］.机械制造与研究，2013，26（123）：41-43.

［5］ 黄咸璞，党元，高峰.YG135整体式游车大钩的设计［J］.石油矿场机械，1996，25（5）：11-16.

［6］ 浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2010：33-88.

（编辑昊 天）

Structure Design and Strength Analysis of YC450（PSL2）Travelling Block

HUI Chuanchuan,LI Hongbo， LIAO Gang,WANG Wenjun,JIN Xiaoqing， LIANG Shunan
（National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center,Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002，China）

In order to meet the requirements of defect detection,self-contained YC450 (API 8C PSL2 grade)travelling block for ultra-deep drilling rig PSL2 is designed,and the structure of traditional travelling block is improved.Through UG NX7.5 modeling and finite element method analysis,the ASMEⅧ specification is used to test strength.The result show that,the travelling block strength can meet requirements of the ASME Ⅷ specification,and satisfiy the requirement of API 8C PSL2 grade the quality on the structure.

travelling block;PSL2;structure design;finite element

TE 92

A

1002－2333（2014）05－0170－04

惠川川（1985—），男，助理工程师，从事石油机械装备的设计与研究工作。

2014-02-22