ZG28CrNiMoRe顶部驱动装置旋转头的研究

2018-11-19柴璇

中国设备工程 2018年20期

柴璇

（天津知时捷科技发展有限公司，天津 300300）

在顶部驱动装置所有工作装置中，旋转头是一个核心的工作部件，它承重上百吨重量，该部件必须可靠耐用，具有足够的强度和刚度。

目前，国内外对常温顶部驱动装置研究较多，对低温顶驱研究却很少。顶部钻井装置应用在低温场合下的情况较多，因此要求其材质必须具备较高强度和较好的冲击韧性。采用低碳铬镍钼钢+稀土元素，是低温顶驱铸钢件材质应用的趋势。本文根据石油及铸造行业通常使用的具有较高强度和较好韧性的材料，以及相关资料，采用ZG28CrNiMoRe作为低温顶部驱动装置旋转头的材质。利用有限元分析，计算ZG28CrNiMoRe旋转头的强度和刚度；选择合适的热处理加工工艺；对ZG28CrNiMoRe的样品进行试验验证。

1 有限元分析

1.1 线性静态结构分析原理

假设所选结构件为线性静态结构，不考虑惯性和阻尼的影响。在线性静态结构分析中力与时间无关，因此，有限元线性静态分析公式如下：

[K]{x}={F}

式中：[K]——刚度系数矩阵；

{x}——结构位移矢量；

{F}——结构外力矢量。

1.2 旋转头静态分析

（1）几何模型建立。对模型进行局部简化，在SOLIDWORKS建立有限元模型，在ANSYSWorkbench中导入几何体文件。

（2）材料设置。旋转头使用的材质是ZG28CrNiMoRe，根据SY/T5053-2004标准要求，铸钢件材料最终热处理后的力学性能应满足：材料的抗拉强度σb≥640MPa，屈服强度σs≥540MPa，断后延伸率为δ≥15%，断面收缩率ψ≥25%，冲击功AKV≥27J。参数设置弹性模量E=2.1e11，泊松比μ=0.3。

（3）网格划分。对模型进行自由网格划分，单元长度为30mm，有限元网格共有30197个节点，51488个单元。如图1所示。

图1 旋转头网格划分

（4）约束与加载。旋转头接触部位加约束，在两侧吊耳处加载。

（5）结果分析。图2为旋转头应力计算结果，如图2可知，Von-Misese应力值较大区域在吊钩与旋转头吊耳接触区偏上方圆弧过渡处，数值最大值σmax为276MPa，依据第四强度理论知识以及APISpec8C规定可知，许用应力 [σ]=σs/n=655/2.25=291.1MPa，σmax≤[σ]，最大值在许用范围之内，故强度满足要求。图3为变形计算结果，如图3可知，旋转头两侧吊耳处承载，故最大变形量在两侧吊耳处，且最大变形值为0.8，可忽略不计，刚度满足要求。

图2 旋转头应力计算结果

表1 ZG28CrNiMoRe各温度下拉伸与冲击试验结果

图3 旋转头变形结果

通过分析计算以及实际生产中出现的问题，我们需注意以下：（1）铸造用的模型制作应特别注意圆角过渡曲线，防止应力集中。（2）吊耳圆弧处为非加工面，应特别注意零件毛坯的打磨修整。（3）零件的无损探伤应保证无铸造缺陷。

2 热处理工艺选择

ZG28CrNiMoRe旋转头结构满足要求，还必须有合适的热处理加工工艺。

在旋转头铸后的热处理工序中，淬火的加热温度对其淬火后的组织和性能有着重大影响，而淬火温度的选择主要是根据钢的化学成分来确定，ZG28CrNiMoRe属于亚共析钢，为使共析铁素体全部转变为奥氏体，并考虑有利于奥氏体形成和得到细小奥氏体晶粒，亚共析钢的淬火温度推荐为：AC3+（30～50）℃。在生产上，用于过冷奥氏体稳定性比较大的合金钢通常用油作介质。综合考虑工件尺寸、淬火介质，该铸钢件的淬火加热温度为：870～890℃。

根据经典回火方程可知：回火温度和时间对硬度和冲击功有显著的影响，其中回火温度更加显著。对于含铬、镍、锰等元素的合金钢淬火后在500～650℃回火，缓冷易产生可逆回火脆性，为防止它，小零件采用回火时快冷，大零件可选用含钨或钼的合金钢。合金钢在300～400℃之间和500～550℃之间出现两个极小值，即低温回火脆性和高温回火脆性。因此回火温度应避开此温度范围。当回火温度在640～660℃范围内时，材料的冲击韧性较高。

综合以上，选出最优工艺组合：890℃×80min淬火，650℃×75min回火。