整体式游车大钩的振动特性分析研究*

马春亮

(襄阳汽车职业技术学院，湖北 襄阳 441000)

关键字:提升系统；游车大钩；振动特性；模态分析；谐响应分析；ANSYS

0 引 言

游车大钩是石油钻机提升系统的重要组成部分，其与天车水龙头(顶驱)等配套使用[1]。 目前广泛使用的游车大钩基本上是API 8C PSL1 级[2]。 整体式的游车大钩将独立的游车和大钩合二为一，可以完成独立的游车和大钩所担负的各项功能。 其省去游车的下提环和大钩的吊环以及销轴等零部件。 游车大钩可以对筒体内部的弹簧以及液压装置起到缓冲作用[3]。

游车大钩是一个静力学和动力学特性十分复杂的零部件[4]，如图1。 当外部激振力的频率和振型达到构件的某阶固有频率和振型时，就会发生峰值响应，相应的振幅 和 动 应 力 都 会 增 大[5]。 以ZJ40DB 配套使用的YG225 为研究对象进行振动特性分析，以此方法作为设计衡量游车大钩工作性能的一个标准，同时为游车大钩的动态设计提供参考依据。

图1 游车大钩几何模型

1 游车大钩运动分析

YG225 游车大钩，见图1，其结构参数见表1。

表1 游车大钩结构参数

ZJ40DB 采用JC40DB 交流变频绞车起下钻，结合ZJ40DB 交流变频电驱动钻机的提升系统，经过计算得到提升特性曲线如图2。 由图可知游车大钩的速度在0～0.30 m/s 时，钩载是2 250 kN 恒定不变，在这期间可以起升最大载荷，也是最容易失效的阶段。所以，就起升阶段对游车大钩的振动特性进行分析。

图2 提升速度、载荷曲线

2 振动特性分析

在这些外部激励条件下，比如:绞车的低频振动、钢丝绳的振动、水龙(顶驱)的振动以及风振，都会导致游车大钩的振动特性比较复杂，所以分析游车大钩的振动特性尤为必要，游车大钩整体结构的动力平衡方程为[6-7]:

式中:[M]、[C]、[K]为结构的总质量矩阵、阻尼矩阵和总刚度矩阵；为节点加速度矢量、速度矢量和位移矢量；{Fa}为结构外载荷矢量。

密度决定了质量矩阵，材料属性、单元的几何性质决定了刚度矩阵。 所以在ANSYS 中进行模态分析和谐响应分析时，要对材料的特性(密度、弹性模量、泊松比)与单元类型进行定义来确定质量矩阵和刚度矩阵。

游车大钩在正常工作的过程中主要承载件是滑轮、滑轮轴、中间体销轴、中心轴、钩体销轴以及钩身。滑轮钩身与其他零部件接触频繁，故对其建立有限元模型进行有限元分析。 材料对应的力学性能见表2。

表2 游车大钩材料力学性能

2.1 滑轮的有限元分析

游车大钩在起吊过程中快绳缠绕的滑轮运动速率快，承受动载荷频繁[8]。 结合实际工作情况，求出滑轮的线速度和角速度见表3。 建立滑轮有限元模型，见图3，对其进行预应力模态分析与谐响应分析。

图3 滑轮有限元模型

表3 滑轮运动情况

滑轮线速度和角速度计算公式为:

式中:Vi为滑轮的切向速度；V为大钩速度，V＝0.30 m/s；Z为绳数，Z＝10；ωi为滑轮转速；D为滑轮直径D＝915 mm。

根据边界条件进行模态分析得到滑轮前15 阶模态固有频率，见表4。

表4 滑轮固有频率

滑轮4 阶振型云图见图4，由模态分析的振型云图可以看出:滑轮四周的振幅较大，振动明显。

图4 滑轮4 阶振型云图

经过处理得到最大应力节点编号是8 493，通过时间历程处理器POST 26 可以得到最大应力点位移与激励频率的关系，如图5、6 所示。

图5 8 493 节点位移频率关系

图6 8 493 节点应力频 率关系

由图5、6 可知:最大应力点在频率为350 ～400 Hz 之间出现了明显的共振现象并且应力相对较大，此时滑轮出现了严重的扭转现象。 所以外界的激励频率应避免在此范围，尽量使游车大钩在低频状态下工作。

2.2 钩身的有限元分析

游车大钩的钩身在工作过程中是与动力水龙头直接接触的零部件，在承受力的过程中最容易发生断裂。 根据游车大钩的运动情况，见表5，建立大钩有限元模型，见图7，对其进行预应力模态分析与谐响应分析。 钩身的前15 阶模态固有频率见表6。

图7 钩身有限元模型

表5 游车大钩运动情况

表6 钩身固有频率

根据各阶的频率和振型，可以观察到哪些部位的振幅较大，哪些部位影响整体的振动特性，从而可以提出改进的建议。 并且可以通过振型云图，见图8，了解到钩舌部位的振幅交大，说明该部位应该增加刚度。

图8 钩身9 阶振型云图

经过处理得到最大应力节点编号是2 222，通过时间历程处理器POST 26 可以得到最大应力点位移与激励频率的关系如图9、10 所示。

图9 2 222 节点位移频率关系

节点2 222 处于钩舌受力部分，图9 是受力端z方向位移与激励频率关系，由图可知在给定计算的激励频率内存在两个明显的共振频率(2 100 ～2 500 Hz)，且第一个峰值大于第二个峰值。 图10 是受力端应力与频率关系，从图中可以得到峰值最大的两个频率处应力最大，也容易发生失效。

图10 2 222 节点应力频 率关系

3 结 语

利用ANSYS 有限元分析软件对整体式游车大钩的主要承载件滑轮和钩身进行了动力学分析，通过模态分析分别得出了滑轮和钩身的前15 阶固有频率和相应的振型。 从振型云图可以分析出滑轮和钩身的动态性能，可以反映整体式的振动特性，找到结构的薄弱环节。 通过谐响应分析，找到了滑轮和钩身容易发生共振的频率，为游车大钩的结构优化设计及改进提供了理论依据。