ZJ70钻机井架及底座设计计算报告

h ( 2a b) ； h —梯形高； a —梯形上底宽； b —梯形 3(a b)
H 上＝ （20.916+15.080）＋
14.875(2 2.100 4.128) 3(2.100 4.128)
＝（20.916+15.080）＋6.630=42.626m； 井架中段：
H中＝ 20.916+
A 中横 2=0.25 5.449=1.3623 m2 A 中横 3=0.25 6.215=1.5538 m2 A 中斜 1=0.168 6.845=1.15 m2 A 中斜 2=0.168 7.015=1.1785 m2 A 中斜 3=0.168 7. 8123=1.3125m2 A 正中梯== 0.03 0.655 23+0.04 15.08 2=1.6549 m2
1
前
一、问题的提出
言
为了确保产品质量及使用的可靠性，对其 ZJ70 钻机井架底座进行有 限元分析、疲劳寿命分析、稳定计算分析、安全可靠性分析及设计验证。
2
二、ZJ70 钻机井架强度分析内容
根据有关设计技术资料和参数， 严格按照 A P I S P E C 4 F 条 要求进行计算。具体分析内容与要求如下： 1. 无风载、无立根、最大静载荷下井架的强度计算分析； 2. 突发风速 30.7m/s、无钩载、无立根时井架强度计算分析； （超预 期风速计算：以 47.8/m/s 分析计算） 3. 最小设计风速（预期）38.6m/s、满立根、无钩载时井架的强度计
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三、建立计算模型
井架的静力计算模型，可简化为空间刚架计算模型，如图 1-1 所示。 整个井架模型共 182 个节点，其中两个固定铰支点（井架支脚处） 。 划分 324 个梁单元。 1. 整体坐标系下的各节点坐标值 由工程图提供，直接通过 ANSYS 有限元分析软件的前处理建立。利 用活动坐标建立关键点，连线，变成轴侧视图，进行立体操作。 2. 材料性质 ①弹性模量：E=2.1×105N/mm2（2.1E11 N/m2） ②钢件密度：78×10-6N/mm3（7800kg/m3） ③泊松比: 0.3
P kz k F W
（1）风速： 要求对四种风速对应的工况计算，8 级风速：20.7m/s 12 级风速： 36m/s ；47.8m/s。 转换成 2 分钟时距的风速：
（v 2） 1 1.136v10 0.909 1.136 20.7 0.909 22.61m / s （v 2） 2 1.136v10 0.909 1.136 36 0.909 40m / s
P绳＝
（ 2 Q柱＋G游） （ 2 2240 124） 394 kN Z 12
（ 2 Qmax＋G游） 2 （4500 124） 729 kN Z 12
P绳 max＝
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④ 立根载荷 立根载荷是由立根自重产生的垂直载荷和水平载荷组成。 垂直载荷施 加于钻机的底座上，水平载荷作用于井架二层台的指梁上，指向二层台的 两侧，立根排放示意图见图 1-1。
2. 构件的几何形状 通过 ANSYS 的前处理中实常数项给出。 3. 单元类型 刚架结构使用梁单元，即 BEAM4 单元。既承受轴向力又承受弯矩。
四、确定计算载荷
在 ANSYS 有限元分析软件中，是通过解 （SOLUTION）处理项来 完成。 （一）加约束 约束作为有限元解的边界条件，在 ANSYS 有限元分析软件中，是作 为位移载荷来处理。 包括三个位移约束和三个转动约束， 分别为： UY、 UZ、 ROTX 、ROTY、 ROTZ。 （二）加载荷 横梁各节点可能有均布载荷；集中载荷 FX
取 G游＝G钩＋G游车＋G绳 ＝124kN； ⑤总立根重量： G立根＝360 7000 2520kN ⑥立管重量： G立管＝360 17.1 6.146kN 2. 恒载分配 ① 将井架自重平均分配到上井架各节点； ② 游动系统重量、天车重分配到井架顶端的 4 个节点上； ③ 二层台和二层台悬吊重及二层台钢绳拉力分别加在二层台支承两 点及悬拉的两点。 3．工作载荷 ① 最大静载荷（最大钩载） Qmax ＝4500 kN； ② 额定载荷（最大钻柱重量） Q柱 2240 kN； ③ 工作绳拉力
k z上正＝ 1.337
k z中正＝ 1.221
k z下正＝ 0.9799
④ 段井架中杆件的实际承风投影面积之和 井架上段正面构件挡风面积： 正面两主大腿： 上一横撑 1 根： 上二横撑 1 根： 上三横撑 1 根： 上四横撑 1 根： 上一斜撑 1 根： 上二斜撑 1 根： 上三斜撑 1 根： 工作梯： 天车台： A 上腿＝0.25 14.875 2=7.4375 m2 A 上横 1=0.168 2.1=0.3528m2 A 上横 2=0.2 2.7561=0. 5512m2 A 上横 3=0.17 3.472=0.5902 m2 A 上横 4=0.25 4.128=1.032 m2 A 上斜 1=0.168 5.327=0.895m2 A 上斜 2=0.168 6.035=1.0139m2 A 上斜 3=0.168 6.075=1.0206 m2 A 正上梯= 0.03 0.655 23+0.04 14.875 2=1.385 m2 A 正上天＝0.45 2.1＝0.945
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（v 2） 3 1.136v10 0.909 1.136 47.8 0.909 53.39m / s
（2）风压
W1＝ (v 2 ) 4 22.612 0.3195 kPa 1600 1600 (v 2 ) 2 40 2 1 kPa 1600 1600
2 2 2
该钻机井架有限元强度分析主体计算完全借助于 ANSYS 软件， 其计 算理论是可信，计算结果是可靠的。计算分析的技术原则： 1. 建立静力计算模型 2. 杆件强度和稳定性校核。在总体静载有限元分析基础上进行。 3. 井架的疲劳计算，按应力幅法计算分析。 4. 井架整体稳定计算，按弹性稳定理论分析。 5. 在静强度计算的基础上，进行可靠性分析。 6. 按 ANSYS 实际计算直接生成变形井架过程动态演示软件。
6
UX、
FY
FZ
MX
MY
MZ；重力载荷：Y 向加重力加速度 9.8。 1．恒载 ①井架自重：9629 kN； ②天车重量： G天车 105kN ； ③二层台自重： G二台＝35.13 kN； ④游动系统重量：
G游＝G钩＋G游车＋G绳 =34.10 +60.42 +0.0521×40×14=123.696kN
3
第 8.3
算分析； 4. 作业和安装 16.5/ms； 提高一个级别的额定载荷 8 级风时（风速 20.7m/s）井架的静强度计算； 5. 钻机底座强度计算分析； 6. 井架起升的强度计算分析； 7. 完成井架的稳定性计算分析； 8. 井架疲劳计算分析； 9. 井架可靠性计算分析；
三、问题的技术分析要点
第一章 ZJ70 钻机井架 静力有限元强度分析
一、ZJ70 钻机井架静力分析内容
1. 无风载、无立根、最大静载荷下井架的强度计算分析； 2. 突发风速 30.7m/s、无钩载、无立根时井架强度计算分析； （超预 期风速计算：以 47.8/m/s 分析计算） 3. 最小设计风速（预期）38.6m/s、满立根、无钩载时井架的强度计 算分析； 4.作业和安装 16.5/ms； 提高一个级别的额定载荷 8 级风时（风速
ZJ70 钻机井架及底座 设计计算报告
目
录
前 言……………………………… ………………………2 第一章 ZJ70 钻机井架静力 有限元强度分析……………… …………………3 一、ZJ70 钻机井架静力分析内容 二、ZJ70 钻机井架主要技术参数 三、建立计算模型 四、确定计算载荷 五、静力计算与结果分析 六、井架起升强度计算分析 第二章 ZJ70 井架的疲劳强度计算…………………63 一、 疲劳强度计算法 二、ZJ70 钻机井架的疲劳计算分析 第三章 ZJ70 井架的稳定计算………………………73 一、 前开口井架稳定性概念 二、 井架整体稳定计算的理论折算法 三、 井架整体稳定实际计算 第四章 ZJ70 井架的可靠性计算分析 ………………………………………………………79 一、可靠性计算的概念 二、井架的可靠性计算方法 三、井架的可靠性计算 四、结论 第五章 井架的总体评价…………………………………87
前面累加：16.566 二层台：A 正二台＝6.8×2.4=16.32 m2 井架中段正面构件挡风投影面积之和： 井架下段正面构件挡风面积： 正面两主大腿： 下一横撑 1 根： 下二横撑 1 根： 下三横撑 1 根： 下大斜撑 2 根： 下一竖撑 4 根： 下小斜撑 2 根： 下 V 斜撑 2 根： 工作梯： A 下腿= 0.340 11.006 2+0.25 9.91 2=12.439 m2 A 下横 1=0.25 6.871=1. 7178m2 A 下横 2=0.2 7.614=1.5228m2 A 下横 2=0.26 7.891=2.0517m2 A 下斜 1=0.168 8.131 2=2.732 m2 A 下竖 1=0.15 2.00 4=1.2 m2 A 斜 1=0.1 2.9 2=0.58 m2 A 斜 2=0.1 2.236 2=0.4472 m2 A 正下梯=0.03 0.655 15+0.04 9.91 2=1.088 m2
井架上段正面构件挡风投影面积之和： 井架中段正面构件挡风面积： 正面两主大腿： 中一横撑 1 根：
f
上正
＝15.223 m2
A 中腿=0.25 15.08 2=7.54 m2 A 中横 1=0.168 4.843=0.8136 m2
10
中二横撑 1 根： 中三横撑 1 根： 中一斜撑 1 根： 中二斜撑 1 根： 中三斜撑 1 根： 工作梯：
1 立根对井架是水平力计算： P根水平＝ q l n ctg 2
二层台容量：钻杆直径以 127mm（ 5 " ） ， q 36kg / m ，立根长 28m 总立根 7000m，250 根立根。 l 28m ； 87 1 P根水平＝ 36 9.8 28 250 ctg 87 46.076 kN 2 4．工作载荷分配 ① 最大钻柱重量或最大钩载平均分配到顶端 4 个节点上； ② 工作绳作用也近似分配到顶端 4 个节点上； ③ 立根载荷平均分配井架与二层台相连的两点和二层台的下撑两 点。 5．自然载荷 本井架不考虑地震和温度作用的载荷，因此自然载荷只有风载。 风载计算式为：
2. 井工作高度：44.5m；井架高度：大腿销孔中心至天车梁下平面垂 直高度：50.75m；型式：k 型。 3. 游动系：6×7；顺穿； d 绳＝38 mm。有效绳数：12 4. 二层台高度：24.5m、25.5m、26.5m；二层台容量：5”，立根 28m， 共 7000m； 5. 底座钻台高度：10.5 m ； 底座重量：2080.18KN
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20.7m/s）井架的静强度计算； 5. 钻机底座强度计算分析； 6. 井架起升时受力分析与强度计算； 7. 井架起升起人字架的强度计算分析
二最大静载荷： Qmax ＝4500 kN；最大钻柱 Q柱 2250 kN； 恒载：井架自重：774.99 kN；天车重量：9629 kg =94.29 kN；二层 台自重：35.13KN；游车重量：7042 kg =69kN；大钩重量：4410 kg =40.10kN、水龙头重量：40.60kN；转盘角传动箱重：= 80.26 KN。
W2＝
(v ) 53.39 2 W3＝ 2 3 1.78 kPa 1600 1600
井架风载按结构分三段，上段高：14.875m；中断高：15.080m；下段 高： 20.916m。 每段风载按均布计算。 选择背面来风和侧面来风两种风向。 （3）背面来风载荷 ①井架外廓垂直风向投影面积： 2.100 4.128 ==46.321 m2 F上正＝ 14.875 2 4.128 6.215 F中正＝15.080 ＝77.986 m2 2 6.215 9.110 =160.269 m2 F下正＝20.916 2 ②每段形心距地面高度: 形心位置： H 下底宽。 井架上段：
15.080(2 4.128 6.215) 3(4.128 6.215)
9
＝20.916+7.033=27.949m； 井架下段：
H 下＝
20.916(2 6.215 9.110) =9. 799m 3(6.215 9.110)
③插值计算得高度变化系数: 10 米高其高度系数为 1, 井架上、中、下段高度变化系数分别为：