井架模型

2024-06-27

井架模型（精选7篇）

井架模型篇1

井架是采矿、石油钻探等设备的重要组成部分, 在日常使用过程中, 由于矿石、钻具等多次提升, 基础不均匀下沉以及外力作用等因素, 导致井架变形, 其发展后果将可能造成安全事故。为了安全生产, 必须对井架变形情况进行检测及预报。应用数学建模的方法是变形监测分析和预测的有效方法。本文采用等维新息模型进行预测, 将预测值与实测值并行比较分析, 验证预测的可行性。

1 灰色模型

1.1 模型的建立

白化值 (灰区间中的一个可能值) 为^a=[au]T, 用最小二乘法解得

式中:

式 (1) 、式 (3) 即为GM (1, 1) 预测的两个基本模型。当k<n时, 称为模型模拟值;^x (0) (k)

当k=n时, ^x (0) (k) 为模型滤波值;当k>n时, 称^x (0) (k) 为模型预测值。

1.2 改进的灰色模型

在灰色预测建模中, 要求测量的原始数据的时间间隔是相等的, 然而在实测中, 由于天气或施工条件的原因, 测量数据的时间差是不相等的, 则我们需要对灰色模型进行修改。

在实测数据是非等距的时候, 对矩阵B做以下处理:

1.3 模型的精度

GM (1, 1) 模型的精度通常用后验差方法检验。它由后验差比值C和小误差概率P共同描述。记原是序列x (0) , 残差数列e及其它们的方差s12, s22则

C表明了预测误差摆动的幅度, P则直接表明了误差精度。根据C、P的值可确定模型的精度等级。

2 实例分析

本文采用河南省顺和煤矿主井井架基础变形观测点的长期观测数据进行上述模型的建立及预测。数据计算采用MATLAB程序。

(1) 原始数据

主井井架沉降46.3mm, 为最小值。平均沉降值为56.75mm, 最大沉降值与最小沉降值之差为21.9mm。

(2) 预测结果分析

从表3及各图中可以看出, 改进的灰色模型对各点的沉降预测结果都能达到合格以上, 预测曲线与实测曲线基本走向一致。

3 结论

(1) 改进的灰色模型预测矿井井架基础沉降, 能够动态的反映系统的时变特性, 预测精度满足要求。

(2) 改进的灰色模型解决了观测时间不等距情况下对观测点的预测问题, 有较好的实用价值。

(3) 由于观测点还在持续变化, 预测结果精度还有提升空间, 当观测点下沉速度趋于稳定后, 预测结果会更准确。

参考文献

[1]黄声享, 等.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社, 2003.

[2]邓聚拢.灰色系统基本方法[M].武汉:华中科技大学出版社, 2005.

井架模型篇2

井架结构在石油、采矿、建筑等众多工程领域应用十分广泛,目前对复杂井架结构进行损伤识别和状态评估来确保其设计寿命内的安全生产已经成为一个倍受关注的课题,相关研究已成为近年来的研究热点问题[1,2],其内容包括承载力评定、整体性能与可靠度等多方面指标的确定,而对井架结构在使用过程中存在的损伤识别与诊断是正确评定井架结构状态的基础。

综合有限元分析和试验模态分析技术的模型修正方法是结构损伤识别和状态评估的主要方法之一,它通过系统修正结构模型的建模误差、几何误差和物理特性误差,来改进分析结果与试验测量结果之间的拟合程度[3,4,5]。根据修正对象的不同,有限元模型修正方法大体可分为矩阵型和设计参数型两大类。矩阵型模型修正法需借助质量和刚度矩阵,不适用于大型结构,而且由于修正结果失去了明确的物理意义而难以应用于实际结构。而设计参数型法是直接对结构设计参数修正,即对结构的材料、截面形状和几何尺寸等参数进行修正,其结果具有明确的物理意义,是目前最适合工程应用的一种模型修正法[6,7]。

从结构模态参数对物理参数变化的灵敏度出发,探讨井架结构的模型修正问题。通过对井架结构杆件的材料、截面形状和几何尺寸等参数进行直接修正,确定优化模型的目标函数及约束变量,利用一阶优化算法对结构参数进行优化和状态评估。以实验室井架模型进行了验证,为复杂井架结构的损伤识别和状态评估提供了一个新思路。修正算法借助于通用有限元程序ANSYS的一阶优化能力和强大计算功能,敏感性分析和模型修正完全基于ANSYS软件进行,适合于实际工程的应用。

1 灵敏度分析

灵敏度分析是工程研究中一个很重要而又能够获得良好效益的领域,因而获得了广泛的应用[8,9,10]。井架结构的灵敏度分析主要包括频率特性灵敏度分析和动力响应灵敏度分析。对于井架这类非常复杂的钢结构,模态参数是通过实验最易于获得的,且识别精确度高,所以现在主要以结构模态参数对物理参数变化的灵敏度出发来进行分析。

结构的损伤可以看作是结构物理参数的一个摄动。为了确定结构物理参数的变化对于结构模态参数的影响,即在结构物理参数有一个摄动时,引起模态参数的变化,因此有必要进行结构的模态灵敏度分析。当把结构的损伤(如局部刚度的降低或质量的增加或减少)等视作结构参数的改变,进行结构的灵敏度分析可以看出结构的哪些振动特性对局部的损伤更为敏感,从而为结构损伤检测提供一个思路。

1.1 特征方程的建立

考虑到线性结构的固有振动问题,假设井架结构已按某方式离散化了,因此,只考虑有n个自由度的离散系统,在略去结构体系阻尼后,井架结构的固有振动方程为:

(1)式中:M和K为井架结构的质量、刚度矩阵,x¨和x为井架结构的加速度、位移响应列向量。

井架结构振动特征值方程:

Kφi=λiMφi (2)

(2)式中:λi为井架结构第i阶特征值,φi为第i阶模态振型向量。

将振型正则化,使φi满足

（3）式中:δij为Kronecker Delta,即 $δ_{i j} = {\begin{cases} 1 ‚ i = j ； \\ 0 ‚ i \neq j 。 \end{cases}$

1.2 模态参数的灵敏度分析

对于某一阶频率,结构各部分对它的影响程度并不相同,这与该阶频率对应的振型分布有关。若某部分结构处于该阶振型幅值较大的区域,那么这部分结构稍有变动,就会对该阶固有频率产生较大的影响;相反,若某部分结构处于振型节点附近,即使这部分有较大的变化,它对该阶频率也不会有明显的影响。工程中,希望对结构进行小修改就能使其固有频率满足要求,而且不会由此而影响结构的静强度和工艺性要求,因此,就要在结构修改前,用模态灵敏度分析方法找出对频率变化最敏感的结构部位。

以模态测试参数关于井架结构待识别参数的差异构造残差向量

δΛ:δΛ=Λk-Λ0=TΔp (4)

(4)式中:Λk为结构实测特征值向量,Λ0为结构理论特征向量。T为井架结构动力参数对待识别参数的灵敏度矩阵。Δp为待识别参数差值。

现考虑模态频率及模态振型对井架结构待识别参数的灵敏度。

假设待识别参数的变化不引起结构质量的变化,则频率关于待识别参数的灵敏度矩阵:

模态振型关于待识别参数的灵敏度通常表示为N阶振型的线性组合,即:

2 数值模型修正方法

利用模型修正的方法进行结构损伤识别时面临的关键问题包括:1)修正参数选择;2)目标函数的确定;3)优化方法等[11]。下面针对这几个问题来分析井架结构的数值模型修正问题。

2.1 修正参数的选择

在修正过程中,修正参数的选择是至关重要的。有限元模型的不精确因素主要来自三个方面:模型结构误差、模型阶次误差和模型参数误差。假定模型参数误差是有限元误差的最主要因素。模型参数误差一般由不精确的材料、几何参数和联结、边界条件估计引起。在修正井架结构有限元模型参数时,假定材料参数是精确的,联接部位均为焊接,假定为刚性连接。为了合理地选择修正参数、提高优化修正的效率,修正参数的选择主要通过灵敏度分析实现。首先根据井架结构的实际状况,计算出主要结构参数对于各阶模态的灵敏度。通过分析,排除非敏感参数,确定井架主要承载杆件的截面参数如横截面积、弹性模量、质量密度、抗弯刚度和边界条件等作为待修正参数。

2.2 目标函数的确定

在有限元模型中待修正的参数为p,为了避免各类参数量纲与数值区间的不同,用无量纲的相对修正比例a来表示修正量:

可以对每个单元定义修正参数p或系数a,为减小设计变量数目也可以对指定的单元组进行定义。

$η = | \frac{f_{a} - f_{i}}{f_{i}} | \leq ε;$ 在有限元模型修正时常常将试验模态特性和分析模态特性之间的残差最小的问题转化为有约束单目标优化问题来求解,故确定目标函数为:

在井架结构模态试验中,尽管振型测试精度低于频率,但振型包含更多的损伤信息,模态置信准则就是一个与振型相关的损伤定位判据,故在模型修正的目标函数中包含振型相关性指标MAC。模态置信准则MAC用下式来计算:

约束条件为:

状态变量

h=MAC≥0.9。

设计变量: ad≤ai≤au。

其中,fi、fa和φi、φa分别为结构测量和分析得到模态频率与振型,ωfi和ωφi分别为各阶频率与振型项的权重;au和ad分别为设计变量的上下限。

2.3 ANSYS一阶优化法

一阶优化方法是基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此较适合于精确的优化分析。

为了方便工程应用,综合采用ANSYS软件提供的一阶优化和随机搜索方法实现模型修正问题的求解。一阶方法通过对目标函数添加罚函数,将有约束问题转换为非约束的。它使用因变量对设计变量的偏导数,在每次迭代中,梯度计算确定搜索方向,并用线搜索法对非约束问题进行最小化。因此,每次迭代都有一系列的子迭代(其中包括搜索方向和梯度计算)组成,这就使得一次优化迭代有多次分析循环。

在优化修正的过程中,为了提高效率,应首先通过灵敏度分析计算出该井架主要结构参数对于各阶模态参数的灵敏度。这样在后面的优化迭代过程中,程序将自动选择灵敏度高的参数进行优化修正,以便提高优化修正的效率。

3 算例分析

以实验室井架模型为例对本方法进行可行性验证。实验室井架模型是根据动力模型模拟准则,由有机玻璃梁(横截面60 mm×30mm长1 400 mm)制成,顶部由同材料的横梁(长72 mm)将两条大腿(大腿跨距336 mm)连接,为了确保井架模型的稳定性,将其用双层螺栓紧固在底座上。密度ρ=1 180 kg/m3,弹性模量E=2.89×109 N/m2;设计临界载荷Pe=3 929 N,设计最大安全载荷Qmax=2 052 N,其结构示意图见图1。

3.1 有限元分析

有限元分析时借助于ANSYS分析软件。所有单元均采用三维梁单元,每个节点6个自由度。大腿下端固结于基底因此采用全约束。构造的有限元模型共有3个单元,4个节点,共有12个自由度。进行模态分析得到该模型的自振频率(见表1)和振型(见图2)。

3.2 实验模态分析

实验振动测点布置如图1所示。采用带有传感器的PCB力锤敲击激振,动态信号通过布置在井架大腿上的PCB加速度传感器采集,由振动测试分析软件eZ-Analyst对测试信号进行处理和分析。在0～800 N范围内对井架模型进行了逐级载荷动力特性实验,得到实测频率见表1。

3.3 有限元模型修正

3.3.1 模态参数理论与实测结果比较

为了保证计算模态与测试模态的振型相互匹配,在进行优化修正前,首先将理论振型和实测振型“配对”。利用MAC准则来定量地检验实测与理论模态参数的相关性,MAC为1或接近1,说明两振型相关性好,或者说是同振型。通过振型配对得到相应的理论和实测振型对,由表1可以看出,理论与实测振型具有较好的相关性,但理论与实测频率具有一定的差异。

3.3.2 待修正参数的选择

对于算例所选用实验室井架模型,其部分结构参数如大腿的长度、跨距及顶部的连接长度等可以较准确地测得,故在有限元模型中无须对其修正。最后确定结构的物理参数如弹性模量、质量密度、截面积、抗弯惯性矩和抗扭惯性矩为待修正参数,其初始估计值列于表2。

3.3.3 模型参数修正

对初始有限元模型进行特征值敏感参数分析,可知弹性模量E、质量密度M及截面积A对所有的振型和频率都有影响,截面惯矩Izz、Iyy及Ixx则只对特定的振型有影响。依据迭代收敛准则,对初始有限元模型进行逐步修正,经过迭代后理论与实测频率收敛到准则允许误差范围内,最大误差为3.8%,最小误差为0.2%。迭代后的结构参数的修正值见表2,有限元计算频率见表3。

4 结语

(1)从结构模态参数对物理参数变化的灵敏度出发,探讨了以设计参数型修正方法为基础的井架结构模型修正问题,为复杂井架结构的损伤识别和状态评估提供了一个新思路。

(2)基于有限元模型的结构灵敏度分析及优化方法,可以提高结构优化结果的准确性与高效性。设计时,可根据对结构性能的具体要求确定目标函数与约束条件,通过灵敏度分析选取合适的设计变量,经优化可以得到满意的结构。

(3)可以借助于通用有限元程序ANSYS的优化功能和计算能力,经过多步模型修正,进行井架结构的损伤识别和状态评估,便于工程应用。

(4)以实验室井架简易模型为例进行了验证。通过对结构杆件的材料、截面形状和几何尺寸等参数进行直接修正,实现了井架模型的再设计问题,验证了这一修正方法的可行性,从而为井架结构的安全评定及状态评估提供了有效的方法和依据。

摘要：从井架结构模态参数对物理参数变化的灵敏度出发,探讨了井架结构的模型修正问题。以设计参数型模型修正方法为基础,对井架结构杆件的材料、截面形状和几何尺寸等参数进行直接修正。确定优化模型的目标函数及约束变量,利用一阶优化算法对结构参数进行了优化和状态评估。通过实验室简易井架模型的分析验证了此方法的可行性。该方法为复杂井架结构的损伤识别和状态评估提供了一个新思路。修正算法的优化方法采用ANSYS一阶优化方法,敏感性分析和模型修正完全基于ANSYS软件进行,适合于实际工程的应用。

关键词：井架结构,模型修正,灵敏度分析,损伤识别,模态参数

参考文献

[1]程进,江见鲸,肖汝诚,等.大跨度钢拱桥结构极限承载力分析.工程力学,2003;20(2):7—10

[2]韩东颖,李子丰,周国强.在役石油钻机井架极限承载仿真模型研究.石油学报,2007;28(2):120—123,128

[3]李惠彬,郑兆昌,等.对国内外桥梁损伤诊断的几种方法的评述.工程力学,1998;407—414

[4]Aktan E,Beck J,Cornwell P,et al.The State of the Art in Structureal Identification of Constructed Facilities.A Report by the ASCE Com-mittee on Structural Identification of Constructed Facilities.1999

[5]李华军,杨和振.海洋平台结构参数识别和损伤诊断技术的研究进展——第十三届全国结构工程学术会议特邀报告.工程力学,2004;21(1):114—138

[6]张德文,魏阜旋.模型修正与破损诊断.北京:科学出版社,1999

[7]淳庆,邱洪兴.钢桁梁桥基于模型修正方法的损伤程度识别研究.地震工程与工程振动,2005;25(2):114—118

[8]郭彤,李爱群,韩大章.基于灵敏度分析与优化设计原理的大跨桥梁动力模型修正.桥梁建设,2004;(6):20—23

[9]范立础,袁万城,张启伟.悬索桥结构基于敏感性分析的动力有限元模型修正.土木工程学报,2000;33(1):9—14

[10]黄世霖,田吉方.机械结构动特性的灵敏度分析与修改.清华大学学报(自然科学版),1986;26(4):29—43

钢井架设计浅谈篇3

关键词：矿井,钢井架,结构,设计,计算

钢井架是矿井地面主要的构筑物, 对整个矿井的生产起着重要作用。钢井架的结构设计首先要满足提升工艺的使用要求, 然后要做到安全可靠、经济合理、技术先进。现在就几个主要技术问题论述如下。

1 结构布置

1.1 原始设计资料。钢井架结构设计首先应满足提升工艺的使用要求, 所以需要矿山机械等专业提供有关提升系统、竖井的相关设计资料和要求。

1.2 结构形式选择。在满足提升工艺要求的前提下, 本着安全可靠、制作安装方便、经济合理、占用井口时间短的原则, 选择合适的结构形式。做到结构简单、受力明确、传力简捷, 适应矿井服务年限及使用环境。常用的井架形式按提升方式分为两大类, 即单绳和多绳提升钢井架, 大中型矿井多采用多绳提升钢井架, 小型矿井一般采用单绳提升钢井架。

1.3 井架平面布置。井架平面布置应满足提升技术要求, 处理好井架与提升机房位置的关系。具体有以下几点: (1) 确定井架斜撑底跨平面尺寸时, 应使提升钢丝绳合力作用线在井架斜撑轴线的内侧, 且2 条线宜接近, 以便充分发挥斜撑柱受压作用及减少井架水平位移, 并防止提升制动或发生事故时井架产生过大的振动。 (2) 确定斜撑底跨2 支点间跨度时, 应满足斜撑纵向的刚度要求, 保证能够有效抵御风载和地震作用。斜撑基础顶面中心线之间的距离一般大于井架总高度的I/3。 (3) 立架平面布置应处理好立架与井口平面锁口、摇台设备的关系, 应满足立架整体稳定性要求, 2 个方向边长大于立架高度的1/10。立架柱尽可能落在井颈上。 (4) 多绳提升井架为了控制井架的初位移, 斜撑牛腿联系铰由立架中间向斜撑方向移动0.15~1.10m, 并使井架斜撑与立架顶或井口建筑保持一定距离, 以免相碰。

1.4 井架竖向布置。井架竖向布置应考虑提升技术要求以及天轮安装检修的需要, 设置天轮平台、工作平台及天轮起吊平台。各层平台应综合考虑天轮布置、检修操作所需空间以及安全间隙要求, 同时注意满足竖向交通所需的空间。井架立架的竖向布置需考虑罐道、防撞装置、托罐装置、罐笼等安装及检修方便。井架高度应由工艺专业确定。

1.5 立架构件布置。立架是由桁架或框架组成的结构, 它除了承受斜撑传来的力、风荷载及地震作用外, 还承受提升容器或平衡锤传来的各种力, 因此立架还要设置很多辅助构件来承担这些力。例如罐道梁、防撞梁、托罐梁等。这些构件有些在立架周边, 有些在立架内部。以往井架整体计算中不考虑立架内部构件的作用, 其实这些构件也是立架的一部分, 共同承担立架内外所有的力。只要布置得当, 就能充分发挥这些构件的作用, 充分发挥结构材料的受力性能。

2 荷载及荷载效应组合

2.1 计算荷载。作用在井架上的荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

2.1.1 永久荷载。永久荷载包括井架自身重力和天轮、轴承、罐道、起重设备、卸载装置、防坠器、钢丝绳、缓冲器等设备的自身重力。

2.1.2 可变荷载。可变荷载包括风荷载, 提升钢丝绳工作荷载, 钢丝绳罐道工作荷载, 制动钢丝绳荷载, 起重架安装荷载, 以及平台活荷载。

2.1.3 偶然荷载。偶然荷载包括断绳荷载和地震荷载。

2.2 荷载效应组合。按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合, 并取各自的最不利的效应组合进行设计。对于不同的荷载必须考虑不同的荷载效应组合系数。另外对于天轮桁架及横梁荷载、防坠器荷载、缓冲器装置荷载、托罐梁荷载还应乘以不同的动力系数。

3 结构计算

井架设计安全等级为二级。应按2 种极限状态对结构及构件进行承载力与稳定计算, 必要时应进行结构的倾覆及滑移验算, 需要控制变形的结构构件还应进行变形验算。井架结构的荷载效应按弹性理论进行分析。钢井架是由平面桁架组成的空间钢结构, 对于体形复杂的井架结构应采用空问分析方法进行荷载效应计算。可采用迈达斯系列结构分析软件进行整体计算与分析。

对于布置规则的井架, 可以将其简化为若干平面框架或桁架进行荷载效应计算。对于常用的单绳和多绳提升钢井架, 可以分解为正面桁架 (主要用于承担提升荷载) 、侧面桁架 (将两侧正面桁架联系为一个整体的平面桁架) 和斜撑 (承受工作荷载和特殊荷载) 。单绳提升钢井架的提升荷载、工作荷载和特殊荷载主要通过井架的头部天轮桁架对正面桁架、侧面桁架、斜撑进行力的传递;多绳提升钢井架的提升荷载、工作荷载和特殊荷载主要通过天轮支撑构件对正面桁架、侧面桁架、斜撑进行力的传递。可利用PKPM系列计算软件中STS模块对天轮桁架、头部桁架、正面 (侧面) 桁架及斜撑进行内力分析。

4 钢材等级及规格

4.1 主要构件如天轮架、天轮梁、立架、斜撑应采用Q235 等级B, C的碳素结构钢或Q345 等级B, C, D的低合金高强度结构钢;次要构件如钢梯、栏杆等可采用Q235 等级A的碳素结构钢。

4.2 使用地区的计算温度低于零下20℃时, 应采用Q235 等级D的碳素结构钢或Q345 等级D, E的底合金高强度结构钢。

4.3 天轮支撑结构、托罐梁、防撞梁、立架柱、斜撑柱等, 钢板最小厚度不宜小于8mm, 加劲肋钢板厚度不小于6mm;立架支撑框架钢板厚度不小于12mm;节点板厚度不小于8mm。

4.4 型钢杆件最小截面:角钢为L63×6, 工字钢不小于工14, 槽钢不小。

钢井架是一个空间受力体系, 井架设计, 作者有如下体会供大家参考: (1) 井架设计涉及专业多, 工作量大, 各专业应密切配合。2) 合理进行钢井架的整体布局, 包括竖向布置和平面布置。 (3) 严格计算, 考虑各种可能出现最不利的工况及其相应荷载效应组合。

井架是矿井架地面生产系统重要的构筑物, 钢井架的结构设计首先要满足提升工艺的使用要求, 考虑现场条件、工期要求、材料供应、施工水平等情况合理确定结构型式, 才能做到安全可靠、经济合理。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部GB 50385-2006矿山井架设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2006.

谈矿山立井钢井架设计篇4

井架是矿山生产的主要提升构筑物。在整个矿井的生产中起着举足轻重的作用。根据用途井架可分为:生产井架和凿井井架;根据提升设备井架分为:单绳式井架和多绳式井架;若根据结构材料可分为:钢井架、钢筋混凝土井架和木井架。钢井架从结构型式来分又分为:单斜撑式钢井架和双斜撑式钢井架。因钢材强度大、延性好、能适应大荷载、大高度的工艺要求, 因而在大型矿井中, 钢井架已被广泛使用。本文以钢井架为例简单介绍其设计过程。

就结构形式而言, 钢井架结构属于空间受力体系, 其主要构件的受力比较复杂, 以往井架结构的计算, 大都是简化为平面结构后进行手算, 不仅费时间而且计算精度会有偏差。随着社会经济的发展, 计算机应用技术的不断提高, 专业的结构分析软件陆续出现并不断完善, 这使得应用分析软件对结构进行分析成为现实, 尤其像钢井架这种受力比较复杂的空间结构, 软件分析的优势就尤为明显。目前的结构分析软件中常用的计算程序为AN-SYS和SAP2000等有限元分析软件。

1 结构布置

1.1 设计资料

井架结构设计时需要相关专业提供必要的设计资料:

1) 矿井生产能力和服务年限;

2) 提升系统图 (井筒平面位置、直径、深度;井口标高;天轮直径及中心标高;绞车系统提升角度;防撞梁底标高) ;

3) 提升设备技术特征 (提升机、电动机、提升钢丝绳、、提提升升容容器的型号及规格, 以及提升钢绳的最大、最小静张力、提升机的提升加速度和运行阻力系数、最大破断力等) ;

4) 井口及立架设备安装资料 (提升容器规格、进出车框口高度及下放长材料的要求高度、卸载装置、罐道形式以及连接方式、缓冲制动装置与托罐装置的布置及作用力大小、防撞梁布置) ;

5) 井口房的平面图及剖面图;

6) 工程地质资料、地震烈度及气象资料。

1.2 井架结构的选择

在满足工艺设备要求和相关专业提供的各项资料的前提下, 本着加工安装方便、结构简单、受力明确、传力简捷、适应矿井服务年限及使用环境的原则选择适合的钢井架形式。大中型矿井井架采用井口附近预组装平移工艺或利用生产井架凿井时, 采用双斜撑式提升井架, 它占用井口时间短、生产与凿井可同步进行、综合经济效益高。而单斜撑式提升钢井架一般用于小型矿井。

1.3 井架结构布置

本文以双斜撑钢井架为例介绍其平面布置和竖向布置情况, 如图1~图3所示。

1) 井架平面布置。平面布置应满足提升机房位置与井架的关系及提升技术的要求。

具体要求如下:

a.确定井架前支撑柱 (即提升侧斜撑) 底跨平面尺寸前, 应先确定前支撑柱中心线与水平面的夹角α。为了充分发挥前支撑柱材料受压的作用, 同时为了减少井架水平位移量, 应使井架前支撑柱中心线与提升钢绳合力作用线接近;但是为了避免钢丝绳合力作用线跳到前支撑柱中心线外侧, 影响井架的安全使用, 两线的夹角一般不小于3°。在确定夹角α的过程中应密切结合工艺所提供的提升工艺图, 必要时可与工艺设计人员适当调整上、下天轮的水平和垂直距离, 以满足各项设计要求。

b.确定前支撑柱底跨两支点间的距离A时, 一般是以规范要求“提升一侧的斜撑基础顶面中心线间的水平距离, 不宜小于井架总高度的三分之一”为原则, 确定其值。

c.确定非提升侧斜撑 (后支撑柱) 底跨平面尺寸时, 根据立架悬挂平台或下天轮平台的大小并且应同时满足井口房的用途, 可适当调整后支撑柱平面与水平面的夹角β, 或适当调整提升侧斜撑基础顶面中心线与非提升侧斜撑 (后支撑柱) 基础顶面中心线的水平距离B, 以满足工艺要求。

d.天轮安装、检修平台布置时应满足平台通道净宽不小于700 mm, 提升钢绳与平台构件的净距不应小于100 mm的要求。

2) 竖向布置。井架的竖向布置主要是井架高度的确定。井架高度的确定又取决于各个平台标高的确定。各个平台分别为立架悬挂平台、下天轮平台、上天轮平台、起吊平台。首先根据工艺提供的提升系统图能确定上、下天轮的中心标高, 从而可以初步确定上、下天轮平台标高。确定起吊平台标高时根据公式h6≥D/2+2 m, 其中, D为天轮直径;h6为上天轮中心至吊钩的高度, 由此起吊平台的标高就初步确定了, 井架的总高也确定了, 当然在不违反规范要求、不妨碍使用要求的情况下可适当调整井架的总高度。立架悬挂平台标高取决于立架的高度, 一般情况下立架悬挂平台处于下天轮平台的下部。

2 井架荷载及其组合

井架上所承受的荷载分为:1) 恒荷载:结构自重、设备自重和地基变形等;2) 活荷载:提升工作荷载、平台活荷载、罐道系统工作荷载、风荷载、起重架安装荷载、罐道梁工作荷载等;3) 偶然荷载:主要是事故荷载 (断绳荷载、托罐荷载、过卷荷载和地震作用等) 。以上各种荷载的取值需通过人工核算取得, 并根据规范要求进行荷载效应组合。

3 井架计算分析

井架结构作整体计算时应采用空间分析方法进行作用效应计算。目前常用的软件有ANSYS和SAP2000系列软件。

下面通过一个工程实例简要介绍一下井架结构的计算分析过程:

1) 工程概况:本工程为多绳提升钢井架, 为空间箱形截面钢框架结构, 井架基础采用独立基础。标高22.700 m为悬挂立架平台, 下天轮平台标高为24.400 m, 上天轮平台标高为31.400 m, 检修起吊平台标高为37.600 m。天轮直径为3.25 m, 上、下天轮共2套。钢丝绳的断绳拉力总和为3 848 k N。箱形柱截面为1 200×1 200, 直接支撑天轮的箱形梁为1 200×1 500 (高) , 钢材材质为Q235B。

2) 数据准备:根据钢井架的受力特点可分为正常工作荷载组合和事故荷载组合, 在对井架结构计算分析过程中选取最不利的效应组合进行设计。对本例进行反复计算后发现上天轮钢绳发生断绳事故时其效应组合是最不利的。

3) 分析设计结果:选定构件截面后, 通过运行程序对井架结构进行计算分析, 可以得出井架结构的位移和内力图。从而可以判断结构位移是否满足规范要求。从内力图分析, 轴力最大的构件是前支撑柱, 弯矩最大的构件是支撑天轮的钢梁, 平台附近的构件弯矩也较大。结构设计模型基本能符合实际。在构件设计的过程中对受力较大的构件连接节点处进行适当加强。

4 钢井架的防腐

防腐处理对钢井架而言是至关重要的, 钢井架构件外表面钢材应喷砂除锈、喷漆。其防锈和防腐蚀所采用的涂料、钢材外表面的除锈等级以及防腐蚀对钢结构的构造要求等, 均应符合现行国家标准GB/T 8923涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级和GB 50046工业建筑防腐蚀设计规范的规定。图纸中除应注明钢材除锈等级外还应注明采用的涂料及涂层厚度, 并且注明在使用过程中应定期检测和维护。

5 结语

钢井架是一个空间受力体系, 构件受力比较复杂。各种荷载需要通过人工统计和组合, 所以设计时应将荷载组合考虑全面, 避免遗漏。在SAP2000中, 交互式的优化设计功能对钢结构的设计提供许多便利, 基本能实现钢井架计算分析并且满足设计要求。但是在程序的分析过程中对于“箱形柱内的加劲肋对轴压承载力的作用”未能考虑, 设计时也只考虑箱形构件受压时设置加劲肋的构造要求。还有许多因素需要我们在日后的设计工作中更进一步研究, 使钢井架的设计更加优化。

摘要：通过井架设计实践, 分析了矿山钢井架布置和选型, 对井架荷载计算及组合的方法进行了研究, 并结合工程实例, 采用SAP2000有限元分析软件对钢井架结构设计进行了阐述, 同时提出了钢井架的防腐方法, 为矿山立井钢井架设计积累了经验。

关键词：矿井,钢井架,结构设计,计算

参考文献

[1]GB 50385—2006, 矿山井架设计规范[S].

[2]GB 50017—2003, 钢结构设计规范[S].

[3]钟怀磬.煤矿特种结构[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992.

基于回归平面井架变形分析篇5

事实上,在沉降分析过程中,一般由点到面,既要分析井架单个沉降点的变化情况,也需要了解井架整体不均匀沉降所引起的变形,而这正是本文所要解决的问题。为此,引入了回归平面模型,利用免棱镜全站仪,对井架整体变形进行监测和分析。

1 模型及算法

在对井架进行变形监测时,选取井架上近似位于同一平面上的特征点作为观测点,对N个特征点进行观测得到各点的高程Zi,已知各点的平面坐标为(Xi,Yi),i=1,2,…,N,利用空间的任意三个点即可确定一个平面,所以根据这些点可以得到一个回归平面,其平面方程式为:

其中,α、β、γ是平面方程式系数,即平面在3个方向上的法向量,D是平面方程式的常数项。

其中,d Z是某特征点某期观测值到该期回归平面的铅垂距离。

用矩阵形式表示则有:

按照最小二乘原理的要求,某特征点某期观测值到该期回归平面的铅垂距离的平方和最小。即满足:

上式也可以表示为:

一般情况,如果井架发生均匀沉降,那么每期的数据相对于第一期数据的观测值之差应该相等,即:第i点的第k次观测值Hik与第i点的第1次观测值Hi1之差与第j点的第k次观测值Hjk与第j点的第1次观测值之差相等,即

换言之,这些沉降点的平面值X、Y及坐标值累计值所构成的虚拟平面应该满足αX+βY+γZ+D=0,而该方程的法向量即为(α,β,γ)。其中,α=0,β=0,γ=1/△H。

当井架发生不均匀沉降时,

此时,

沉降点累计值所构成的平面发生倾斜,即a≠0,β≠0时,利用最小二乘模型对该超定方程进行求解a、β、γ。

按照最小二乘原理,S赞必须满足VTPV的要求,因为X、Y、△H相互独立,故可按照数学上求函数自由极值的方法,得:

转置后为:

令:

式(1-15)可简写为:

式中系数阵为满秩矩阵,有唯一解,解之,得:

或

此时,即求出了,α',β',和D',也就求出了回归平面方程的系数α、β、γ和常数项D。利用回归平面方程的系数α、β、γ和常数项D,就可确定出该回归平面的法线的倾角大小和倾斜方向,它们反映的是建筑物倾斜变形状态。

该法线与X、Y、Z轴的夹角分别为φX、φY、φZ,则:

其中,φZ角确定煤矿井架倾斜值大小,φX、φY角确定煤矿井架倾斜方向,如图1-1所示。

2 监测方法

由于煤矿井架较高,且不宜攀登,故选取煤矿井架上近似位于同一平面上的特征点作为监测点(如图1-2所示),利用免棱镜全站仪能进行无棱镜测距的功能,每期以布设的煤矿井架变形监测GPS控制网作为基准,在基准点上安置全站仪,免棱镜模式下对监测点进行观测,获取监测点观测数据,通过各期数据根据上述模型建立煤矿井架特征点的回归平面,通过回归平面法向量的倾斜状态来确定煤矿井架倾斜变形状态。

3 回归平面井架变形监测中的应用

为了验证理论的可行性,现以唐口煤矿主井井架的沉降情况来分析其倾斜变形状态,由于地下超1000m深的大面积3煤开采以及长期的开挖扰动使地下水流失,引起流沙层的压缩,势必会导致井架基础的不均匀沉降变化,并使得井架发生变形,为此,选取该煤矿井架上近似位于同一平面上的特征点作为监测点,以事先布设好并获取高精度控制成果的静态GPS控制网为基准,利用免棱镜全站仪在免棱镜模式下对各监测点进行观测,获得各期观测数据,各特征点高程相对变化量如表1-1所示。

分别利用MATLAB进行编程,根据模型及算法,主要求取煤矿井架在第1-6期,第1-10期的回归平面方程,MATLAB程序如下:

第1-6期:

第1-10期原理同上,获得第1-6期及第1-10期回归平面方程系数,如表1-2所示。

根据回归平面方程系数,即得第1-2期、第1-3期回归平面方程,分别为:

利用回归平面方程系数,计算井架的倾斜变形状态,如表1-35所示。

由φZ可计算得第1-6期井架倾斜度i=0.00021,第1-10期井架倾斜度i=0.000322。

4 总结

利用免棱镜全站仪可以便捷地对煤矿井架等难以安置反射棱镜或反射片的建(构)筑物立面进行监测,而且,在无棱镜模式下的数据采集,以及基于回归平面的模型算法非常简单可行,是一种非常期待继续延伸发展的一种监测方法。它通过利用免棱镜全站仪利用获取的数据,拟合出回归平面方程,然后根据回归平面方程的法向量与X、Y、Z轴之间的夹角,即可确定出建构筑物的倾斜变形状态,即倾斜值大小和倾斜方向,为分析建构筑物的变形提供了依据。

摘要：本文引入了回归平面模型,利用免棱镜全站仪,对井架整体变形进行监测和分析。

关键词：井架变形测量,免棱镜全站仪,数据分析,高井架

参考文献

[1]孙久运.测绘软件设计原理与方法[D].徐州:中国矿业大学,2007.

钻井井架后背梁的改造篇6

井架是石油钻机八大件的主要设备之一，它的主要用途是悬挂钻井游吊系统设备和井口所需辅助工具，承担钻井所需钻具负荷及钻井井下复杂情况提升负荷。近几年钻井总公司配套钻机，井架主要选用前开口式“K”型井架，该井架的特点是井架内部空间比较大，稳定性比较好，采用低位安装，整体起放，拆卸运输比较方便。缺点是游动系统距井架后背梁距离不足，如果操作不当就会造成游动系统刮擦井架的损伤事故。

近年来，随着长庆钻井区域钻井速度的提高，新设备不断增加，队伍不断扩大，并大量引进新的技术工人。由于新工人对新设备的操作不熟练，经常出现钻井队在起下钻过程中刮擦井架后背梁的事故，轻则造成井架后背梁变形，使井架承载能力下降，安装、拆卸困难，给使用留下了安全隐患，重则造成井架严重变形，无法使用报废，或者支付高额的大修费用。例如：2008年的一次侧斜作业中，由于下放游车过快，使游车和方钻杆倾斜靠在井架中下段第二根背梁上，由于操作者经验不足，立即高速起游车，使水龙头挂在井架背梁上，造成井架中下段及第二根背梁严重变形的事故，如图1，仅大修理费用达20多万元。通过分析这起事故教训，如何采取措施，加强井架后背梁的自身强度和防护，提高安全性是我们必须研究的课题。

2 现用井架后背梁现状及存在的风险

2.1 现状

钻井总公司126部钻机中有125部井架采用前开口式“K”型井架，该型井架后背梁、横梁采用H型钢制作，斜梁采用壁厚10mm以上管材制作。每部井架有横梁5根，横梁在井架竖立时槽型向下，边沿厚度12mm，在此情况下如果操作不当，游动系统将会对横梁造成刮擦。

2.2 存在的风险

(1)在钻井队崩钻具时，由于下崩钻具时易使游车倾斜，如果操作不平稳，将使游车向后摆动，可能造成游车刮擦井架横梁，造成井架变形。

(2)在有5级以上大风、空游车时，操作人员高速上提游车，造成游车摆动过大，可能刮擦井架横梁，造成井架变形。

(3)由于操作不熟练，操作失误，都可能使游车刮擦井架横梁，造成井架变形。

3 对井架后背梁的改进方案

根据井架后背梁的特征，分析可能造成井架后背梁变形的主要风险，我们提出了对井架后背梁改造的具体方案如下：

由于横梁在井架竖立时槽型向下，边沿厚度12mm，在上面分析的三种风险存在情况下，都有可能造成横梁和井架变形，因此只要我们封住横梁下槽型，采取一定的圆弧过渡，达到撞击物碰到横梁时不能挂住，并能迅速过渡，不至于造成刮擦变形，就能解决该问题。具体方案见图2。

(1)对井架后背梁中间部位2m处加焊厚8mm的三角护板，并在护板中间800mm部位，每200mm加一块加强筋，增加护板的强度。

(2)在井架中下段、中段的三根后背梁加固防护板，提高井架背梁的防撞击安全性能。

4 改造后的效果

(1)通过对井架后背梁中间部位的加固，一方面增加了后背梁的抗击强度，另一方面增加了它的防刮擦的安全性。

(2)根据近几年井架刮擦事故发生的部位统计看，井架发生刮擦、碰伤事故主要发生在中下段、中段的三根后背梁，因此我们对下部的三根背梁进行了加固防护。2009年共加固井架80套，通过使用中现场跟踪观察，没有发生因刮擦造成井架损伤事故，起到了很好的防护效果。提高了井架自身的本质安全，降低了事故损失。

摘要：根据钻井队使用钻井井架的情况,对后背梁进行加固改造,在现场实际应用效果较好,为此提出井架后背梁改造的方案,为安全生产提供了保证。

校核井架部件,合理降低生产成本篇7

我厂是一个以设计、生产、销售钻塔及钻具为主导产业的企业, 对于钢材原料的依赖性非常大。持续上涨的钢材价格带来了企业加工成本的大幅增加, 加之物价上涨, 工资上调, 使传统的生产加工企业面临巨大的成本压力。从产品自身性能着手, 在充分满足用户使用需求的同时, 缩减钻塔用料, 减少加工成本。

前言

日益上涨的原材料价格带来行业内加工成本上的竞争。K形井架是我公司生产的核心产品之一, 其横截面为矩形, 前面敞开, 由若干段焊接结构用螺栓或销轴连接组成。其开口型的井架结构组成包括天车、二层台、3-5段的主体结构、立管平台、工作梯、起升人字架等。

1 模型建立

以某41米K形井架为例, 其井架主支撑单元采用Q345材质的H钢, 其余材质为Q235钢。井架在起升过程中受外力载荷最大, 起升后垂直于底座面放置, 由大腿销轴固定于下基座上。全部重量加在两个直径100mm的大销轴上。

分析起塔大绳缠绕方向可以看出, 简支轮组件受绳载荷最大。简支轮组件是由一根简支轮轴, 一个滑轮, 和一个简支轮座组成的, 其中简支轮座是由4块厚板竖直放置, 其上加封板, 侧面加侧板组成的类似箱体似的组焊件。起塔前井架水平放置, 人字架垂直坐落于底座上, 起塔过程是由绞车将锁在塔上的固定长度的大绳向井架顶端拉起, 由于大绳同时还绕过固定于底座上的起塔人字架, 则大绳在向井架顶端拉起过程中, 井架与人字架间的距离越来越近, 直到井架与人字架平行为止, 起塔过程完成。

简化来看, 井架就是在绕轴旋转, 水平放置时, 简支轮组件受力为零, 井架悬空拉起过程中, 简支轮受力逐渐增大, 将简支轮座受力向其水平面与垂直面分解开来, 可以看出, 当起塔一瞬间, 简支轮座水平方向弯矩最大。

2 计算方法

首先, 校核其在弯矩最大情况下, 简支轮座所需钢板的最小厚度。井架的质量为31, 000kg, 由弯矩平衡公式可得单绳受力:

M-井架质量, g-重力加速度, F1-绕过滑车的单绳载荷, L、L1为力臂;

向简支轮方向分解得:

F2-简支轮座垂直方向最大载荷, θ1-简支轮座垂直方向与绕过滑车单绳夹角;

由于简支轮座是由两个小矩形箱体组成, 则单边受力情况:

单边简支轮座的4块厚板长期以来都是采用厚度为20mm的Q235板, 其组焊后的截面形状为矩形。

则此截面所受最大弯矩:

m-简支轮座左端面到受力轴中心距离

n-简支轮座右端面到受力轴中心距离

l-简支轮座总长