【正文】 類設(shè)計（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。石油鉆機(jī)一般由旋轉(zhuǎn)設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備、起升系統(tǒng)設(shè)備、動力驅(qū)動設(shè)備、傳動系統(tǒng)設(shè)備、控制系統(tǒng)設(shè)備、鉆機(jī)底座和輔助設(shè)備組成。 本文在對 ZJ50型絞車的整體結(jié)構(gòu)及工作原理認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，運用 Pro/E對 ZJ50 絞車傳動系統(tǒng)的所有組成元件進(jìn)行三維建模 ；并對滾筒、滾筒軸等重要部件進(jìn)行安全校核；最后運用 ANSYS 對滾筒、滾筒軸和滾筒軸裝配體進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷 ZJ50 型絞車設(shè)計是否合理，能否滿足正常工作要求。一般有八大系統(tǒng)（起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系 統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測顯示儀表、動力驅(qū)動系統(tǒng)、鉆機(jī)底座、鉆機(jī)輔助 設(shè)備系統(tǒng)），要具備起下鉆能力、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力、循環(huán)洗井能力。 2 絞車的功能及分類 （ 1）主要功能： 起下鉆具和下套管； 控制鉆壓和送進(jìn)鉆具； （ 2）其它功能：根據(jù)絞車結(jié)構(gòu)形式不同附帶的功能也不同。 （ 4） 根據(jù)絞車功能不同有不同的絞車結(jié)構(gòu)： 帶撈砂滾筒和不帶撈砂滾筒，即 通常說的單滾筒絞車和雙滾筒絞車； 無貓頭軸絞車。絞車只有滾筒軸，結(jié)構(gòu)非常簡單。即動力輸入軸、中間軸（多根）、貓頭軸、滾筒軸； 獨立貓頭軸－ 多軸絞車：絞車主體（輸入軸、中間軸、滾筒軸等）低位安 裝，位于后臺底座， 小功率的貓頭軸高位安裝，位于鉆臺上； 齒輪傳動單軸絞車：現(xiàn)在電驅(qū)動鉆 機(jī)中普遍實用的結(jié)構(gòu)，直流或交流變頻調(diào)速電動機(jī)直接驅(qū)動減速或變速齒輪箱， 以驅(qū)動滾筒軸。另外目前我國在用鉆井設(shè)備大多屬于較落后的機(jī)械鉆機(jī)，由于機(jī)械鉆 機(jī)存在工作效率低、勞動強(qiáng)度大、安全性差等缺點，因此急需進(jìn)行更新，從而將 產(chǎn)生大量更新需求。較 好的簡化了絞車結(jié)構(gòu)。三是從鉆機(jī)的效率和效益出發(fā)，決定鉆機(jī)的 驅(qū)動形式是機(jī)械驅(qū)動或是電驅(qū)動，結(jié)構(gòu)型式是橇裝還是車裝。國產(chǎn)鉆機(jī)已形成系列，鉆深有 1 500、 2 000、 3 200、 4 500 和 6 000 m；驅(qū)動方式除常規(guī)的柴油機(jī) 膠帶驅(qū)動和柴油機(jī) 液力變矩器驅(qū)動外， 還有 ACSCRDC 驅(qū)動。從國內(nèi)鉆機(jī)生產(chǎn)能力上看，寶雞石油機(jī)械廠、蘭州石油化工機(jī)器總廠、四川宏華公司等主要生產(chǎn)中深井鉆機(jī)；江漢四機(jī)廠主要生產(chǎn)、 3 000 m 以淺車裝淺井鉆機(jī)；南陽石油機(jī)械廠主要生產(chǎn)車裝和橇裝模塊式中淺井鉆機(jī)，生產(chǎn)的替代大慶 130 型的模塊化鉆機(jī)，已 經(jīng)過多井次的工業(yè)化試驗。 石油鉆機(jī)國外的發(fā)展?fàn)顩r 為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、 德國、法國、意大利、加拿大、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)了各種類型的石 油鉆機(jī)。今后石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢是多樣化、兩極化、自動化和人性化。 2．規(guī)模趨于兩極化 石油鉆機(jī)在規(guī)模上有兩極發(fā)展的趨勢，即深井鉆機(jī)大型化和輕便鉆機(jī)小型 化。鉆井泵單臺最大功率 l 618 kW ，最高壓力52． 7 MPa。考慮安裝防噴裝置的需要，井架底座最高達(dá) l2． 12 m。為了把環(huán)形防噴器工作壓力從 35MPa 提高到 70 MPa，美國 Shatter 公司推出了兩個串聯(lián)膠心的環(huán)形防噴器。輕型鉆機(jī)主要以車裝鉆機(jī)為主，美國是世界上生產(chǎn)車裝鉆機(jī)較多的國家，使用也很廣泛， 3 500 m 5 以淺的井幾乎都使用車裝鉆機(jī)。頂部驅(qū)動裝置克服了轉(zhuǎn)盤鉆井方式的缺陷，給鉆井作業(yè)帶來了諸 多好處，既可滿足復(fù)雜作業(yè)工況需求，提高作業(yè)效率，又使作業(yè)更安全。電驅(qū)動可以通過編程控制器獲得很多機(jī)械驅(qū)動所無法實現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。上下井架有助 (阻 )力器，二層臺有逃生器，鉆臺有逃生滑道。 本次畢業(yè)設(shè)計目的 絞車是鉆機(jī)的核心部件，是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，它在鉆井工作中起著 極其重要的作用。 2．運用三維造型軟件 Pro/E 完成 ZJ50 型絞車的傳動系統(tǒng)的三維建模。根據(jù)上述工況對絞車提出了以下要求： （ 1）絞車要有足夠大的功率，在最低速轉(zhuǎn)速下鋼絲繩能產(chǎn)生足夠大的拉力，以 保證游動系統(tǒng)能起升最重的鉆具載荷；有一定的解卡能力，并能完成具有最大載 荷的下套管作業(yè)；短時最大載荷作用下要有足夠的強(qiáng)度、剛度；在絞車使用期限 內(nèi)，滾筒、滾筒軸、軸承及傳動件要有足夠的壽命。 （ 5）絞車應(yīng)配備貓頭機(jī)構(gòu)，以供緊、卸鉆具絲扣和向鉆臺起吊重物。 （ 7） 絞車的控制手柄、剎把、指重表 等相對集中于司鉆控制臺，以便于操作。 ZJ50 型動力絞車的結(jié)構(gòu)主要由絞車架、鏈條箱、滾筒軸、輸入軸、 中間軸、貓頭軸、輸出軸、伊頓剎車、漸開線花鍵換擋機(jī)構(gòu)、防碰天車裝置、潤 滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等幾大部分組成。滾筒軸上的高低速離合 器及輸出軸上的慣剎離合器均采用 PO 型推盤離合器。在絞車外部裝有剛性結(jié)構(gòu)焊接件的各個護(hù)罩，以 保證操作安全，防止傳動機(jī)構(gòu)受外界環(huán)境的影響，并避免潤滑油外濺。中間軸的鏈輪（ Z=24）通過 31 3/4″ 鏈條帶動滾筒軸上高速的空套鏈輪（ Z=32）轉(zhuǎn)動；另一鏈輪（ Z=19）通過 31 3/4″ 鏈條將動力傳到貓頭軸，并由貓頭軸上的鏈輪（ Z=24）通過 31 3/4″ 鏈條帶動滾筒軸低速端空套鏈輪（ Z=62）轉(zhuǎn)動。 10 絞車傳動系統(tǒng)參數(shù) 絞 車基本參數(shù)如表一所示： 表一絞車基本參數(shù) 最大輸入功率 735Kw（ 1000HP） 滾筒軸最大直徑 φ 230mm 滾筒剎車直徑 φ 1168228（ 46″ 9″ ） 滾筒中心直徑與長度 φ 5331028（ 21″ 40— 1/2″ ） 滾筒驅(qū)動鏈為 1— 3/4″ P，三排鏈 傳動鏈 1— 3/4″ P，雙排鏈 驅(qū)動鏈 1— 1/4″ P，三排鏈 驅(qū)動速度 正轉(zhuǎn)速度： 4 反轉(zhuǎn)速度： 2 滾筒速度 正轉(zhuǎn)速度： 8 反轉(zhuǎn)速度： 2 總高、底座寬度、總長 2394mm、 2150mm、 8859mm 11 第三章零件的三維造型 三維造型概念 三維造型 : CAD 的三維造型有三種層次的建立方法，即線框、曲面和實體， 也就是分別對應(yīng)于用一維的線，二維的面和三維的體來構(gòu)造形體。 Pro/E 概述 在中國也有很多用戶直接稱之為“破衣”。目前已經(jīng)發(fā)布 了 Pro/ENGINEER （中文名野火 6)。 Pro/E 的特點和優(yōu)勢 經(jīng)過 20 多年不斷的創(chuàng)新和完善， pore 現(xiàn)在已經(jīng)是三維建模 軟件領(lǐng)域的領(lǐng)頭 羊之一，它具有如下特點和優(yōu)勢： 參數(shù)化設(shè)計和特征功能： Pro/Engineer 是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。 全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易 12 的進(jìn)行修改。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 第四章 ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)主要部件的計算校核 主剎車帶校核 鋼帶選用材料： 50 圖號： 正火狀態(tài)： b ≥ 630Mpa， s≥ 375Mpa 剎車塊選用材料：編織石棉銅絲 摩擦材料剎車機(jī)構(gòu)的任務(wù)是剎慢或剎住被下鉆載荷所帶動的滾筒，達(dá)到調(diào)節(jié)鉆壓，送進(jìn)鉆具，控制下鉆速度以及剎住懸持鉆具的目的。 M 靜 = P 39。 游 =（ q l max y ＋ O G ） =（ 30 28 143＋ 10 1000） 13 =130120Kg=1276KN 式中： q—— 每米鉆桿柱重量，以 鉆桿計算。 第五章 ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的有限元分析 有限元法應(yīng)用 ANSYS 軟件簡介 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有 限元分析軟件。 ZJ50 型絞車滾筒的靜力分析 建立滾筒模型 在 PRO/E 中建立滾筒的三維模型后，選擇 SAT 文件類型存盤。 m 3） 彈性模量 (GPa） 屈服應(yīng)力 (Mpa） 泊松比 *103 510 16 邊界條件 滾筒輪轂與軸的配合處，由于滾筒基本上不受軸向力的作用，輪轂與軸之間 又采用靜配合，所以可以認(rèn)為滾筒軸向不可動，因此，可認(rèn)為輪轂處的軸向與徑 向位移都被完全限制，六個自由度均被約束。作用在滾筒表面的壓力 σ 為： 求解并分析結(jié)果 進(jìn)入求解器求解，求解完成后得到滾筒的位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖所示： （ 1）剛度分析 滾 筒受載后總位移分布圖，如圖 所示 : 17 計算結(jié)果表明：滾筒在受到壓力作用時，滾筒向內(nèi)收縮，由于中間筒體沒有 其他約束，滾筒變形較大的區(qū)域位于筒體上，兩端變形比較小，絞車滾筒的變形 主要是徑向變形，其他方向的變形都比較小；從數(shù)值上看，最大變形量為 ，這與滾筒自身的結(jié)構(gòu)與受力特點有關(guān)，符合實際情況。 ZJ50 型絞車滾筒的模態(tài)分析 模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性（固有頻率和振型），它 們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng) 分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需的前期分析過程。 施加約束并求解 由于滾筒軸的自由模態(tài)對其正常工作影響不大，在此只對約束模態(tài)進(jìn)行分 析，根據(jù)滾筒的工作狀況，對滾筒施加約束，其施加方法與上節(jié)相同。運行 workbench，選擇靜力分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導(dǎo)入之前存盤的滾筒 軸 SAT 文件就可以生成滾筒軸的實體模型。 載荷工況分析 有限元分析的目的之一是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對一定的載荷條件的響 應(yīng)。滾筒軸上受到二個集中載荷和一對力偶的作用：最大快繩拉力， 鏈輪傳動拉力；快繩從動扭矩加在滾筒與軸配合段的位置；驅(qū)動力矩加在滾筒軸與 20 左端鏈輪配合段的位置。 （ 2）強(qiáng)度分析 滾筒軸受載時應(yīng)力分布圖： 計算結(jié)果表明：滾筒軸的最大應(yīng)力 部位在靠近軸左端軸肩附近，最大應(yīng)力為 ，并出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在軸加工時，應(yīng)注意減小應(yīng)力集中。 施加約束并求解 根據(jù)滾筒軸的工作狀況，對滾筒軸施加約束，其施加方法與上節(jié)相同，這里 不作詳細(xì)的論述。 ZJ50 型絞車滾筒軸裝配體有限元分析 建立滾筒軸裝配體有限元分析模型 在 PRO/E 中建立滾筒與滾筒軸的裝配后，選擇 SAT 文件類型存盤。 材料屬性定義 滾筒軸所使用的材料為 35CrMo，滾筒軸所使用的材料為 ZG35 CrMo，二 者的材料屬性如表 和 所示，在前幾節(jié)我們做滾筒軸和滾筒的有限元分析 時，我們已有說明，在這里我們不在例出其數(shù)據(jù)。 載荷的確定 滾筒軸裝配體所受的載荷包括滾筒軸端扭矩、筒殼壓力。鋼繩對滾筒的壓力可 近似看成在滾筒表面的平均分布壓力 MPa。 （ 2）強(qiáng)度 分析 滾筒軸裝配體受載后應(yīng)力分布圖，如圖 所示： 24 滾筒軸裝配體的的最大應(yīng)力部位在滾筒與滾筒軸的過渡處，最大應(yīng)力為，小于滾筒和滾筒軸的材料屈服極限 ,由有限元的計算結(jié)果，可得出滾筒軸的安全系數(shù)為： 。本文主要完成了以下幾項工作： （ 1） ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究方面：介紹了鉆井工作對絞車的要求及絞 車設(shè)計的原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，絞車傳動系統(tǒng)的功能和工作原理。 （ 4）在絞車的有限元分析方面：利用 ANSYS 建立 ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)的主 要零件如滾筒軸、滾筒和滾筒軸裝配體的有限元模型，科學(xué)合理地確定了它們的 約束條件和載荷分布；分別對滾筒軸、滾筒和滾筒軸裝配體進(jìn)行靜態(tài)分析得到了 滾 筒軸、滾筒軸和滾筒軸裝配體的應(yīng)力圖、位移圖，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知它 們具有較好的強(qiáng)度和剛度；分別對滾筒軸、滾筒進(jìn)行模態(tài)分析得到了他們前六階 固有頻率和相應(yīng)振型，數(shù)據(jù)表明其抗振性好，滿足絞車正常工作要求。通過理論計算分析，運用現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行有限元分析，驗證了 ZJ50 型絞車能夠滿足工作要求