【正文】 olidWorks、 SolidEdge、 MDT、 Pro/E、 3DS max 等。 Pro/ENGINEER 還提 供了全面、集成緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使 用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。 具體的零部件造型 針對(duì) ZJ50 型石油鉆機(jī)絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要傳動(dòng)零件有輸入軸、 中間軸、貓頭軸、滾筒軸以及轉(zhuǎn)盤過橋軸，各個(gè)軸之間通過齒輪或者鏈輪 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及能量的傳遞。2QDZ 游 游 絞 游動(dòng)系統(tǒng)最大起重量 Q 39。軟件主要包 括三個(gè)部分：前處理模 塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。滾筒受到鋼絲繩（快繩）的 外擠力，將此力理想為滾筒的外壓力，由于鋼繩在滾筒上排列很密，故可認(rèn)為筒 殼所受的載荷為均布外壓。我們對(duì)滾筒作如下簡(jiǎn)化：忽略 邊界處倒角，繩槽，輪輻上的小孔，以及輪轂上的鍵槽。 m 3） 彈性模量 (GPa） 屈服應(yīng)力 (Mpa） 泊松比 103 213 980 模型的網(wǎng)格劃分 滾筒軸采用自由網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格生成后的滾筒軸有限元模型如圖 所示： 邊界約束條件 由于采用了調(diào)心軸承，左端軸向固定，所以左端約束中三個(gè)移動(dòng)自由度均被固定（被約束），而三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不被約束。 （ 1） 剛度分析 計(jì)算結(jié)果表明：滾筒軸最大變形在軸的左端部位，最大變形為 。 模態(tài)結(jié)果分析 模態(tài)分析結(jié)果表明：滾筒軸的前四階的固有頻率在 100200Hz 范圍內(nèi)，振 型以兩端彎曲為主，后二階的固有頻率在 300Hz 以上，振型以中間彎曲和扭轉(zhuǎn) 為主，其振形變化不大，對(duì)絞車的性能影響不大。 22 定義邊界條件并施加載荷 邊界約束條件 由于采用了調(diào)心軸承，左端軸向固定，所以左 端約束中三個(gè)移動(dòng)自由度均被 固定（被約束），而三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不被約束。 求解完成后，進(jìn)入通用后處理器觀察計(jì)算結(jié)果，得到滾筒軸裝配體的位移云圖和 23 應(yīng)力云圖。 （ 2） ZJ50 型絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)建模方面：運(yùn)用三維造型軟件 Pro/E 完成 ZJ50 型絞車的傳動(dòng)系統(tǒng)的三維建模。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識(shí)還比較欠缺。 （ 2）本課題在計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境下利用仿真軟件進(jìn)行仿真時(shí)，由于建模時(shí)的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化、模型誤差等因素 ，其結(jié)果和實(shí)際情況會(huì)有所偏離，所以有待于等樣機(jī)生產(chǎn) 出來以后對(duì)分析中所得數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證，使之更加合理化。 總結(jié)和展望 在對(duì) ZJ50 型絞車的傳動(dòng)系統(tǒng)及工作原理認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)絞車的實(shí) 際工作情況，對(duì)絞車的剎車進(jìn)行最大靜強(qiáng)度的計(jì)算校核，校核結(jié)果 表明，關(guān)鍵部 件能夠滿足絞車的正常工作要求，并且具有一定的安全余量。因此，假定扭矩載荷均勻分布在滾筒軸左端部的圓周面上，采用模型表面 節(jié)點(diǎn)施加周向集中力的方式進(jìn)行施加。實(shí)際工作過程中，滾筒、鍵、滾 筒軸在整個(gè)分析過程中均處于接觸狀態(tài)，因此在這里對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將這三 者在建模分析中合為一體，而不影響最終的結(jié)果。 ZJ50 型絞車滾筒軸的模態(tài)分析 滾筒軸有限元模型的建立 運(yùn)行 workbench，選擇模態(tài)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(shí)體模型。由于本滾筒軸基本上是一個(gè)對(duì)稱的 結(jié)構(gòu)，并且其上部件的重量較小，所以自重均忽略不計(jì)。 模態(tài)結(jié)果分析 根據(jù)前述的模態(tài)提取方法，計(jì)算出滾筒的前六階模態(tài)結(jié)果，其固有頻率和相 應(yīng)振型如表 所示。 （ 2）強(qiáng)度分析 滾筒受載時(shí)，應(yīng)力分布圖，如圖 所示： 通過上圖顯示，滾筒受載時(shí)，最大應(yīng)力分布在 滾筒內(nèi)表面、滾筒外圓與輪轂 過渡段、滾筒內(nèi)圓與輪轂過渡段、處，其余區(qū)域值較小，且分布比較均勻。我們對(duì)滾筒作如下簡(jiǎn)化：忽略邊界處倒角；忽略繩槽，輪輻上的小孔，以及輪轂上的鍵槽。取 l =28m（當(dāng)最大井深為 4000 米時(shí)） max y —— 鉆柱中最大立根數(shù) = 4000/28≈ ，取 max y =143 0 G —— 游動(dòng)系統(tǒng)固定重量， 查得 0 G =10T=10000Kg 2 D —— 滾筒第二層纏繩直徑 ,根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算要求 有： 2 D = o D + d繩 +2φ d 繩 式中： 0 D —— 滾筒原始直徑 = d 繩 —— 鋼絲繩直徑 =29mm φ —— 滾筒半徑上的增量系數(shù)，取φ = 2 D = o D + d 繩 +2φ d 繩 =+29+2 29==—— 有效繩數(shù) =10 游 —— 游車系統(tǒng)效率，查取 游 = 絞 —— 絞車滾筒效率，取 絞 = M = M 靜 =2 1276 10 = 制 max = max 2 MD 轂 式中： D 轂 —— 剎車轂直徑 =1168mm= F 制 max = 2* 鋼（剎）帶兩端的總拉力（兩條 鋼（剎）帶強(qiáng)度校核計(jì)算 鋼（剎）帶寬 220 mm=22cm，厚度 6mm= 在 2T 作用下受拉伸， = =設(shè)計(jì)安全系數(shù) n= =＞ 結(jié)論：符合 API Spec 7K 的規(guī)定。剎車機(jī)構(gòu)是絞車上最重要的部件，同時(shí)也是最薄弱的部件。數(shù)據(jù)管理模塊 的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一 點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的 一些功能提前發(fā)揮其作用。 單一數(shù)據(jù)庫(kù)： Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。 1988 年， 的 Pro/ENGINEER 誕生了。驅(qū)動(dòng)鉆井轉(zhuǎn)盤的動(dòng)力由滾筒軸上高速端空套鏈輪（ Z=32）通過 21 3/4″ 鏈條，傳遞到轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)軸空套鏈輪（ Z=27）上，由轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)軸上離合器（ PO218）的離合，將動(dòng)力通過鏈輪（ Z=20）、21 3/4” 鏈條帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速，如圖 所示。各個(gè)護(hù)罩均為剛性結(jié)構(gòu)焊接件。滾筒主剎車采用帶剎，滾筒采 用整體開槽滾筒，所有運(yùn)動(dòng)部件采用強(qiáng)制潤(rùn)滑； （ 4）驅(qū)動(dòng)部位不可以帶泥漿泵； （ 5）設(shè)計(jì) 時(shí)，主要關(guān)鍵件（如鏈輪、軸）等均采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，并且通過熱處 理獲得優(yōu)良性能； （ 6）底座設(shè)計(jì)能適應(yīng) UNIT 公司的裝運(yùn)方式。 （ 3）絞車要能適應(yīng)起重量的變化，有足夠的提升檔數(shù)，最好能無極調(diào)速，以便 提高功率利用率，節(jié)省起下鉆時(shí)間。在對(duì) 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(yùn)用 Pro/E 對(duì) ZJ50 型絞車系統(tǒng)的 所有組成元件進(jìn)行三維建模；并對(duì)滾筒、滾筒軸、中間 軸、輸入軸等重要部件進(jìn)行安全校核；最后運(yùn)用 ANSYS 對(duì)中間軸裝配體進(jìn)行有限元分析。全液壓驅(qū)動(dòng)的絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵由挪威 MH公司于 2o 世紀(jì) 90 年代推出，與此之前推出的全液壓頂驅(qū)、管排放系統(tǒng)、液壓機(jī)械手及天車型液壓升沉補(bǔ)償器，構(gòu)成了海洋鉆機(jī)機(jī)械化、智能化操作系統(tǒng)。最小的微型鉆機(jī)采用小井眼鉆井技術(shù)，鉆深可達(dá) l 500 m，體積小，質(zhì)量輕，最輕的只有 14 t，節(jié)省鉆井費(fèi)用 30％ 一 4o％ ，減少拆裝 時(shí)間 6ook 一 70ok，節(jié)約鉆井液 88ok，減少井場(chǎng)面積 70ok，是經(jīng)濟(jì)效益最好的一種石油鉆機(jī)。隨著鉆大井眼的需要，大尺寸高壓防噴器也有新的發(fā)展 ，德國(guó) KTB 超深井中已使用 476． 25 mln 70MPa 防噴器組。為了提高起升工作效率，絞車功率趨向于提高。就我國(guó)目前普遍使用 的機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)而言，美國(guó)在 20 世紀(jì) 60年代已經(jīng)成熟，到 70 年代得到迅速發(fā)展。目前，我國(guó)石油鉆機(jī)的品種和質(zhì)量基本滿足了國(guó)內(nèi)不同地區(qū)、不同井深的需要。 石油鉆機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 石油鉆機(jī)國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r 縱觀我國(guó)石油鉆機(jī)的歷史，其發(fā)展主要由 4 個(gè)因素所決定：一是鉆機(jī)的有效 使用年限，它決定其更新或改造周期。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究背景與意義 據(jù)我國(guó) 海洋石油 20xx 年遠(yuǎn)景規(guī)劃，我國(guó)將有 30 多個(gè)油田待開發(fā)，需建造 70 多座平臺(tái)，新建和改造 10 多艘 FPSO，其中中海油需建造 55 座海洋平臺(tái)， 6 艘 FPSO， 4 個(gè)陸地終端、鋪設(shè)海底管線 1000 多公里，投資總量每年將以百億元 以上遞增。 （ 5）根據(jù)絞車傳動(dòng)形式不同有不同的絞車結(jié)構(gòu)，這 是絞車設(shè)計(jì)中變化最多的結(jié) 構(gòu)。 絞車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 鉆井絞車是鉆機(jī)起升系統(tǒng)設(shè)備之一，是鉆機(jī)的核心部件。傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)絞車體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難較好地滿足新型鉆井工藝的要求。學(xué)?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 3）其它 摘 要 石油鉆機(jī)是油田油 氣勘探開發(fā)極其重要的工具。一部常用石油鉆機(jī)主要由動(dòng)力機(jī)、 傳動(dòng)機(jī)、 工作機(jī)及輔助設(shè)備組成。滿足最大拉力、最高轉(zhuǎn)速、 足夠的壽命； 絞車滾筒要有足夠的尺寸和纏繩容量； 絞車要適應(yīng)寬范圍的載荷變化，要 有最高的功率利用率； 絞車要有靈敏、可靠的剎車機(jī)構(gòu)和足夠能力的輔助剎 車，能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆壓，均勻送進(jìn)鉆具，控制鉆具下放速度，剎車機(jī)構(gòu)要耐熱、 耐磨； 絞車要具有剛勁的支架和底座；密閉潤(rùn)滑； 司鉆操作要省力、方便。我 國(guó)早期和傳動(dòng)的絞車都是這種形式； 多軸絞車：將四軸以上的絞車都稱之為 多軸絞車。傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)絞車體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，很難較好地滿足新型鉆井工藝的要求， ZJ50 型絞車傳動(dòng)系統(tǒng)克服傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)絞車的不足，具有鉆井性能好、啟動(dòng)平穩(wěn)、絞 車功率大、調(diào)速性能好、功率利用率高、安全可靠、絞車操作省力，控制先進(jìn)， 傳動(dòng)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)速范圍大，效率高 ,壽命長(zhǎng)，工作安全可靠等特點(diǎn)。自 2o 世紀(jì) 9o 年代以來，由于鉆機(jī)制造技術(shù)、部件質(zhì)量和研發(fā)能力的提高，研發(fā)速度加快，研制成功 6oL 型、 — 6oD 型和 — 60DS 型機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī) 和電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，并朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化方向發(fā)展，鉆機(jī)的性能指標(biāo)已達(dá)到 GB180686 的規(guī)定。南陽(yáng)石油機(jī)械廠引進(jìn)意大利輕便頂驅(qū)技術(shù)與 4 3 000 m 車裝鉆機(jī)配套后到印尼服務(wù)，與石油大學(xué) (北京 )合作的盤式剎車技術(shù)已應(yīng)用于 3 O00 m 鉆機(jī)，并投放到勝利油田及墨西哥市場(chǎng)。這 是因?yàn)閷?duì)鉆井承包商而言，其鉆井成本主要包括兩方面：一是直接鉆井成本，二 是輔助鉆井成本，包括運(yùn)載成本和停工成本，而運(yùn)載成本和停工成本均與鉆機(jī)本 身有直接關(guān)系。德國(guó) KTB 超深井使用的 u． IB— lGH3OOOEG 鉆機(jī)，井架最高為 63 m。美國(guó)在 1973 年設(shè)計(jì)了 TBA1000 型系列鉆機(jī)，經(jīng)濟(jì)鉆深為 l 8006 000 m，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊質(zhì)量不超過18 t，既可用直升機(jī)運(yùn)輸，也可用雪橇、履帶車、船舶等運(yùn)輸。與機(jī)械驅(qū)動(dòng)相比，電驅(qū)動(dòng)具有操作安全、維修保養(yǎng)方便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)，特別是全數(shù)字系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制性能更完善，可靠性更高，調(diào)整及更改功能更便捷，故障診斷及維修更方便。 剎 車轂、輔助剎車的冷卻水循環(huán)使用，柴油機(jī)排放滿足環(huán)保要求。 第二章 ZJ50 型絞車傳動(dòng)系統(tǒng)介紹 ZJ50 型絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則 絞車的使用工況及要求 絞車是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，也是鉆機(jī)的核心部件，它的主要任務(wù)是： 用來起、下鉆具；懸持靜止的鉆具；在鉆進(jìn)過程中控制鉆壓、送進(jìn)鉆具；利用貓 頭機(jī)構(gòu)上、卸鉆具絲扣；起吊重物及進(jìn)行井場(chǎng)的其它輔助 工作；另外有的絞車往 往還充當(dāng)轉(zhuǎn)盤的中間變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)部分要有嚴(yán)密的防護(hù) 罩，并應(yīng)潤(rùn)滑充分；在結(jié)構(gòu)安排上應(yīng)保證易損件拆修簡(jiǎn)便。絞車主剎車采用帶式 剎車機(jī)構(gòu)（雙杠桿），輔助剎車為 236WCB2 伊頓剎車。通過操作控制三套換檔機(jī)構(gòu)，輸入軸上的三只鏈輪（ Z=2 Z=3 Z=28）和一只齒輪（ Z=80），與中間軸上的三只鏈輪（ Z=3 Z=2 Z=46）和一只齒輪（ Z=96）實(shí)現(xiàn)組合，使中間軸可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所需繪制的 零件我全部采用 Pro/E 進(jìn)行造型。是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化 軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系 統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能的綜合性 MCAD 軟件。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。以下是幾個(gè)關(guān)鍵零部件的造型詳解： 中間軸鏈輪的繪制 整個(gè)