【導(dǎo)讀】石油鉆機(jī)是油田油氣勘探開發(fā)極其重要的工具。鉆機(jī)底座和輔助設(shè)備組成。絞車是石油鉆機(jī)速度變化及維持外頭恒定鉆壓的重要。機(jī)構(gòu)，是鉆機(jī)的核心部件，直接決定著鉆機(jī)鉆進(jìn)能力。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。結(jié)構(gòu)緊湊，功率大且利用率高，調(diào)速性能好，安全可靠。分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷ZJ50型絞車設(shè)計(jì)是否合理，能否滿足正常工作要求。

　　

【正文】 際情況。由工程 的實(shí) ZJ50 際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)可知，滾筒的剛度也滿足絞車的正常工作需要。 （ 2）強(qiáng)度分析 滾筒受載時(shí)，應(yīng)力分布圖，如圖 所示： 通過(guò)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(guò)渡段、滾筒內(nèi)圓與輪轂過(guò)渡段、處，其余區(qū)域值較小，且分布比較均勻。滾筒 18 內(nèi)表面處最大應(yīng)力達(dá) 。 ZJ50 型絞車滾筒的模態(tài)分析 模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性（固有頻率和振型），它 們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程。 滾筒有限元模型的建立 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 SAT 文件就可以生成滾筒的實(shí)體模型。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。如圖 所示。 施加約束并求解 由于滾筒軸的自由模態(tài)對(duì)其正常工作影響不大，在此只對(duì)約束模態(tài)進(jìn)行分 析，根據(jù)滾筒的工作狀況，對(duì)滾筒施加約束，其施加方法與上節(jié)相同。然后根據(jù) 模態(tài)提取方法 —— Block Lanczos（分塊法）進(jìn)行求解，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展。 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。 ZJ50 型絞車滾筒軸的靜力分析 建立滾筒軸模型 在 PRO/E 中建立滾筒軸的三維模型后，選擇 SAT 文件類型存盤。運(yùn)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(shí)體模型。我們對(duì)滾筒軸作如下簡(jiǎn)化：忽略邊 界處的倒角；忽略退刀槽和砂輪 越程槽；簡(jiǎn)化后的模型如圖 所示： 滾筒軸材料溫室性能參數(shù) 19 滾筒軸材料選用 35CrMo，材料的溫室性能參數(shù)如表 所示： 表 滾筒軸材料溫室性能參數(shù) 密度（ Kg 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。右邊約束中沿軸向自由度及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均不被約束。 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(duì)一定的載荷條件的響應(yīng)。因此， 在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。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)。滾筒軸在工作中受力比 較復(fù)雜，變化較大，其主要影響因素有三個(gè)方面，一是在起下鉆工作過(guò)程中，由 于井深或立根數(shù)的變化而引起快繩拉力和扭矩的變化；二是由于工作中滾筒纏繩 半徑即快繩所在纏繩層次變化引起 快繩拉力及滾筒軸彎、扭矩的變化；三是滾筒 纏繩拉力位置的改變，即快繩作用點(diǎn)距筒體兩端支點(diǎn)距離的改變而引起滾筒彎、 扭的變化等。滾筒軸上受到二個(gè)集中載荷和一對(duì)力偶的作用：最大快繩拉力，鏈輪傳動(dòng)拉力；快繩從動(dòng)扭矩加在滾筒與軸配合段的位置；驅(qū)動(dòng)力矩加在滾筒軸與 20 左端鏈輪配合段的位置。滾筒軸施加約束和載荷如圖 所示： 圖 滾筒軸施加約束和載荷圖 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軸的位移云圖和應(yīng)力云圖。 （ 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 。 由工程的實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)可知，滾筒軸的剛度滿足絞車的正常工作需要。 （ 2）強(qiáng)度分析 滾筒軸受載時(shí)應(yīng)力分布圖： 計(jì)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(shí)，應(yīng)注意減小應(yīng)力集中。 結(jié)論：滾筒軸的安全系數(shù)為 大于滾筒的許用安全系數(shù) ，所以滾筒軸 的強(qiáng)度滿足絞車的正常工作需要，滾筒軸的設(shè)計(jì)符合工況設(shè)計(jì)要求。 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。我們對(duì)滾筒作如下簡(jiǎn)化： 21 忽略邊界處的倒角；忽略退刀槽和砂輪越程槽；簡(jiǎn)化后的模型如圖 所示。 施加約束并求解 根據(jù)滾筒軸的工作狀況，對(duì)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。然后根據(jù)模態(tài)提取方法 —— BlockLanczos（分塊法）進(jìn)行求解， 并對(duì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展。 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。由此可見(jiàn)，該滾筒軸的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)較為合理，滿足絞車的正常工作需要。 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。運(yùn)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 SAT 文件就 可以生成滾筒軸裝配體的實(shí)體模型。實(shí)際工作過(guò)程中，滾筒、鍵、滾 筒軸在整個(gè)分析過(guò)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。另外，我們對(duì)此模型還要進(jìn)行 如下簡(jiǎn)化：忽略退刀槽和砂輪越程槽；忽略滾筒上的繩槽等 。 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(shí)，我們已有說(shuō)明，在這里我們不在例出其數(shù)據(jù)。 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格生成后的滾筒軸裝配體的有限元模型如圖所示。 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。右邊約束中沿軸向自由度及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均不被約束。 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。 （ 1）滾筒軸端施加扭矩 起鉆時(shí)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將扭矩傳遞到滾筒軸左端部位，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)滾筒 轉(zhuǎn)動(dòng)。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。 （ 2）筒殼壓力 前面已對(duì)快繩拉力對(duì)滾筒造成的各種載荷做了詳細(xì)說(shuō)明，由前面論述可知作 用在滾筒表面的壓力 σ 為快繩拉力對(duì)滾筒施加的主要載荷。鋼繩對(duì)滾筒的壓力可 近似看成在滾筒表面的平均分布?jí)毫? MPa。 求解并分析結(jié)果 將上面的約束和載荷施加到滾筒軸裝配體有限元模型，并進(jìn)入求解器求解。 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。 （ 1）剛度分析 滾筒軸裝配體受載后總 位移分布圖如圖所示 : 計(jì)算結(jié)果表明：滾筒軸裝配體的最大變形發(fā)生在滾筒的的中間部位以及滾筒 軸左端部位，最大變形為 ，也在滾筒軸裝配體的彈性內(nèi)。 （ 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(guò)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(jì)算結(jié)果，可得出滾筒軸的安全系數(shù)為： 。 結(jié)論 : 滾筒軸裝配體的的安全系數(shù)大于滾筒軸的裝配體的的許用安全系數(shù) ，所以 其的強(qiáng)度滿足軸的正常工作需要。 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。最后運(yùn)用 ANSYS 對(duì)滾筒、滾筒軸和滾筒軸裝配體進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明， ZJ50 型絞車 設(shè)計(jì)合理，能夠滿足正常工作要求。本文主要完成了以下幾項(xiàng)工作： （ 1） ZJ50 型絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)研究方面：介紹了鉆井工作對(duì)絞車的要求及絞 車設(shè)計(jì)的原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，絞 車傳動(dòng)系統(tǒng)的功能和工作原理。在對(duì) ZJ50 型絞車 的傳動(dòng)系統(tǒng)、工作原理、結(jié)構(gòu)組成的研究基礎(chǔ)上，闡述了 ZJ50 型絞車具有傳動(dòng) 簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，功率大且利用率高，調(diào)速性能好，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 （ 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。 25 （ 3） ZJ50 型絞車傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件校核方面：對(duì) ZJ50 型絞車傳統(tǒng)系統(tǒng)中的剎 車進(jìn)行力學(xué)計(jì)算校核，校核結(jié)果表明絞車傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件能夠滿足工作要求。 （ 4）在絞車的有限元分析方面：利用 ANSYS 建立 ZJ50 型絞車傳動(dòng)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(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)雖然能夠圓滿完成，但由于時(shí)間問(wèn)題，未能完成以下幾點(diǎn)： （ 1）在滾筒和滾筒軸的有限元靜態(tài)分析中，還需要進(jìn)一步 研究載荷的施加方式， 包括載荷的精確計(jì)算，考慮軸承油膜的剛度、阻尼特性，采用接觸算法等。 （ 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(lái)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?？傊?，作者希望通過(guò)本畢業(yè)設(shè)計(jì)給大家提供一個(gè)開發(fā) ZJ50 型絞車的新思路。通過(guò)理論計(jì)算分析，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了 ZJ50 型絞車能夠滿足工作要求。當(dāng)然在本文設(shè)計(jì)中還存在不足之處，作者將在日后的學(xué)習(xí)和工作過(guò)程中 繼續(xù)積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì) ZJ50 型絞車作進(jìn)一步的研究。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西 還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò) 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都 應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。 致謝 經(jīng)過(guò)三個(gè)月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè) 專科 生的畢業(yè)設(shè) 計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè) 計(jì)是難以想象的。在這里，首先我要感謝我的導(dǎo)師老師。老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是趙老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。除了敬佩老師的專業(yè)水平外， 他 的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神，也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次，我要感謝和我一起作畢業(yè)設(shè)計(jì)們同學(xué)，然后，我還要感謝 上學(xué)這幾年來(lái) 所有的老師，為我們打下機(jī)械專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ) 。同時(shí)我還要感 謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)得以順利完成。我還要感謝空間各位關(guān)心我以及關(guān)心我設(shè)計(jì)的朋友，感謝，再次感謝。 26 最后 ， 我要感謝揚(yáng)州大學(xué)四年來(lái)對(duì)我的大力栽培。 參考文獻(xiàn) [1] 楊明旺 .石油系列絞車的數(shù)值分析與可靠性研究 [D].北京：中國(guó)石油大學(xué)， 2021 [2] 王進(jìn)全 .關(guān)于我國(guó)石油鉆機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀及其研發(fā)思考 [J].石油機(jī)械 , 2021, 34(1):710. 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