【正文】 自己要學習的東西 還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點 。當然在本文設(shè)計中還存在不足之處，作者將在日后的學習和工作過程中繼續(xù)積累經(jīng)驗，對 ZJ50 型絞車作進一步的研究?？傊?，作者希望通過本畢業(yè)設(shè)計給大家提供一個開發(fā) ZJ50 型絞車的新思路。 本畢業(yè)設(shè)計雖然能夠圓滿完成，但由于時間問題，未能完成以下幾點： （ 1）在滾筒和滾筒軸的有限元靜態(tài)分析中，還需要進一步研究載荷的施加方式， 包括載荷的精確計算，考慮軸承油膜的剛度、阻尼特性，采用接觸算法等。 25 （ 3） ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件校核方面：對 ZJ50 型絞車傳統(tǒng)系統(tǒng)中的剎 車進行力學計算校核，校核結(jié)果表明絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件能夠滿足工作要求。在對 ZJ50 型絞車 的傳動系統(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 簡單，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。最后運用 ANSYS 對滾筒、滾筒軸和滾筒軸裝配體進行有限元分析，分析結(jié)果表明， ZJ50 型絞車 設(shè)計合理，能夠滿足正常工作要求。 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) ，所以其的強度滿足軸的正常工作需要。 （ 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)。 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，并進入求解器求解。 （ 2）筒殼壓力 前面已對快繩拉力對滾筒造成的各種載荷做了詳細說明，由前面論述可知作 用在滾筒表面的壓力 σ 為快繩 拉力對滾筒施加的主要載荷。 （ 1）滾筒軸端施加扭矩 起鉆時電機通過傳動系統(tǒng)將扭矩傳遞到滾筒軸左端部位，進而帶動整個滾筒 轉(zhuǎn)動。右邊約束中沿軸向自由度及三個轉(zhuǎn)動自由度均不被約束。 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。另外 ，我們對此模型還要進行 如下簡化：忽略退刀槽和砂輪越程槽；忽略滾筒上的繩槽等。運行 workbench，選擇靜力分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導入之前存盤的滾筒 SAT 文件就可以生成滾筒軸裝配體的實體模型。由此 可見，該滾筒軸的結(jié)構(gòu)設(shè) 計較為合理，滿足絞車的正常工作需要。然后根據(jù)模態(tài)提取方法 —— BlockLanczos（分塊法）進行求解， 并對結(jié)果進行模態(tài)擴展。我們對滾筒作如下簡化： 21 忽略邊界處的倒 角；忽略退刀槽和砂輪越程槽；簡化后的模型如圖 所示。 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 的強度滿足絞車的正常工作需要，滾筒軸的設(shè)計符合工況設(shè)計要求。 由工程的實際應(yīng)用的經(jīng)驗可知，滾筒軸的剛度滿足絞車的正常工作需要。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。滾筒軸在工作中受力比 較復雜，變化較大，其主要影響因素有三個方面，一是在起下鉆工作過程中，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，即快繩作用點距筒體兩端支點距離的改變而引起滾筒彎、 扭的變化等。因此， 在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。右邊約束中沿軸向自由度及三個轉(zhuǎn)動自由度均不被約束。我們對滾筒軸作如下簡化：忽略邊 界處的倒角；忽略退刀槽和砂輪越程槽；簡化后的模型如圖 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 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。然后根據(jù) 模態(tài)提取方法 —— Block Lanczos（分塊法）進行求解，并對結(jié)果進行模態(tài)擴展。如圖 所示。 滾筒有限元模型的建立 運行 workbench，選擇模態(tài)分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導入之前存 盤的滾筒 SAT 文件就 可以生成滾筒的實體模型。滾筒 18 內(nèi)表面處最大應(yīng)力達 。由工程的實 ZJ50 際應(yīng)用的經(jīng)驗可知，滾筒的剛度也滿足絞車的正常工作需要。一般滾筒要纏數(shù)層，在纏繞過程中由于外圈纏繞時對 筒壁進一步的壓縮使里層的鋼絲繩放松而降低對滾筒的壓力，因此，鋼絲繩多層 纏繞時有一個多層纏繞系數(shù)。 載荷工況分析 在下鉆過程中，快繩拉力對滾筒造成的載荷有彎矩、扭矩以及纏緊的鋼絲繩 對筒壁的外壓力，前兩者載荷產(chǎn)生的應(yīng)力很小 ，不及第三者的 10%，所以在計 算中忽略不計，而外壓力在筒壁中產(chǎn)生的壓應(yīng)力很大。簡化后的模型如圖 所示： 15 滾筒材料溫室性能參數(shù) 滾筒材料選用 ZG35CrMo，其溫室性能參數(shù)如表 ： 表 ZG35CrMo 溫室性能參數(shù) 模型的網(wǎng)格劃分 滾筒采用自由網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格生成后的滾筒有限元模型如圖 所示： 密度（ Kg運行workbench，選擇靜力分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導入之前存盤的滾筒SAT 文件就可以生成滾筒的實體模型。前處理模塊提供了一個 強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模 塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物 理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析 能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子 流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算 結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)， 它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/E, NASTRAN, I － DEAS, AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級 CAE 工具之一。 鋼（剎）帶鉚接強度校核計算 14 固定端總拉力，（兩條帶上拉力之和） T= 鋼帶與固定端吊耳處采用鉚釘 12X40 12 件鉚接 計算鋼帶與固定端吊耳處的聯(lián)接強度 鉚釘： 選用材料 Q235Ab ≥ 380～ 470Mpa， s≥ 220Mpa 鉚釘剪切強度 : τ ＝ 4Fｍ dZ≤［ τ ］ 主剎車帶校核結(jié)論 通過對剎帶的設(shè)計計算，計算結(jié)果符合 API Spec 7k20xx 第 4 版及 增補 2《鉆井和井口操作設(shè)備規(guī)范》規(guī)定的要求。 查得 q=30Kg/m l —— 立根長度，米。 游 的計算有： Q 39?？? 22D 絞 =2 39。 鋼（剎）帶兩端的拉力和制動力的計算 最大制動力矩： max M = M 靜 ＋ M 慣 由于 M 慣 計算起來相當復雜，取 max M = M 靜 式中； —— 動載系數(shù)，通常 =～ ，取 =2 計算。因此要求剎車機構(gòu)靈活省力和安全可靠。以下是幾個關(guān)鍵零部件的造型詳解： 中間軸鏈輪的繪制 整個傳動系統(tǒng)零部件的裝配圖及爆炸圖 零件圖繪制總結(jié) 通過 Pro/E 的使用，對 ZJ50 型石油鉆機絞車傳動系統(tǒng)的設(shè)計，我們可以很直 觀的看到具體零部件的樣子以及各個傳動件之間的相互關(guān)系，三維造型的使用大 大的方便提供給了我們設(shè)計所需的理論支持。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。裝配管理：Pro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插 入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。為了實現(xiàn) 這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。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)很容易的進行多次設(shè)計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很 熟悉的，因而易于使用。 基于特征的參數(shù)化造型： Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何 模型的構(gòu)造要素。這就意味著在產(chǎn)品開 發(fā)過程中某一處進 行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程 文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立 用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化 軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系 統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能的綜合性 MCAD 軟件。 PTC 的 系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型 裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭 羊。 1985 年， PTC 公司成立于美 國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。本次畢業(yè)設(shè)計所需繪制的 零件我全部采用 Pro/E 進行造型。通過計算機輔 助設(shè)計建立的立體的、有光的、有色的生動畫面，虛擬逼真地表達大腦中的產(chǎn)品 設(shè)計效果，比傳統(tǒng)的二維設(shè)計更符合人的思維習慣與視覺習慣。絞車的輔助剎車采用先進的美國伊頓公司 236WCB2 剎車，與滾筒軸之間采用漸開線花鍵聯(lián)接，手動離合。由滾筒軸上高、低速端的兩只離合器（ PO3PO324）的離合，可使?jié)L筒軸獲得八正兩倒的轉(zhuǎn)速 。通過操作控制三套換檔機構(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）實現(xiàn)組合，使中間軸可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速。 絞車工作原理 動力絞車的動力由兩臺 ，動力經(jīng)液力變矩器減速增矩，再 通過雙 LT600/125 離合器傳到鏈條箱。整個絞車安裝在一個用金屬材料焊接 而成的絞車底撬上，輸入軸、中間軸、滾筒軸和貓頭軸通過軸承座固定在絞車墻 9 板孔內(nèi)，滾筒軸一側(cè)裝有伊頓輔助剎車，滾筒軸另一側(cè)裝有氣控箱及帶剎 的剎把， 便于集中操作，滾筒軸滾筒的下面，絞車底撬上裝有剎車機構(gòu)，通過剎帶與滾筒 剎車鼓組成剎車的主制動系統(tǒng)。絞車傳動鏈條均采用強制 密封潤滑。絞車主剎車采用帶式 剎車機構(gòu)（雙杠桿），輔助剎車為 236WCB2 伊頓剎車。絞車為密封墻板式五軸絞車。 設(shè)計執(zhí)行的主要技術(shù)標準 API Spec7 旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范 API Spec7F 油田用鏈條和鏈輪規(guī)范 API Spec7K 旋轉(zhuǎn)鉆柱部件規(guī)范 API Spec8A 鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范 API Spec9A 鋼絲繩規(guī)范 API RP500 石油設(shè)備電氣裝置安裝場所分類 ZJ50 型絞車結(jié)構(gòu)及工作原理 絞車結(jié)構(gòu)組成 ZJ50 型動力絞車采用模塊化設(shè)計，將兩臺 合 成整體，并合理地將機、電、氣、液有機的結(jié)合在一起，控制絞車的各個動作， 使絞車結(jié)構(gòu)更緊湊，操作更方便、安全，增強了鉆機的移運性，減少了設(shè)備安裝 的工作量。 主要技術(shù)標準及設(shè)計原則 型鉆機設(shè)計制造原則 （ 1）鉆機絞車設(shè)計制造原則依據(jù) “ 先進、可靠、安全、方便、經(jīng)濟 ” 的原則； （ 2）絞車采用模塊化設(shè)計，將驅(qū)動與絞車連成整體，增強了鉆機的移運性，減 少安裝工程量； （ 3）絞車配套件：軸承選用中國制造的西北軸承廠優(yōu)質(zhì)軸承，推盤離合器選用 8 中美合資 SJS 廠家產(chǎn)品，輔助剎車采用伊頓剎車。傳動部分要有嚴密的防護 罩，并應(yīng)潤滑充分；在結(jié)構(gòu)安排上應(yīng)保證易損件拆修簡便。 （ 6）絞車應(yīng)具有剛勁的支架和底座。 （ 4）絞車要有靈活而可靠的剎車機構(gòu)及強有力的輔助剎車，能準確地調(diào)節(jié)鉆壓， 均勻地送進鉆具。 （ 2）絞車要有足夠的尺寸和容繩量，并應(yīng)保證纏繩狀態(tài)良好，以延長鋼絲繩壽 命；絞車要適應(yīng)起下鉆重量的變化，有足夠的起升檔數(shù)或能無級調(diào)速，用以提高 功率的利用率， 節(jié)省起升時間。 第二章 ZJ50 型絞車傳動系統(tǒng)介紹 ZJ50 型絞車的主要技術(shù)標準及設(shè)計原則 絞車的使用工況及要求 絞車是鉆機起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，也是鉆機的核心部件，它的主要任務(wù)是： 用來起、下鉆具；懸持靜止的鉆具；在鉆進過程中控制鉆壓、送進鉆具；利用貓 頭機構(gòu)上、卸鉆具絲扣；起吊重物及進行井場的其它輔助 工作；另外有的絞車往 往還充當轉(zhuǎn)盤