【正文】 ..............................................20 ZJ50 型絞車滾筒軸的模態(tài)分析 .........................................................................20 滾筒軸有限元模型的建立 ........................................................................20 施加 約束并求解 ......................................................................................21 模態(tài)結(jié)果分析 .........................................................................................21 ZJ50 型絞車滾筒軸裝配體有限元分析 ...............................................................21 建立滾筒軸裝配體有限元分析模型 ..........................................................21 材料屬性定義 .........................................................................................21 網(wǎng)格劃分 ................................................................................................21 定義邊界條件并施加載荷 ........................................................................22 求解并分析結(jié)果 ......................................................................................22 總結(jié)和展望 .....................................................................................................................24 致謝 ................................................................................................................................25 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................26 1 第一章緒論 石油鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 在石油鉆井中，帶動(dòng)鉆具破碎巖石，向地下鉆進(jìn)，鉆出規(guī)定深度的井眼，供 采油機(jī)或采氣機(jī)獲取石油或天然氣。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(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)顯示儀表、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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。 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。 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。 （ 3）要求： 絞車要有足夠大的功率。 （ 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(shuō)的單滾筒絞車和雙滾筒絞車； 無(wú)貓頭軸絞車。 （ 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)。絞車只有滾筒軸，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。其結(jié)構(gòu)較單、雙軸復(fù)雜。即動(dòng)力輸入軸、中間軸（多根）、貓頭軸、滾筒軸； 獨(dú)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(tái)底座， 小功率的貓頭軸高位安裝，位于鉆臺(tái)上； 齒輪傳動(dòng)單軸絞車：現(xiàn)在電驅(qū)動(dòng)鉆 機(jī)中普遍實(shí)用的結(jié)構(gòu)，直流或交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速或變速齒輪箱， 以驅(qū)動(dòng)滾筒軸。 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。另外目前我國(guó)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(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等缺點(diǎn)，因此急需進(jìn)行更新，從而將 產(chǎn)生大量更新需求。同時(shí)還擔(dān)負(fù)著井架及鉆機(jī)前后臺(tái)起升和降落任務(wù)。較 好的簡(jiǎn)化了絞車結(jié)構(gòu)。 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。三是從鉆機(jī)的效率和效益出發(fā)，決定鉆機(jī)的 驅(qū)動(dòng)形式是機(jī)械驅(qū)動(dòng)或是電驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)型式是橇裝還是車裝。四是市場(chǎng)的有效 需求，它決定鉆 機(jī)的發(fā)展規(guī)模。國(guó)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(dòng)方式除常規(guī)的柴油機(jī) 膠帶驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī) 液力變矩器驅(qū)動(dòng)外， 還有 ACSCRDC 驅(qū)動(dòng)。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。從國(guó)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(yáng)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(yàn)。此外，北京石油機(jī)械研究所與大港新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司共同完成了 D(}_一 30Y 頂驅(qū)工業(yè)性試驗(yàn)，北石所研制的為 ZJTOD 配套的頂驅(qū)已在克拉瑪依和塔里木完成 2口井的工業(yè)試驗(yàn)。 石油鉆機(jī)國(guó)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(guó)、 德國(guó)、法國(guó)、意大利、加拿大、墨西哥和羅馬尼亞等國(guó)先后開發(fā)了各種類型的石 油鉆機(jī)。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。今后石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是多樣化、兩極化、自動(dòng)化和人性化。盡管鉆機(jī)的類型多種多樣，但新型鉆機(jī)的發(fā) 展有一個(gè)共性，即在重視鉆機(jī) 作業(yè)性能的基礎(chǔ)上，逐步重視鉆機(jī)的移運(yùn)性能。 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(shì)，即深井鉆機(jī)大型化和輕便鉆機(jī)小型 化。為了提高起升工作效率，絞車功率趨向于提高。鉆井泵單臺(tái)最大功率 l 618 kW ，最高壓力52． 7 MPa。特深井鉆進(jìn)都采用 4個(gè)單根組成的立柱，故井架高度超過 50m?？紤]安裝防噴裝置的需要，井架底座最高達(dá) l2． 12 m。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。為了把環(huán)形防噴器工作壓力從 35MPa 提高到 70 MPa，美國(guó) Shatter 公司推出了兩個(gè)串聯(lián)膠心的環(huán)形防噴器。 (2)輕便石油鉆機(jī)趨向小型化 為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠、丘陵地帶油氣藏的勘探，國(guó)外公司在 20 世紀(jì)6o 年代開始研制模塊式鉆機(jī)。輕型鉆機(jī)主要以車裝鉆機(jī)為主，美國(guó)是世界上生產(chǎn)車裝鉆機(jī)較多的國(guó)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)。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)。頂部驅(qū)動(dòng)裝置克服了轉(zhuǎn)盤鉆井方式的缺陷，給鉆井作業(yè)帶來(lái)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(dòng)用于鉆機(jī)最早開始于 20 世紀(jì) 5O 年代中期，隨后逐步完善、成熟。電驅(qū)動(dòng)可以通過編程控制器獲得很多機(jī)械驅(qū)動(dòng)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。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)。上下井架有助 (阻 )力器，二層臺(tái)有逃生器，鉆臺(tái)有逃生滑道。選用無(wú)公害的摩擦盤 (片 )、剎車塊、油漆，保證員工健康。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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。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。 2．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。 4．運(yùn)用有 限元分析 ANSYS 軟件對(duì) ZJ50 型絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的滾筒軸、滾筒、 7 輸 入軸、中間軸等主要部件進(jìn)行有限元的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果判 斷傳統(tǒng)系統(tǒng)中各主要部件是否滿足絞車的正常工作要求。根據(jù)上述工況對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)件要有足夠的壽命。 （ 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(wú)極調(diào)速，以便 提高功率利用率，節(jié)省起下鉆時(shí)間。 （ 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(tái)起吊重物。中型絞車整體運(yùn)輸，其重量應(yīng)在 10t 以內(nèi)， 重型和超重型絞車要使拆散運(yùn)輸?shù)膯卧?15t 以內(nèi)。 （ 7） 絞車的控制手柄、剎把、指重表 等相對(duì)集中于司鉆控制臺(tái)，以便于操作。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。 ZJ50 型動(dòng)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(rùn) 滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等幾大部分組成。絞車內(nèi)部 采用 氣路控制 PO 型推盤離合器和氣胎離合器，離合方便可靠，在滾筒軸分別獲得八 個(gè)正檔和兩個(gè)倒檔時(shí)的操作控制過程中，動(dòng)力機(jī)無(wú)須停車。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。各個(gè)護(hù)罩均為剛性結(jié)構(gòu)焊接件。在絞車外部裝有剛性結(jié)構(gòu)焊接件的各個(gè)護(hù)罩，以 保證操作安全，防止傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受外界環(huán)境的影響，并避免潤(rùn)滑油外濺。在鏈條箱中兩臺(tái)動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力可通過鏈輪（ Z=32）并車，并由鏈輪（ Z=31）將動(dòng)力傳到輸入軸上。中間軸的鏈輪（ Z=24）通過 31 3/4″ 鏈條帶動(dòng)滾筒軸上高速的空套鏈輪（ Z=32）轉(zhuǎn)動(dòng)；另一鏈輪（ Z=19）通過 31 3/4″ 鏈條將動(dòng)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(dòng)滾筒軸低速端空套鏈輪（ Z=62）轉(zhuǎn)動(dòng)。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。 10 絞車傳動(dòng)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(zhǎng)度 φ 5331028（ 21″ 40— 1/2″ ） 滾筒驅(qū)動(dòng)鏈為 1— 3/4″ P，三排鏈 傳動(dòng)鏈 1— 3/4″ P，雙排鏈 驅(qū)動(dòng)鏈