石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化

扬 州 大 学 广 陵 学 院本 科 生 毕 业 论 文毕 业 论 文 题 目 石 油 钻 机 用 油 井 水 龙 头 的 结 构 设 计 及 优 化学 生 姓 名专 业 班 级 指 导 教 师完 成 日 期 2014 年 5 月 30 日 I摘要现代钻机机械属于一套联合机组，深井钻机属于重型机械。我国的石油钻采机械起步较晚，但发展较快，各石油机械零件设计已经发展到了新的高度。水龙头属于钻采机械旋转系统的一部分。水龙头由旋转部分，固定部分，承转部分组成水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。由此可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。水龙头作为钻采机械中承上启下的关键性组成部分，其质量和工作情况决定着钻机的工作情况。对水龙头的要求也显得要有必要的苛刻性，对其结构的优化和寿命的延长也有很多要求。根据水龙头所要完成的任务，本毕业设计首先对水龙头做整体结构设计，设计工程中考虑钻井工艺对水龙头的总体要求，满足 API 相应规范和行业标准要求。根据二维图，进行三维建模后，对提环进行校核，并针对提环这一薄弱环节，运用ANSYS 进行应力、应变分析，适当优化，通过 ANSYS 分析，提环完全符合设计要求。关键词： 钻采机械 水龙头 ANSYS 分析IIAbstractModern drill machine belongs to a set of joint sets, deep well drilling machine belong to heavy machinery. The oil drilling machinery in China starts late, but develops fast, the petroleum machinery parts design has developed to a new height. The tap to a part of the drilling machine rotation system. Faucet by rotating part and fixed part, handing down of the faucet by lifting ring hanging on the hook, can lift with hook run down; The lower connect the drill pipe, connect the well drilling tools; The upper by gooseneck connected with hoses bag. Thus, faucet is three big ascension, rotation, cycle unit work concurrent key components. Faucet as a key part of which forms a connecting link between the preceding and drilling machinery, its quality decides the working condition of drilling rig and work situation. The requirement to the faucet also appears to have the necessary rigour, the optimization of the structure and the extension of life also has a lot of requirements. Keywords: Drilling machinery， faucet, ANSYS analysisIII目 录摘要Abstract第一章：绪论 .11.1 本课题研究背景 .11.2 石油钻机组成 .11.2.1 起升系统 .21.2.2 旋转系统 .21.2.3 循环系统 .21.2.4 动力设备 .31.2.5 传动系统 .31.2.6 控制系统 .31.2.7 井架和底座 .31.2.8 辅助设备 .41.3 国内外发展状况 .41.3.1 国外发展趋势 .41.3.2 国内的发展 .51.4 石油钻机用水龙头功能简介 .51.4.1 水龙头的组成 .51.4.2 水龙头的功用 .51.4.3 对水龙头的要求 .61.5 课题研究的主要内容 .6第二章：三维建模 .72.1SolidWorks 软件简介 .72.2 零件的三维造型 .72.2.1 提环的三维造型 .82.2.2 鹅颈管三维造型 .162.2.3 零部件建模及装配图 .252.3 本章小结 .31第三章 水龙头零部件校核 .323.1 主轴承预期使用寿命校核 .323.1.1 对主轴承时间寿命计算式的分析 .323.1.2 主轴承预期使用寿命计算 .333.1.3 主轴承寿命校核 .353.2 壳体校核 .373.3 提环销校核 .38IV3.4 本章小结 .38第四章 有限元分析 .394.1 有限元分析软件简介 .394.2 提环的有限元分析 .394.2.1 创建提环分析 .404.2.2 划分提环网格 .414.2.3 计算接触块尺寸和载荷 .414.2.4 施加约束和载荷 .434.2.5 分析结果 .464.2.6 优化提环 .474.3 本章小结 .50第五章 总结和展望 .515.1 总结 .515.2 展望 .51致谢参考文献V 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化1第一章：绪论1.1 本课题研究背景我国钻采机械行业和其他传统机械行业一样，起步较晚。虽然发展较快，但是总体仍未达到国际先进水平。国内对机械零件优化 80%以上仍然局限于简单的机械零部件。而今石油钻采机械优化设计已经不再是简单的零部件优化，而是复杂的零部件或者整机甚至组合产品系列化的优化。石油化工机械设备正在朝着机械设计更高的水平发展，我国的科研工作者也正在抓住这跨越式发展的机遇，让我国的钻采机械设计达到崭新的高度。1.2 石油钻机组成为了寻找石油和天然气的储藏，除了采用地球物理方法进行勘探外，还必须钻各种探井，这就需要石油钻机。石油钻机能够带动钻具破碎岩石，向地下钻进，钻出规定深度的井眼，供采油机或采气机获取石油或天然气。是由多台设备组成的一套联合机构。钻机的种类很多，转盘钻机是成套钻井设备中的一种基本形式，也称为常规钻机。此外，为适应各种地理环境和地质条件、加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井综合经济效益，其钻井方法和钻井技术也必须随之不断地发展、变化和改善，近年来世界各国在转盘钻机的基础上研制了各种 图 1.1 石油钻机朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化2类型的有特殊用途的钻机，如沙漠钻机、丛式井钻机、顶驱钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等特种钻机。它主要包括起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统。下面对石油钻机的系统作概述. 1.2.1 起升系统 为了起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、下套管等，钻机还必须配备一套起升系统设备，它主要由以下设备组成：主绞车、辅助绞车(或猫头)、辅助刹车、游动系统(包括钢丝绳、天车、游动滑车和大钩)以及悬挂游动系统的井架组成。另外，还有起下钻操作使用的工具及设备(吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根移动机构等)。起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。1.2.2 旋转系统为了旋转钻具破碎岩石，钻机必须配备钻盘、水龙头等地面旋转设备，以及方钻杆、钻杆、钻铤、钻头等井下旋转设备。其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等类型。钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩。方钻杆的截面一般为正方形，转盘通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是旋转钻机的典型部件，它既要承受钻具的重量，又要实现旋转运动，同时还提供高压泥浆的通道。1.2.3 循环系统为了随时清除井底已破碎的岩屑和正常连续钻进，同时为了冷却钻头保护井壁，防止井塌井漏等钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统。 循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化3等。井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。1.2.4 动力设备为了使工作机获得足够的动力进行运转，必须配备动力设备及其辅助设备，如柴油机及其供油设备，或交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。1.2.5 传动系统传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足各工作机组对动力的不同需求。传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构以及多动力机之间的并车机构等。由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。1.2.6 控制系统为了指挥各机组协调进行工作，在整套钻机中还装备各种控制设备，如机械控制设备(手柄、踏板、杠杆等)、气动或液动控制设备(开关、调压阀、工作缸等)、电控制设备(开关、变阻器、启动器、继电器等)以及集中控制台和观察记录仪表等。1.2.7 井架和底座井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井操作场所。井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。1.2.8 辅助设备为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化4防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。1.3 国内外发展状况1.3.1 国外发展趋势21 世纪以来,国外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机,涌现了许多新结构、新技术。近年来,为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发,美国、中国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机。国内外在顶部驱动钻机、小井眼石油钻机、套管钻机、液压钻机、自动化钻机及钻机配套技术方面发展很快,一些技术已进入实用阶段。近年来，国外的石油钻机发展速度非常快，而且呈现出一定的趋势，现总结出以下几点：（1）专业化钻机得到快速发展，形式更加趋向于多元化，如以上提到的能够适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等。（2）规模向两极化方向发展：深井石油钻机趋向大型化(1500m,MAX12500kN)、轻便钻机趋向小型化(车载为主)。（3）钻机技术更加得先进化，能够实现控制的自动化、智能化。顶驱、盘式刹车技术逐步成熟,电动控制技术、液压驱动技术和可靠性逐步提高。1.3.2 国内的发展我国钻采机械和其他行业一样，起步较晚，但是发展迅猛。60 多年来，我国石油钻机经历了仿制、引进、消化、吸收的过程，现已进入以自主开发为主的阶段。近 10 年来，我国石油钻机技术得到最为快速的发展，制造能力得到极大提高。我国钻机制造厂制造的各种钻机已基本满足我国石油勘探开发工作自身的需要，先后开发了适于陆地、沙漠及海洋作业的石油钻机，传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合传动并举。目前，我国已形成年制造钻机朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化5200 台的能力，已成为全球最大钻机制造国。我国石油钻机技术及制造能力的发展为我国石油工业实施低成本战略，参与国际市场竞争及保证我国石油安全奠定了良好的基础。如今，我国已经成为世界钻采机械生产大国之一。1.4 石油钻机用水龙头功能简介水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。由此可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。水龙头具有较高的承载能力和良好的密封性能以及有足够大的旋扣扭矩特性。1.4.1 水龙头的组成水龙头是旋转系统的重要组成部分。根据水龙头在钻井过程中所起的作用，其结构可分为三部分：（1）. 承载系统：中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承（负荷轴承）等；（2). 钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成（包括上、下钻井液密封盒组件等） ；（3). 辅助系统：扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。1.4.2 水龙头的功用通过对水龙头的研究，水龙头主要有以下功用：（1）悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分乃至全部钻具重量；（2）向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液；1.4.3 对水龙头的要求(1）水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命（因为水龙头的主轴承几乎是在全部钻具重量下振动、旋转，工作条件十分恶劣） ；(2）高压钻井液密封系统（或称冲管总成）必须工作可靠，寿命长，更换快速、方便；(3）机油密封良好，能制动补偿工作过程中密封元件的磨损；朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化6(4）各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应具有足够的强度和刚性。 水龙头的寿命和工作质量主要取决于主轴承的结构类型、轴承布置方案和钻井液密封系统的结构型式。1.5 课题研究的主要内容本课题主要解决的问题是石油钻机用中型水龙头的结构设计，并就其受载复杂的主轴承进行校核，以及提环进行有限元分析和优化。其主要内容如下：（1）参阅与石油钻机及其水龙头相关的中英文文献，将其整理。了解课题的相关专业知识，深刻体会本课题研究内容，在此基础上完成水龙头结构设计的方案；（2）根据完成的结构设计的方案，建立三维模型，并将其装配。直观地了解所设计的结构，找出不合理的结构尺寸，进行修改完善。（3）校核受载复杂的主轴承的寿命，并对壳体、提环、提环销进行简化强度校核。（4）对提环进行有限元分析：利用静力学分析，计算加载，添加约束，得出应力应变位移结果。在此基础上，进行优化，使其满足安全要求。朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化7第二章：三维建模2.1SolidWorks 软件简介SolidWorks 为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有 Internet 整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的 CATIAV5 就出自该公司之手，目前达索的 CAD 产品市场占有率居世界前列。SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，由于技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势，SolidWorks 公司于两年间成为CAD/CAM 产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得 SolidWorks 每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在 1995-1999年获得全球微机平台 CAD 系统评比第一名；从 1995 年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从 1999 年起，美国权威的 CAD 专业杂志 CADENCE 连续 4 年授予SolidWorks 最佳编辑奖，以表彰 SolidWorks 的创新、活力和简明。至此，SolidWorks 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。2.2 零件的三维造型本毕业设计中，运用 Autocad 2010 编辑二维图，根据二维零部件图，运用朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化8SolidWorks 三维建模软件绘出所有非标准件；根据二维装配图导入标准件和已绘非标准件图，形成水龙头装配图。2.2.1 提环的三维造型提环主要作用是在水龙头工作状态下，支撑起水龙头整体。其 U 型部分受到吊钩的复杂的压力，耳环部分受到提环销周向的载荷。它是一个关键的零部件。根据二维图尺寸提环的三维建模过程如下：图 2.1 提环二维图示意图 进入草图绘制界面单击标准工具栏上的新建按钮。新建 SolidWorks 文件对话框出现。单击零件按钮，然后单击确定。如图所示图 2.2图 2.2 新建零件图 确定绘图基准面新建三个基准面，基准面 1 与右视基准面夹角为 5，基准面 2,3 与基准面 1平行，基准面 2 在基准面 1 向上 150mm，基准面 3 在基准面上 840mm 处，如图朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化9图 2.3 新建基准面 绘制草图单击草图绘制工具栏上的草图实体工具在相应的基准面进行草图绘制。在前视基准面上绘制直径为 115mm 的圆。在基准面 2，基准面 3 上分别绘制直径为 85mm 圆，如图 2.4 为草图实体标注尺寸。图 2.4 草图绘制（5）放样凸台基体通过放样凸台基体，得到所需要的三维图型，如图 2.5朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化10图 2.5 放样凸台基体（6）新建基准面在与前视基准面平行的面上，新建基准面 4，5，基准面 4 与前视基准面相差262.5mm，基准面 5 介于前视基准面和基准面 4 之间，与基准面 4 相差 35mm。如 图 2.6 图 2.6 新建基准面 4，5（7）绘制草图在基准面 4,5 上绘制草图，标注尺寸，如图 2.7，图 2.8朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化11图 2.7 绘制草图图 2.8 草图（8）放样凸台基体通过放样基体凸台，得到所需要的类似圆饼模型，确定后得到如图 2.9图 2.9 放样图朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化12（9）拉伸切除在基准面 5 上绘制草图，通过拉伸切除，将耳环与 U 型环接连处切除一半月形与耳环齐平，得到拉伸切除后的图形，如图图 2.10图 2.10 拉伸切除（10）镜像通过镜像，将拉伸切除后的图形沿基准面 4 为中心面镜像， ，得到图 2.11图 2.11 镜像（11）绘制草图在基准面 5 上绘制草图，圆形直径为 80.50mm，标注尺寸，如图 2.12朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化13图 2.12 草图（12）拉伸切除通过拉伸切除，将图 2.12 草图切除，方向向上，完全贯穿。得到提环完整的耳环部分，得到图 2.13图 2.13 拉伸切除（13）绘制草图新建基准面 6，基准面 6 平行于上视基准面，距离上视基准面 47.50mm。在基准面 6 上绘制草图，如图 2.14朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化14图 2.14 草图（14）拉伸切除将模型拉伸切除，将 U 型环部分变成平面。得到图 2.15图 2.15 拉伸切除（15）镜像沿上视基准面为中心面，将拉伸切除的图形镜像。如图 2.16图 2.16 镜像朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化15（16）镜像将所得到的总模型图沿前视基准面为中心面镜像，得到图 2.17图 2.17 镜像（17）绘制型号草图在基准面 6 上如图位置绘制水龙头型号文字，如图 2.18图 2.18 绘制型号（18）拉伸将文字凸台拉伸，得到所需要模型。如图 2.19朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化16图 2.19 提环三维造型2.2.2 鹅颈管三维造型鹅颈管直管部分与盘根总成相接，弯管部分与水管带相接。它主要负责液体的进入和排出。其三维建模难度相对于其它零部件高些，因为它是非对称结构，建模过程如下。图 2.20 鹅颈管二维图示意图 进入草图绘制界面单击标准工具栏上的新建按钮。新建 SolidWorks 文件对话框出现。单击零件按钮，然后单击确定。 确定绘图基准面在与上视基准面夹角 15新建基准面 4，并绘制草图，在上视基准面上绘制直径为 62mm 的圆，在基准面 4 上绘制直径为 77mm 的圆，标注尺寸。如图 2.21朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化17图 2.21 绘制草图（3）放样薄件将草图放样薄件，得到图 2.22图 2.22 放样凸台基体（4）绘制草图在上视基准面绘制草图，直径 118mm 圆形，标注尺寸，如图 2.23朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化18图 2.23 绘制草图（5）拉伸薄壁通过对草图拉伸薄壁，厚度为 10mm,方向向上。得到图 2.24图 2.24 拉伸薄壁（6）绘制草图和拉伸薄壁在第一啦拉伸薄壁后的上方绘制草图和装饰螺纹线，草图为直径 180mm，装饰螺纹线直径为 178mm，通过拉伸薄壁，薄壁宽度为 30mm，厚度为 32.50mm，方向向上。得到图 2.25朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化19图 2.25 拉伸薄壁（7）绘制草图和拉伸薄壁继续绘制草图通过拉伸薄壁，厚度为 7mm，方向向上。得到图 2.26图 2.26 拉伸薄壁（8）绘制草图拉伸薄壁继续绘制草图，拉伸薄壁，厚度为 25.5mm，方向向上。得到图 2.27朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化20图 2.27 拉伸薄壁（9）绘制草图拉伸薄壁在薄壁上方继续绘制草图，拉伸薄壁，厚度 31mm，方向向上。得到图 2.28图 2.28 拉伸薄壁（10）绘制草图拉伸凸台新建基准面 4，基准面 4 在平行于上视基准面向上 224mm 处，在基准面 4 上绘制草图，草图圆形直径 110mm，对其拉伸凸台基体，方向向下。得到图 2.29朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化21图 2.29 拉伸凸台（11）绘制草图切除拉伸在上视基准面绘制草图，圆形直径为 55mm，对其切除拉伸基体，厚度为189mm，方向向上。得到图 2.30图 2.30 切除拉伸（12）绘制草图在平行于上视基准面上，距离薄壁向上 10mm 处，新建基准面 5，绘制草图，如图 2.31图 2.31 绘制草图朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化22（13）绘制草图拉伸凸台在右视基准面上绘制草图，通过拉伸凸台基体，得到图 2.32图 2.32 拉伸凸台基体（14）绘制草图切除拉伸在基准面 3 上绘制草图，圆形直径为 95mm，通过切除拉伸薄壁，厚度 15mm，方向向上。得到图 2.33图 2.33 拉伸切除（15）倒角对薄壁处理后相应部分 30倒角，如图 2.34朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化23图 2.34 倒角（16）绘制草图新建基准面 5，基准面 5 位于薄壁下方向上距离 10mm 处，在基准面 5 上绘制草图，如图 2.35图 2.35 绘制草图（17）M20 六角头螺栓柱形沉头在薄壁面上绘制草图，制作 M20 六角头螺栓柱形沉头，如图 2.36朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化24图 2.36 M20 六角头螺栓柱形沉头（18）绘制草图拉伸切除通过绘制草图，对其拉伸切除，得到如图 2.37图 2.37 拉伸切除（19）圆角对模型各部分需要圆角的地方圆角处理，得到所需要的模型。如图 2.38，图2.39朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化25图 2.38 圆角图 2.39 鹅颈管模型图2.2.3 零部件建模及装配图本毕业设计中，运用 Autocad 2010 编辑二维图，根据二维零部件图，运用SolidWorks 三维建模软件绘出所有非标准件；根据二维装配图导入标准件和已绘非标准件图，形成水龙头装配图。除了上述几零部件外，还有大量的零部件可通过类似的方法得到，如下为所有零部件图。朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化26图 2.40 盘根总成 图 2.41 上螺帽图 2.42 卡簧 图 2.43 上盘根盒图 2.44 上隔环 图 2.45 冲管盘根图 2.46 冲管 图 2.47 下盘根盒朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化27图 2.48 隔环 图 2.49 下隔环图 2.48 下螺帽 图 2.49 游标尺图 2.50 油帽 图 2.51 提环销朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化28图 2.52 缓冲螺栓垫 图 2.53 压板图 2.54 缓冲垫 图 2.55 放油塞图 2.56 垫片 图 2.57 护丝朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化29图 2.58 接头 图 2.59 中心管图 2.60 下轴套 图 2.61 下隔环图 2.62 下盖 图 2.63 壳体朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化30图 2.64 上隔环 图 2.65 上轴套图 2.66 橡皮伞图 2.67 水龙头装配图朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化312.3 本章小结本章内容主要是通过对水龙头二维图的分析，将水龙头各个零部件进行三维建模，通过使用 SolidWorks 将各个零部件进行装配，使其各零件盒立体化，形象化，可以更直观了解水龙头的结构与功用。朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化32第三章 水龙头零部件校核3.1 主轴承预期使用寿命校核SL160 型水龙头用于钻机中从事钻井生产, 其负荷轴承的正常工作是钻井生产顺利进行的前提条件。然而在 SL160 型及其它型号型水龙头的使用过程中，会出现水龙头仅使用数十小时甚至几小时，就发生转动不灵或不能转动及发热严重等故障，造成了较大的经济损失。相关专家研究表明：水龙头的负荷轴承在工作中发生早期失效。为了解决这一问题，对 SL160 型水龙头负荷轴承的寿命进行计算分析是具有其现实意义。该章节主要内容就是根据水龙头转盘主轴承的实际工况,计算水龙头转盘主轴承预期使用寿命，介绍其计算原理和计算公式，并就深井钻机水龙头主轴承预期使用寿命进行了实例计算和简要分析。3.1.1 对主轴承时间寿命计算式的分析水龙头和转盘主轴承实际寿命的计算公式为： (h) （3-）（ 30CT1）式中， 主轴承额定动载， ； 主轴承实需动载荷， ； 寿命指数，CNCN对滚子轴承， =10/3，对球轴承， =3.0。但用上述公式（3-1）存在以下 3 个问题：1.用公式（3-1）计算主轴承实际寿命，这是不恰当的。我们知道：影响主轴承实际寿命的因素很多，如：主轴承本身的制造质量、主轴承在水龙头和转盘部件中安装的精确性、主轴承实际工况及润滑状况等。相同型号的水龙头和转盘，采用的主轴承型号也相同，但在不同井场使用，即使井深一样，工况不同时主轴承的实际寿命往往是不相同的，有时甚至相差很大。主轴承的实际寿命只有通过现场观测得到，不可能用某一个公式计算出来。因此用式计算主轴承实际寿命，这种做法是不恰当。因此建议应以计算水龙头和转盘主轴承预期使用寿命为宜。2.关于式中常数 3000 的来历，相关文献中将常数 3000 作为主轴承的额定寿命，这在概念上是不准确的。所谓滚动轴承的额定寿命，是指按下式所计算的 值（小L朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化33时）（h） （3-）（ PCnL6012）式中， 滚动轴承的转速， ； 滚动轴承的额定动载荷， ； 滚动min/rCNP轴承的当量动载荷， ； 寿命指数。N由式（3-2）可见，滚动轴承的额定寿命与轴承型号、转速及当量动载荷有关。不同型号及不同工况下的主轴承额定寿命应该是不同的。相关文献中将主轴承的额定寿命取为一固定常数 3000，因而是很不准确的。以此为根据计算主轴承的实际寿命 （见公式（3-1） ） ，其计算结果能否与实际相符，是很难保证的。T3.式（3-1）对主轴承实际工况考虑不充分，式（3-1）中 的计算式为：C（ ） （3-max1 PKnC寿温载N3）式中， 安全系数，若要求主轴承不产生点蚀的机率为 ， ； 超1 95.02.1n载K载系数， 温度系数，水龙头和转盘主轴承温度 ，故 ； 寿温K70温 寿命系数。 水龙头和转盘的最大当量动载荷， 。maxPN本说明书中式（3-1） 、 （3-3）均出自参考文献。由式（3-1）及（3-3）式得出的结论是，主轴承实际寿命取决于主轴承额定动载荷及最大井深。换句话说，同一种主轴承只要最大井深 一样，其实际寿命 按参考文献中公式（本文式（3-1） ）maxLT计算结果都是一样的，这显然是与实际不符的。3.1.2 主轴承预期使用寿命 的计算h水龙头和转盘主轴承承受载荷属变载荷处于变转速工况。因此应根据不稳定变应力时的疲劳损伤累积理论求解主轴承平均载荷 及平均转速 ，然后按本文式mPmn（3-2）进行计算。设井深 ，为使计算简化，可将井深 分为若干个区段。maxLaxL区段分得越细。 及 的计算结果就越接近实际。根据滚动轴承载荷一寿命曲线mPn朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化34方程 （符号含义同式（3-2） ）进行求解。CLP将井深 分为 个区段，设主轴承依次在当量动载荷 及相应转速 下工作，maxS Pn、 为第一种工作状态， 、 为第二种工作状态， 、 为第 种工作状态。1n2PnsnS设各个工作状态主轴承运转时间与总运转时间之比为 ， ， 。现先导出1q2sq及 的计算式。用 ， 表示主轴承在当量动载荷 作用下实际载荷循环次数mPiZi iP及达到极限值时所需的载荷循环次数。根据疲劳损伤累积理论，在主轴承寿命达到极限时有：（3-siiZ14）设主轴承在 ， ， ， 作用下总共工作了 小时（即总纯钻进时间） ，主1P2s H轴承寿命达到极限状态即失效前在载荷 作用下的实际载荷循环次数可按下式计算：iP（3-HqnZii5）如将所有载荷作用次数总和记为 ，则mZ（3-HnqnqZsm)(216）式中， ，称为主轴承平均转速。sm21必须指出，上述 ， ， 可取为各井深区段中主轴承平均当量动载荷，Ps为安全计，本说明书中建议取为各井深区段中主轴承最大当量动载荷（N） ；， ， 可取为各井深区段中主轴承平均转速。1n2sn现假定用一个相当的载荷即平均载荷 来代替所有载荷的作用，在作用 次mPmZ后朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化35主轴承达到极限状态，则式 变为CLP（3-imZP7）于是得（3-miiZP)(8） 将式（3-5） 、 （3-6） 、 （3-8）带入式（3.4）得（3-si simimii nPqZHqn11)(9）由式（3-9）得（3-11)(msiinPq10）其中， （有本说明书式（3-6）可得） sii1（3-11）将式（3-10） 、 （3-11）代入式（3-2） ，并考虑主轴承载荷系数和温度系数的影响，得水龙头和转盘主轴承预期使用寿命为：（h） （3-)(167mFthPfCnL12） 式中， 温度系数，一般情况下水龙头和转盘主轴承工作温度 ，则tf 70；0.1tf载荷系数，取 1.25。F朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化363.1.3 主轴承寿命校核SL160 型 4000m 深井钻机水龙头用轴承采用推力圆锥滚子轴承，型号为99436。其额动载荷为 2391200N。采用机油润滑，润滑条件良好。现根据上述条件及该轴承实际工况，计算其预期使用寿命 。hL解：对于 4000m 井深，本例中分成 4 个等分区段：0-1000m、1000-2000m、2000-3000m、3000-4000m，即区段数 =4，如将区段分得越多，计算的结果会与实际更S加相符。在一口井的整个钻进过程中，转盘转速是变化的，随井深增加转速越来越低，而且井越深，岩层越硬，机械钻速也越低。现将 4000m 井深分为 4 个区段采用的转速及实际机械钻速（均为均值）为：， ；min/3201rnhmv/301， ；45.72， ；i/63rv/43， ；n904hm.各区段内的纯钻进时间为：； ； ；hH3.01H3.15.702 hH250413。45.24总纯钻进时间 为:。 41 6.8140253.1.ii hH各区段轴承运转时间与总运转时间之比为：； ； ； 。048.1q.2q301.3Hq489.04Hq设采用 钻杆，则钻杆单位长度重量为 ，故钻至m9.27 mNg/6.、 、 、 时钻柱重量分别为m1030； ；NgQ316.101 柱 Q27012柱柱朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化37； 。NQ940831柱柱 NQ125404柱柱按各区段主轴承最大当量动载荷计算其预期使用寿命，从而得：； ；P2579367.2.11 柱 P812； 。N63 N90364于是计算得：。nPqmii 5.709813.14503.12141 预期使用寿命为： )(7.315.70982.134562.167 . hPCnLmh 由于计算出的 ，故满足使用要求。hLh7.33.2 壳体校核壳体在使用过程中，需要承受全部轴向载荷，所以壳体是水龙头关键部件，由强度计算公式：(3-13)AQ式中： 壳体主轴承部位所受的剪应力， ； MPa壳体所承受的最大载荷， ；N承载面积， ；A2m-壳体材料的许用剪应力， 。 Pa可以经过比较算的：240-5截 面 最 小Sm朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化38代入数值计算得：81.4902-45163MPa壳体材料选用： ，所以查得： 。由于 ，故经计CrMoZG3523算得出：壳体薄弱部位强度足够。3.3 提环销校核由受力分析得，提环销在工作时主要承受剪切力，所以，按剪切应力公式：58.79041623AQMPa提环销的材料为 ，查得 ，故安全。Cro323a3.4 本章小结该章节主要内容就是根据水龙头转盘主轴承的实际工况,计算水龙头转盘主轴承预期使用寿命，介绍其计算原理和计算公式，并就深井钻机水龙头主轴承预期使用寿命进行了实例计算和简要分析。我们通过对主轴承使用寿命的计算，校核，对水龙头壳体，提环销的校核。发现我们的设计完全符合其要求，这对水龙头整体的优良性能得到了保障。朱洋 石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化39第四章 有限元分析4.1 有限元分析软件简介ANSYS 是目前世界顶端的有限元商业应用程序，是融结构、流体电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换,是现代产品设计中的高级工具之一。ANSYS 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。可以对机械结构的静、动态力学特性进行分析。静力分析