ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计【PROE三维图纸】

ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计

68页 19000字数+说明书+任务书+开题报告+外文翻译+PROE三维图【详情如下】

PROE三维图

ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计开题报告.doc

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外文翻译--认识曲柄摇臂机构设计的最优传动方法.doc

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摘  要

　　　石油钻机是油田油气勘探开发极其重要的工具。石油钻机一般由旋转设备、循环系统设备、起升系统设备、动力驱动设备、传动系统设备、控制系统设备、钻机底座和辅助设备组成。绞车是石油钻机速度变化及维持外头恒定钻压的重要机构，是钻机的核心部件，直接决定着钻机钻进能力。传统机械传动绞车体积大、质量重、结构复杂，很难较好地满足新型钻井工艺的要求。ZJ50 绞车传动简单，结构紧凑，功率大且利用率高，调速性能好，安全可靠。

　　　本文在对ZJ50型绞车的整体结构及工作原理认真研究的基础上，运用Pro/E对ZJ50绞车传动系统的所有组成元件进行三维建模；并对滚筒、滚筒轴等重要部件进行安全校核；最后运用ANSYS对滚筒、滚筒轴和滚筒轴装配体进行有限元分析，根据分析结果判断ZJ50型绞车设计是否合理，能否满足正常工作要求。ZJ50型绞车传动系统的设计优化为绞车发展提供理论参考，具有一定的工程应用价值。

关键词：绞车传动系统，Pro/E，滚筒和滚筒轴，ANSYS，静态和模态分析

Abstract

　　　Oil drilling rig is a very important tool in exploration and development of oil and gas. Oil drilling rig generally consists of Rotating equipment, recycling equipment, lifting equipment, power equipment, transmission equipment, control systems and equipment, drilling rig substructure and auxiliary equipment. The winch is an important mechanism of drill speed changes in oil and maintains constant drilling pressure and is also a core component of a drilling rig, directly determining the drilling ability. Traditional mechanical draw works bulky, heavy, complicated construction, so it is difficult to satisfy the requirement of new drilling technology.ZJ50 winch is simple, compact structure, large power and high utilization rate, good speed performance, safe and reliable.

　　　Base on the study of the overall structure and working principle of ZJ50 winch, we make three-dimensional modeling of components of transmission system by Pro/E. And then check the safety of drum, drum shaft and other important components. Last, finite element analysis on the drum, drum shaft and drum shaft assembly by ANSYS. From the results of the verification ，we know that the design of ZJ50 winch is reasonable, and it can meet the normal requirements. The optimization of ZJ50 transmission system provides a theoretical reference for the winch development, and has certain engineering application value.　　

Key Words: Winch transmission system, Pro/E, Roller and roller shaft, ANSYS, The static and modal analysis

目   录

摘要

Abstract

第一章  绪论1

1.1石油钻机结构简介1

1.2绞车的结构简介1

1.3绞车的功能及分类2

1.4本次毕业设计的研究背景与意义3

1.5石油钻机国内外的发展状况4

1.5.1石油钻机国内的发展状况4

1.5.2石油钻机国外的发展状况5

1.6本次毕业设计目的7

1.7本次毕业设计的任务及要求8

第二章 ZJ50型绞车传动系统介绍10

2.1 ZJ50型绞车的主要技术标准及设计原则10

2.1.1 绞车的使用工况及要求10

2.1.2主要技术标准及设计原则10

2.2 ZJ50型绞车结构及工作原理11

2.2.1绞车结构组成11

2.2.2 绞车工作原理12

2.3 绞车传动系统参数13

第三章  零件的三维造型14

3.1三维造型概念14

3.2 Pro/E 概述14

3.3 Pro/E的特点和优势14

3.4具体的零部件造型16

3.4.1中间轴链轮的绘制16

3.4.2整个传动系统零部件的装配图及爆炸图26

3.5零件图绘制总结29

第四章  ZJ50型绞车传动系统主要部件的计算校核30

4.1主刹车带校核30

4.1.1钢（刹）带两端的拉力和制动力的计算30

4.1.2钢（刹）带强度校核计算32

4.1.3钢（刹）带铆接强度校核计算32

4.2主刹车带校核结论33

第五章 ZJ50型绞车传动系统关键零部件的有限元分析34

5.1有限元法应用34

5.1.1 ANSYS软件简介34

5.2 ZJ50型绞车滚筒的静力分析34

5.2.1 建立滚筒模型34

5.2.2 滚筒材料温室性能参数35

5.2.3 模型的网格划分35

5.2.4 边界条件36

5.2.5 载荷工况分析36

5.2.6 求解并分析结果37

5.3 ZJ50型绞车滚筒的模态分析39

5.3.1 滚筒有限元模型的建立39

5.3.2 施加约束并求解39

5.3.3模态结果分析39

5.4 ZJ50型绞车滚筒轴的静力分析43

5.4.1建立滚筒轴模型43

5.4.2 滚筒轴材料温室性能参数44

5.4.3 模型的网格划分44

5.4.4 边界约束条件45

5.4.5 载荷工况分析45

5.4.6 求解并分析结果46

5.5 ZJ50型绞车滚筒轴的模态分析48

5.5.1 滚筒轴有限元模型的建立48

5.5.2 施加约束并求解48

5.5.3 模态结果分析49

5.6 ZJ50型绞车滚筒轴装配体有限元分析52

5.6.1 建立滚筒轴装配体有限元分析模型52

5.6.2 材料属性定义53

5.6.3 网格划分53

5.6.4 定义边界条件并施加载荷54

5.6.5 求解并分析结果55

总结与展望

致谢

参考文献

1.1石油钻机结构简介

  在石油钻井中，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。一部常用石油钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。一般有八大系统（起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统和监测显示仪表、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统），要具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。其主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头（动力水龙头）及钻井泵（现场习惯上叫钻机八大件）、动力机（柴油机、电动机、燃气轮机）、联动机、固控设备、井控设备等。

1.2绞车的结构简介

　　　钻井绞车是钻机起升系统设备之一，是钻机的核心部件。基本结构构成：1、滚筒、滚筒轴总成；2、制动机构：主刹车和辅助刹车；3、猫头和猫头轴总成；3、传动系统：传递动力、内变速（多挡位）；4、控制系统：离合器、摘挂挡、司钻控制台；5、其它：润滑系统、壳体支撑系统。1.3绞车的功能及分类

主要功能：1、起下钻具和下套管；2、控制钻压和送进钻具；

其它功能：根据绞车结构形式不同附带的功能也不同。1、带猫头结构：上卸钻具丝扣、起吊其它重物等；2、整体起放井架和底座；3、双滚筒绞车：钢丝捞砂作业、提取岩心。

要求：1、绞车要有足够大的功率。满足最大拉力、最高转速、足够的寿命；2、绞车滚筒要有足够的尺寸和缠绳容量；3、绞车要适应宽范围的载荷变化，要有最高的功率利用率；4、绞车要有灵敏、可靠的刹车机构和足够能力的辅助刹车，能够准确地调节钻压，均匀送进钻具，控制钻具下放速度，刹车机构要耐热、耐磨；5、绞车要具有刚劲的支架和底座；密闭润滑；6、司钻操作要省力、方便。

根据绞车功能不同有不同的绞车结构：1、带捞砂滚筒和不带捞砂滚筒，即通常说的单滚筒绞车和双滚筒绞车；2、无猫头轴绞车。钻机钻台上单独配置液压猫头。

根据绞车传动形式不同有不同的绞车结构，这是绞车设计中变化最多的结构。1、单轴绞车。绞车只有滚筒轴，结构非常简单。典型实例：车装钻机绞车外变速（阿里森变速箱）；交流变频传动调速电机驱动绞车；2、双轴绞车：类似于单轴绞车，绞车内无变速功能，只是比单轴绞车多了猫头轴；3、三轴绞车：绞车中增加了一根动力输入的传动轴，绞车内变速。其结构较单、双轴复杂。我国早期和传动的绞车都是这种形式；4、多轴绞车：将四轴以上的绞车都称之为多轴绞车。即动力输入轴、中间轴（多根）、猫头轴、滚筒轴；5、独立猫头轴－多轴绞车：绞车主体（输入轴、中间轴、滚筒轴等）低位安装，位于后台底座，小功率的猫头轴高位安装，位于钻台上；6、齿轮传动单轴绞车：现在电驱动钻机中普遍实用的结构，直流或交流变频调速电动机直接驱动减速或变速齿轮箱，以驱动滚筒轴。

（6）根据绞车制动形式不同有不同的绞车结构：1、近距离刹车制动绞车；2、远距离带刹车制动绞车；3、气动无刹把带刹车制动绞车；4、液压盘式刹车制动绞车；5、水刹车辅助刹车绞车；6、电磁涡流刹车辅助刹车制动绞车；7、水冷气动盘式刹车辅助刹车制动绞车。

8、能耗制动无辅助刹车绞车。

1.4本次毕业设计的研究背景与意义

　　　据我国海洋石油2015 年远景规划，我国将有30 多个油田待开发，需建造70 多座平台，新建和改造10 多艘FPSO，其中中海油需建造55 座海洋平台，6 艘FPSO，4 个陆地终端、铺设海底管线1000 多公里，投资总量每年将以百亿元以上递增。在此背景下，作为海洋工程装备必不可缺少的海洋钻机必定有大量的市场需求。另外目前我国在用钻井设备大多属于较落后的机械钻机，由于机械钻机存在工作效率低、劳动强度大、安全性差等缺点，因此急需进行更新，从而将产生大量更新需求。

　　　ZJ50型绞车传动是钻机的传动系统之一，它不但担负钻机起下钻具和下管套及上卸扣，还担负着钻头钻进过程中控制钻压、处理事故，以及提取岩芯筒、试油等作业。同时还担负着井架及钻机前后台起升和降落任务。传统机械传动绞车体积大、质量重、结构复杂等缺点，很难较好地满足新型钻井工艺的要求，ZJ50型绞车传动系统克服传统机械驱动绞车的不足，具有钻井性能好、启动平稳、绞车功率大、调速性能好、功率利用率高、安全可靠、绞车操作省力，控制先进，传动简单 ，结构紧凑，调速范围大，效率高,寿命长，工作安全可靠等特点。较好的简化了绞车结构。并具有适应性强、经济性好、结构新颖的特点。1.7本次毕业设计的任务及要求

  1．通过对ZJ50型绞车的工作原理、结构组成和传动系统的研究，阐述ZJ50型绞车具有传动简单，功率大且利用率高，调速性能好，安全可靠等优点。

  2．运用三维造型软件Pro/E完成ZJ50型绞车的传动系统的三维建模。

  3．对ZJ50型绞车传统系统中的传动轴、滚筒、主刹车带进行安全校核，根据校核结果判断各部件是否能满足正常工作要求。

  4．运用有限元分析ANSYS软件对ZJ50型绞车传动系统的滚筒轴、滚筒、输入轴、中间轴等主要部件进行有限元的静力学分析和模态分析，根据分析结果判断传统系统中各主要部件是否满足绞车的正常工作要求。　　　绞车是钻机起升系统的主要设备，也是钻机的核心部件，它的主要任务是：用来起、下钻具；悬持静止的钻具；在钻进过程中控制钻压、送进钻具；利用猫头机构上、卸钻具丝扣；起吊重物及进行井场的其它辅助工作；另外有的绞车往往还充当转盘的中间变速传动机构。根据上述工况对绞车提出了以下要求：

（1）绞车要有足够大的功率，在最低速转速下钢丝绳能产生足够大的拉力，以保证游动系统能起升最重的钻具载荷；有一定的解卡能力，并能完成具有最大载荷的下套管作业；短时最大载荷作用下要有足够的强度、刚度；在绞车使用期限内，滚筒、滚筒轴、轴承及传动件要有足够的寿命。

（2）绞车要有足够的尺寸和容绳量，并应保证缠绳状态良好，以延长钢丝绳寿命；绞车要适应起下钻重量的变化，有足够的起升档数或能无级调速，用以提高功率的利用率，节省起升时间。

（3）绞车要能适应起重量的变化，有足够的提升档数，最好能无极调速，以便提高功率利用率，节省起下钻时间。

（4）绞车要有灵活而可靠的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确地调节钻压，均匀地送进钻具。

（5）绞车应配备猫头机构，以供紧、卸钻具丝扣和向钻台起吊重物。

（6）绞车应具有刚劲的支架和底座。中型绞车整体运输，其重量应在 10t 以内，重型和超重型绞车要使拆散运输的单元在 15t 以内。传动部分要有严密的防护罩，并应润滑充分；在结构安排上应保证易损件拆修简便。

（7）绞车的控制手柄、刹把、指重表等相对集中于司钻控制台，以便于操作。

2.1.2主要技术标准及设计原则

ZJ50型钻机设计制造原则

（1）钻机绞车设计制造原则依据“先进、可靠、安全、方便、经济”的原则；

（2）绞车采用模块化设计，将驱动与绞车连成整体，增强了钻机的移运性，减少安装工程量；

（3）绞车配套件：轴承选用中国制造的西北轴承厂优质轴承，推盘离合器选用中美合资SJS厂家产品，辅助刹车采用伊顿刹车。滚筒主刹车采用带刹，滚筒采用整体开槽滚筒，所有运动部件采用强制润滑；

（4）驱动部位不可以带泥浆泵；

（5）设计时，主要关键件（如链轮、轴）等均采用优质合金钢，并且通过热处理获得优良性能；

（6）底座设计能适应UNIT公司的装运方式。

设计执行的主要技术标准

　　　API Spec7      旋转钻井设备规范

　　　API Spec7F     油田用链条和链轮规范

　　　API Spec7K     旋转钻柱部件规范

　　　API Spec8A     钻井和采油提升设备规范

　　　API Spec9A     钢丝绳规范

　　　API RP500      石油设备电气装置安装场所分类

2.2 ZJ50型绞车结构及工作原理

2.2.1绞车结构组成

   ZJ50型动力绞车采用模块化设计，将两台500H.P.动力机底撬与绞车底撬合成整体，并合理地将机、电、气、液有机的结合在一起，控制绞车的各个动作，使绞车结构更紧凑，操作更方便、安全，增强了钻机的移运性，减少了设备安装的工作量。ZJ50型动力绞车的结构主要由绞车架、链条箱、滚筒轴、输入轴、中间轴、猫头轴、输出轴、伊顿刹车、渐开线花键换挡机构、防碰天车装置、润滑系统、气控系统等几大部分组成。绞车为密封墙板式五轴绞车。绞车内部采用气路控制PO型推盘离合器和气胎离合器，离合方便可靠，在滚筒轴分别获得八个正档和两个倒档时的操作控制过程中，动力机无须停车。绞车主刹车采用带式刹车机构（双杠杆），辅助刹车为236WCB2伊顿刹车。滚筒轴上的高低速离合器及输出轴上的惯刹离合器均采用PO型推盘离合器。绞车传动链条均采用强制密封润滑。各个护罩均为刚性结构焊接件。整个绞车安装在一个用金属材料焊接而成的绞车底撬上，输入轴、中间轴、滚筒轴和猫头轴通过轴承座固定在绞车墙板孔内，滚筒轴一侧装有伊顿辅助刹车，滚筒轴另一侧装有气控箱及带刹的刹把，便于集中操作，滚筒轴滚筒的下面，绞车底撬上装有刹车机构，通过刹带与滚筒刹车鼓组成刹车的主制动系统。在绞车外部装有刚性结构焊接件的各个护罩，以保证操作安全，防止传动机构受外界环境的影响，并避免润滑油外溅。

2.2.2 绞车工作原理

　　　动力绞车的动力由两台500H.P.动力机提供，动力经液力变矩器减速增矩，再通过双LT600/125离合器传到链条箱。在链条箱中两台动力机的动力可通过链轮（Z=32）并车，并由链轮（Z=31）将动力传到输入轴上。通过操作控制三套换档机构，输入轴上的三只链轮（Z=28、Z=33、Z=28）和一只齿轮（Z=80），与中间轴上的三只链轮（Z=33、Z=28、Z=46）和一只齿轮（Z=96）实现组合，使中间轴可获得四正一倒的转速。中间轴的链轮（Z=24）通过3-1 3/4″链条带动滚筒轴上高速端的空套链轮（Z=32）转动；另一链轮（Z=19）通过3-1 3/4″链条将动力传到猫头轴，并由猫头轴上的链轮（Z=24）通过3-1 3/4″链条带动滚筒轴低速端空套链轮（Z=62）转动。由滚筒轴上高、低速端的两只离合器（PO330、PO324）的离合，可使滚筒轴获得八正两倒的转速。驱动钻井转盘的动力由滚筒轴上高速端空套链轮（Z=32）通过2-1 3/4″链条，传递到转盘驱动轴空套链轮（Z=27）上，由转盘驱动轴上离合器（PO218）的离合，将动力通过链轮（Z=20）、2-1 3/4”链条带动转盘转动，转盘可获得四正一倒的转速，如图2.1所示。绞车的辅助刹车采用先进的美国伊顿公司236WCB2刹车，与滚筒轴之间采用渐开线花键联接，手动离合。　　　在对ZJ50型绞车的传动系统及工作原理认真研究的基础上，根据绞车的实际工作情况，对绞车的刹车进行最大静强度的计算校核，校核结果表明，关键部件能够满足绞车的正常工作要求，并且具有一定的安全余量。最后运用ANSYS对滚筒、滚筒轴和滚筒轴装配体进行有限元分析，分析结果表明，ZJ50型绞车设计合理，能够满足正常工作要求。本文主要完成了以下几项工作：

（1）ZJ50型绞车传动系统的学习研究方面：介绍了钻井工作对绞车的要求及绞车设计的原则和技术标准，绞车传动系统的功能和工作原理。在对ZJ50型绞车的传动系统、工作原理、结构组成的研究基础上，阐述了ZJ50型绞车具有传动简单，结构紧凑，功率大且利用率高，调速性能好，安全可靠等优点。

（2）ZJ50型绞车传动系统的三维结构建模方面：运用三维造型软件Pro/E完成ZJ50型绞车的传动系统的三维建模。

（3）ZJ50型绞车传动系统关键部件校核方面：对ZJ50型绞车传统系统中的刹车进行力学计算校核，校核结果表明绞车传动系统关键部件能够满足工作要求。

（4）在绞车的有限元分析方面：利用 ANSYS 建立ZJ50型绞车传动系统的主要零件如滚筒轴、滚筒和滚筒轴装配体的有限元模型，科学合理地确定了它们的约束条件和载荷分布；分别对滚筒轴、滚筒和滚筒轴装配体进行静态分析得到了滚筒轴、滚筒轴和滚筒轴装配体的应力图、位移图，通过对数据进行分析可知它们具有较好的强度和刚度；分别对滚筒轴、滚筒进行模态分析得到了他们前六阶固有频率和相应振型，数据表明其抗振性好，满足绞车正常工作要求。

　　　本毕业设计虽然能够圆满完成，但由于时间问题，未能完成以下几点：

（1）在滚筒和滚筒轴的有限元静态分析中，还需要进一步研究载荷的施加方式，包括载荷的精确计算，考虑轴承油膜的刚度、阻尼特性，采用接触算法等。

（2）本课题在计算机模拟环境下利用仿真软件进行仿真时，由于建模时的结构简化、模型误差等因素，其结果和实际情况会有所偏离，所以有待于等样机生产出来以后对分析中所得数据的进一步验证，使之更加合理化。

　　　总之，作者希望通过本毕业设计给大家提供一个开发ZJ50型绞车的新思路。通过理论计算分析，运用现代设计方法进行有限元分析，验证了ZJ50型绞车能够满足工作要求。当然在本文设计中还存在不足之处，作者将在日后的学习和工作过程中继续积累经验，对ZJ50型绞车作进一步的研究。

  通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。　　　

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