ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计[三维PROE]
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ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计专 业：机械设计制造及其自动化学 生： 杨峰 指 导 教 师： 赵 毅 红完 成 日 期： 2014.05.20 扬州大学广陵学院摘 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AbstractOil 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11.1石油钻机结构简介11.2绞车的结构简介11.3绞车的功能及分类21.4本次毕业设计的研究背景与意义31.5石油钻机国内外的发展状况41.5.1石油钻机国内的发展状况41.5.2石油钻机国外的发展状况51.6本次毕业设计目的71.7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102.1 ZJ50型绞车的主要技术标准及设计原则102.1.1 绞车的使用工况及要求102.1.2主要技术标准及设计原则102.2 ZJ50型绞车结构及工作原理112.2.1绞车结构组成112.2.2 绞车工作原理122.3 绞车传动系统参数13第三章 零件的三维造型143.1三维造型概念143.2 Pro/E 概述143.3 Pro/E的特点和优势143.4具体的零部件造型163.4.1中间轴链轮的绘制163.4.2整个传动系统零部件的装配图及爆炸图263.5零件图绘制总结29第四章 ZJ50型绞车传动系统主要部件的计算校核304.1主刹车带校核304.1.1钢（刹）带两端的拉力和制动力的计算304.1.2钢（刹）带强度校核计算324.1.3钢（刹）带铆接强度校核计算324.2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345.1有限元法应用345.1.1 ANSYS软件简介345.2 ZJ50型绞车滚筒的静力分析345.2.1 建立滚筒模型345.2.2 滚筒材料温室性能参数355.2.3 模型的网格划分355.2.4 边界条件365.2.5 载荷工况分析365.2.6 求解并分析结果375.3 ZJ50型绞车滚筒的模态分析395.3.1 滚筒有限元模型的建立395.3.2 施加约束并求解395.3.3模态结果分析395.4 ZJ50型绞车滚筒轴的静力分析435.4.1建立滚筒轴模型435.4.2 滚筒轴材料温室性能参数445.4.3 模型的网格划分445.4.4 边界约束条件455.4.5 载荷工况分析455.4.6 求解并分析结果465.5 ZJ50型绞车滚筒轴的模态分析485.5.1 滚筒轴有限元模型的建立485.5.2 施加约束并求解485.5.3 模态结果分析495.6 ZJ50型绞车滚筒轴装配体有限元分析525.6.1 建立滚筒轴装配体有限元分析模型525.6.2 材料属性定义535.6.3 网格划分535.6.4 定义边界条件并施加载荷545.6.5 求解并分析结果55总结与展望致谢参考文献ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计杨峰 机械81001第一章 绪论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。图一图二1.3绞车的功能及分类（1） 主要功能：1、起下钻具和下套管；2、控制钻压和送进钻具；（2） 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。（3） 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。（4） 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。（5） 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。1.5石油钻机国内外的发展状况1.5.1石油钻机国内的发展状况 纵观我国石油钻机的历史，其发展主要由4个因素所决定：一是钻机的有效使用年限，它决定其更新或改造周期。二是钻探深度(地质构造)，它决定钻机的市场方向是浅井、中深井还是深井。三是从钻机的效率和效益出发，决定钻机的驱动形式是机械驱动或是电驱动，结构型式是橇装还是车装。目前国内陆地石油钻井业中，浅井钻机、中深井和深井钻机兼而有之，以中深井较多；在驱动型式上以机械驱动为主；在结构方式上以橇装为主。四是市场的有效需求，它决定钻机的发展规模。自2o世纪9o年代以来，由于钻机制造技术、部件质量和研发能力的提高，研发速度加快，研制成功 6oL型、 6oD型和 60DS型机械驱动钻机和电驱动钻机，并朝系列化、标准化、多样化方向发展，钻机的性能指标已达到GB1806-86的规定。国产钻机已形成系列，钻深有1 500、2 000、3 200、4 500和6 000 m；驱动方式除常规的柴油机-胶带驱动和柴油机-液力变矩器驱动外，还有AC-SCR-DC驱动。尤其是4 500 m以浅钻机在提高移运性上成绩斐然，橇装钻机模块化程度大大提高，其中3 000 m 以浅钻机采用自走式运载车、伸缩式井架，大大降低了移运成本，且均拥有自主知识产权 。目前，我国石油钻机的品种和质量基本满足了国内不同地区、不同井深的需要。已有一批国产石油钻机在国外承担钻井作业服务，有一些在国内区块承担反承包钻井，并受到好评。从国内钻机生产能力上看，宝鸡石油机械厂、兰州石油化工机器总厂、四川宏华公司等主要生产中深井钻机；江汉四机厂主要生产、3 000 m以浅车装浅井钻机；南阳石油机械厂主要生产车装和橇装模块式中浅井钻机，生产的替代大庆130型的模块化钻机，已经过多井次的工业化试验。该厂3 000 m车装钻机已生产3O多台，目前有20余台车装及橇装钻机在国外服务，其中由长城钻井公司牵头组织、南阳石油机械厂生产的 l20K钻机自1997年就开始在加拿大进行钻井作业，使用情况良好。此外，北京石油机械研究所与大港新世纪机械制造有限公司共同完成了D(_一30Y顶驱工业性试验，北石所研制的为ZJTOD配套的顶驱已在克拉玛依和塔里木完成2口井的工业试验。南阳石油机械厂引进意大利轻便顶驱技术与3 000 m车装钻机配套后到印尼服务，与石油大学(北京)合作的盘式刹车技术已应用于3 O00 m钻机，并投放到胜利油田及墨西哥市场。1.5.2石油钻机国外的发展状况 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、德国、法国、意大利、加拿大、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机。其中美国的钻机技术和销售业绩在世界上稳居首位，所以与国际技术接轨，实际上是与以美国为代表的钻机技术及API规范接轨。就我国目前普遍使用的机械驱动钻机而言，美国在20世纪60年代已经成熟，到70年代得到迅速发展。近年来，国外钻机在传动方式和结构形式方面发展很快，交流变频电驱动已经广泛使用，顶驱发展也十分迅速。今后石油钻机的发展趋势是多样化、两极化、自动化和人性化。1类型趋于多样化 近几年来，根据井位环境差异和钻井工艺需要，开发出不同类型的石油钻机，如适应各种环境的沙漠钻机、海洋钻机、浅海或海滩钻机、极地钻机、城市钻机、地震区钻机、全地彩钻机、直升机吊运钻机和陆地钻机等；适应各种钻井工艺的丛式井钻机、斜井钻机、小井眼 右机、特深井钻机、自走式钻机、自动化钻机、柔杆钻机、模块化钻机等 引。尽管钻机的类型多种多样，但新型钻机的发展有一个共性，即在重视钻机作业性能的基础上，逐步重视钻机的移运性能。这是因为对钻井承包商而言，其钻井成本主要包括两方面：一是直接钻井成本，二是辅助钻井成本，包括运载成本和停工成本，而运载成本和停工成本均与钻机本身有直接关系。2规模趋于两极化 石油钻机在规模上有两极发展的趋势，即深井钻机大型化和轻便钻机小型化。(1) 深井钻机趋向大型化 钻深能力已达l5000 m，最大钩载达12 500 kN。为了提高起升工作效率，绞车功率趋向于提高。美国Emseo公司研制的号称世界上第一台输人功率为3 676 kW 的绞车已问世，该绞车由4台大扭矩的直流电动机驱动，采用强制水冷盘式刹车，起升钢丝绳直径5Omln。钻井泵单台最大功率l 618 kW ，最高压力527 MPa。原苏联、罗马尼亚的钻机系列中，绞车输人功率最大l 838 kW。特深井钻进都采用4个单根组成的立柱，故井架高度超过50m。德国KTB超深井使用的uIBlGH3OOOEG钻机，井架最高为63 m。考虑安装防喷装置的需要，井架底座最高达l212 m。一般在深井中都用339725 mill70 MPa的防喷器组。随着钻大井眼的需要，大尺寸高压防喷器也有新的发展，德国KTB超深井中已使用47625 mln70MPa防喷器组。目前美国可提供47625 mill105MPa防喷器。为了把环形防喷器工作压力从35MPa提高到70 MPa，美国Shatter公司推出了两个串联胶心的环形防喷器。另外，还推出快拆法兰结构防喷器，拆换胶心方便，省去现场装卸螺栓的繁重劳动 。(2) 轻便石油钻机趋向小型化 为了适应浅海、海滩、沙漠、丘陵地带油气藏的勘探，国外公司在20世纪6o年代开始研制模块式钻机。美国在1973年设计了TBA1000型系列钻机，经济钻深为l 800-6 000 m，结构紧凑、质量轻，模块化设计，每个模块质量不超过18 t，既可用直升机运输，也可用雪橇、履带车、船舶等运输。轻型钻机主要以车装钻机为主，美国是世界上生产车装钻机较多的国家，使用也很广泛，3 500 m以浅的井几乎都使用车装钻机。其传动特点是设备布置成组集中，动力机组、传动装置、绞车和井架等均在同一自走车上，机泵组安装在可整拖的大底座上，采用液压机构起放井架。最小的微型钻机采用小井眼钻井技术，钻深可达l 500 m，体积小，质量轻，最轻的只有14 t，节省钻井费用30 一4o ，减少拆装时间6ook一70ok，节约钻井液88ok，减少井场面积70ok，是经济效益最好的一种石油钻机。3 控制趋于自动化 顶驱、盘式刹车技术的逐步成熟，以及电动控制技术、液压驱动技术和可靠性的逐步提高，为实现钻机控制的自动化提供了可能，再加上海洋及深井等复杂工况下，钻井工艺及成本对钻井装备的要求使得钻机控制自动化成为钻机发展的一个重要趋势。顶部驱动装置克服了转盘钻井方式的缺陷，给钻井作业带来了诸多好处，既可满足复杂作业工况需求，提高作业效率，又使作业更安全。盘式刹车替代原带式刹车，作为20世纪8O年代后期发展起来的一项新技术，以其制动力矩容量大、稳定、安全、可靠等特点，可实现遥控操作，易实现自动送钻，易维护，长寿命，易系列化设计和专业化生产。电驱动用于钻机最早开始于20世纪5O年代中期，随后逐步完善、成熟。与机械驱动相比，电驱动具有操作安全、维修保养方便、易于实现自动控制等特点，特别是全数字系统的出现，使得电驱动系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。电驱动可以通过编程控制器获得很多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。液压驱动具有转换容易、体积小、质量轻等特点。全液压驱动的绞车、转盘和钻井泵由挪威MH公司于2o世纪90年代推出，与此之前推出的全液压顶驱、管排放系统、液压机械手及天车型液压升沉补偿器，构成了海洋钻机机械化、智能化操作系统。4设计趋于人性化新型钻机充分体现以人为本的思想，最大限度满足HSE要求：护栏、梯子要满足安全规定。上下井架有助(阻)力器，二层台有逃生器，钻台有逃生滑道。钻机设有天车防碰和紧急刹车装置，避免游车大钩碰撞天车，并能在任何情况下迅速制动大钩和绞车。选用无公害的摩擦盘(片)、刹车块、油漆，保证员工健康。刹车毂、辅助刹车的冷却水循环使用，柴油机排放满足环保要求。1.6本次毕业设计目的 绞车是钻机的核心部件，是钻机起升系统的主要设备，它在钻井工作中起着极其重要的作用。ZJ50型绞车具有钻井性能好、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。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型绞车系统的所有组成元件进行三维建模；并对滚筒、滚筒轴、中间轴、输入轴等重要部件进行安全校核；最后运用ANSYS对中间轴装配体进行有限元分析。图三 ZJ50型石油钻机的整体平面布置方案图四 绞车传动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。第2章 ZJ50型绞车传动系统介绍2.1 ZJ50型绞车的主要技术标准及设计原则2.1.1 绞车的使用工况及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。图五 ZJ50型绞车传动示意图2.3 绞车传动系统参数绞车基本参数如表一所示：表一绞车基本参数最大输入功率735Kw（1000HP）滚筒轴最大直径230mm滚筒刹车直径1168228（469）滚筒中心直径与长度5331028（21401/2）滚筒驱动链为13/4P，三排链传动链13/4P，双排链驱动链11/4P，三排链驱动速度正转速度：4反转速度：2滚筒速度正转速度：8反转速度：2总高、底座宽度、总长2394mm、2150mm、8859mm第三章 零件的三维造型3.1三维造型概念三维造型: CAD的三维造型有三种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，也就是分别对应于用一维的线，二维的面和三维的体来构造形体。通过计算机辅助设计建立的立体的、有光的、有色的生动画面，虚拟逼真地表达大脑中的产品设计效果，比传统的二维设计更符合人的思维习惯与视觉习惯。三维造型技术从最初的三维CAD已发展到目前专用的基于特征造型的三维软件，常用软件有UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT、Pro/E、3DS max等。本次毕业设计所需绘制的零件我全部采用Pro/E 4.0进行造型。3.2 Pro/E 概述 在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了全面、集成紧密的产品开发环境。是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。3.3 Pro/E的特点和优势 经过20多年不断的创新和完善，pore现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势： 参数化设计和特征功能： Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库： Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。 例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 3.4具体的零部件造型 针对ZJ50型石油钻机绞车传动系统的设计，主要传动零件有输入轴、中间轴、猫头轴、滚筒轴以及转盘过桥轴，各个轴之间通过齿轮或者链轮进行运动及能量的传递。以下是几个关键零部件的造型详解：3.4.1中间轴链轮的绘制 首先根据二维图的图纸说明，分析绘图顺序。 根据图纸说明，我先绘制外部整体轮廓，在打开Pro/E设置好各种参数后，首先点击（旋转）按钮，然后选取一个草绘平面RIGHT面（如下图）添加中心线（如下图）根据二维图尺寸绘制如下图草绘完成后点击按钮，然后选取旋转中心轴，最后点击下图右上角的绿色勾子按钮完成外部轮廓的绘制（如下图）。接下来绘制链轮的内孔，点击（拉伸）图标，选取链轮的外端面作为草绘平面，如上述说明一样绘制二维图纸的要求尺寸，如下图点击完成草绘如下图点击如图所示图标实现反向拉伸，如下图再点击去除材料，最后点击去除拉伸的深度，为了方便起见，我可以选择拉伸去除材料至某个面，点击图标，然后选择链轮的另一端面作为拉伸去除材料的终止面（如下图）最后点击右上角的绿色勾子完成拉伸内孔的绘制如下图最后来对链轮链齿进行造型，点击拉伸图标，选取如图所示曲面作为草绘平面添加好中心线后先绘制链轮的齿根圆、齿顶圆以及分度圆，如下图所示再以中心线与分度圆的交点为圆心画链轮的基圆如下图所示根据链轮齿数要求，添加一条中心线如图所示（角度为360/齿数）同样，以新添加的中心线和分度圆的交点为圆心再画一个基圆如下图所示然后点击图标，绘制一条曲线使其与两圆均相切，（可随意画最后点击约束条件，约束相切即可），如下图所示点击修剪曲线至如下图所示镜像上面红色的曲线（先选中该曲线，再点击，然后选择竖直的中心新为对称线镜像），得到如下图在进行修剪曲线至下图点击完成草绘图标完成链轮齿缺口的草绘，依次点击反向拉伸和去除材料两个图标，再点击拉伸至曲面图标，选择链轮另一个端面，如下图所示点击完成图标完成一个链齿缺口的绘制，如下图紧接着点击阵列图标，选择以轴阵列，选取中心轴作为旋转阵列轴，依次设置下图参数得到下图预览图点击完成图标，最终完成整个的链轮绘制，如下图3.4.2整个传动系统零部件的装配图及爆炸图 通过上述Pro/E的使用，我将整个石油钻机传动系统的五根轴都绘制了出来，如下图所示输入轴的三维建模及其爆炸图 输入轴总成主要由输入轴，换挡链轮，摩擦毂，换挡齿轮，轴承，轴承座，齿轮等组成。中间轴的三维建模及其爆炸图中间轴总成主要由中间轴，齿轮，换挡链轮，轴承，轴承座，套筒等组成。滚筒轴的三维建模及其爆炸图滚筒轴总成主要由滚筒，滚筒轴，左链轮，右链轮，轴承，左右轴承座，轴套，轮毂，连接盘等组成。猫头轴的三维建模及其爆炸图猫头轴总成主要由猫头轴，左右链轮，轴承，轴承端盖，轴承座，键等组成。转盘过桥轴的三维建模及其爆炸图转盘过桥轴总成主要由转盘轴，链条箱，链轮，轴承座，轴承，端盖等组成。3.5零件图绘制总结 通过Pro/E的使用，对ZJ50型石油钻机绞车传动系统的设计，我们可以很直观的看到具体零部件的样子以及各个传动件之间的相互关系，三维造型的使用大大的方便提供给了我们设计所需的理论支持。第四章 ZJ50型绞车传动系统主要部件的计算校核4.1主刹车带校核钢带选用材料：50 图号：010.06.54.01G正火状态：630Mpa，375Mpa 刹车块选用材料：编织石棉铜丝摩擦材料刹车机构的任务是刹慢或刹住被下钻载荷所带动的滚筒，达到调节钻压，送进钻具，控制下钻速度以及刹住悬持钻具的目的。因此要求刹车机构灵活省力和安全可靠。刹车机构是绞车上最重要的部件，同时也是最薄弱的部件。4.1.1钢（刹）带两端的拉力和制动力的计算最大制动力矩： = 由于计算起来相当复杂，取= 式中：动载系数，通常=1.52.5，取=2计算。= 游动系统最大起重量的计算有：=（q）=（3028143101000）=130120Kg=1276KN 式中：q每米钻杆柱重量，以114.3mm钻杆计算。查得 q=30Kg/m立根长度，米。取=28m（当最大井深为4000米时） 钻柱中最大立根数=142.86，取=143游动系统固定重量， 查得 =10T=10000Kg 滚筒第二层缠绳直径,根据设计计算要求1.2.1有：=+2式中： 滚筒原始直径=537.4mm钢丝绳直径=29mm滚筒半径上的增量系数，取=0.9=+2=537.4+29+20.929=618.6mm=61.86cmz有效绳数=10 游车系统效率，查取=0.81绞车滚筒效率，取=0.97=20.810.97=6201.79KN.cm = 式中：刹车毂直径=1168mm=116.8cm =106.195KN 钢（刹）带两端的总拉力（两条带上拉力之和），见图1。t=固定端总拉力，（两条带上拉力之和），见图1T= （欧拉公式） 式中：摩擦系数，一般为0.350.45，取=0.45 钢（刹）带围抱角=322 =0.45，=324 =12.74t= =9.046KN T= =115.24KN 4.1.2钢（刹）带强度校核计算钢（刹）带宽mm=22cm，厚度6mm=0.6cm在作用下受拉伸， =4.365KN/=43.65MPa 设计安全系数 n=8.5913.0 结论：符合API Spec 7K 的规定。4.1.3钢（刹）带铆接强度校核计算固定端总拉力，（两条带上拉力之和）T=115.24KN钢带与固定端吊耳处采用铆钉12X4012件铆接计算钢带与固定端吊耳处的联接强度铆钉：选用材料Q235-A 380470Mpa，220Mpa铆钉剪切强度:式中：许用剪切应力，根据1.2.2的设计计算要求，0.58220127.6 MpaF作用拉力=57.62KN每个铆钉的抗剪面数量1铆钉孔直径12.2mm=1.22Z铆钉数量125.011206545KN/250.11Mpa127.6 Mpa结论：安全4.2主刹车带校核结论 通过对刹带的设计计算，计算结果符合API Spec 7k-2005 第4版及增补1、2钻井和井口操作设备规范规定的要求。第五章 ZJ50型绞车传动系统关键零部件的有限元分析5.1有限元法应用5.1.1 ANSYS软件简介ANSYS 软件是融结构、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，如 Pro/E, NASTRAN, IDEAS, AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。5.2 ZJ50型绞车滚筒的静力分析5.2.1 建立滚筒模型 在PRO/E中建立滚筒的三维模型后，选择SAT文件类型存盘。运行workbench，选择静力分析，定义材料的相关性能参数后，导入之前存盘的滚筒SAT文件就可以生成滚筒的实体模型。我们对滚筒作如下简化：忽略边界处倒角；忽略绳槽，轮辐上的小孔，以及轮毂上的键槽。简化后的模型如图5.1所示：图5.1滚筒简化模型5.2.2 滚筒材料温室性能参数滚筒材料选用ZG35CrMo，其温室性能参数如表5.1：表5.1 ZG35CrMo温室性能参数密度（Kg）弹性模量(GPa）屈服应力(Mpa）泊松比210.25 模型的网格划分滚筒采用自由网格划分方式，网格生成后的滚筒有限元模型如图5.2所示：图5.2滚筒有限元模型5.2.4 边界条件滚筒轮毂与轴的配合处，由于滚筒基本上不受轴向力的作用，轮毂与轴之间又采用静配合，所以可以认为滚筒轴向不可动，因此，可认为轮毂处的轴向与径向位移都被完全限制，六个自由度均被约束。5.2.5 载荷工况分析在下钻过程中，快绳拉力对滚筒造成的载荷有弯矩、扭矩以及缠紧的钢丝绳对筒壁的外压力，前两者载荷产生的应力很小，不及第三者的 10%，所以在计算中忽略不计，而外压力在筒壁中产生的压应力很大。滚筒受到钢丝绳（快绳）的外挤力，将此力理想为滚筒的外压力，由于钢绳在滚筒上排列很密，故可认为筒壳所受的载荷为均布外压。一般滚筒要缠数层，在缠绕过程中由于外圈缠绕时对筒壁进一步的压缩使里层的钢丝绳放松而降低对滚筒的压力，因此，钢丝绳多层缠绕时有一个多层缠绕系数。作用在滚筒表面的压力为： 式中: D 为滚筒作用直径，D=846mm；P 为最大快绳拉力，P=275kN；A 为多层缠绕系数，A=1.4（缠绕 2 层）；s 为钢绳在滚筒上的螺距，s=+2=32+2=34mm。5.2.6 求解并分析结果进入求解器求解，求解完成后得到滚筒的位移云图和应力云图，如图 所示：（1）刚度分析滚筒受载后总位移分布图，如图5.3所示：图5.3 滚筒受载后总位移分布图计算结果表明：滚筒在受到压力作用时，滚筒向内收缩，由于中间筒体没有其他约束，滚筒变形较大的区域位于筒体上，两端变形比较小，绞车滚筒的变形主要是径向变形，其他方向的变形都比较小；从数值上看，最大变形量为0.26659mm，这与滚筒自身的结构与受力特点有关，符合实际情况。由工程的实际应用的经验可知，滚筒的刚度也满足绞车的正常工作需要。（2）强度分析滚筒受载时，应力分布图，如图5.4所示：图5.4 滚筒受载时应力分布图通过上图显示，滚筒受载时，最大应力分布在滚筒内表面、滚筒外圆与轮毂过渡段、滚筒内圆与轮毂过渡段、处，其余区域值较小，且分布比较均匀。滚筒内表面处最大应力达210.37MPa。滚筒的材料我们选用的是ZG35CrMo, 屈服极限：510MPa,强度极限：=740 MPa，由有限元的计算结果，可得出滚筒的安全系数为：结论：滚筒的安全系数为2.424大于滚筒的许用安全系数1.5，所以滚筒的强度满足绞车的正常工作需要，滚筒的设计符合工况设计要求。5.3 ZJ50型绞车滚筒的模态分析模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。5.3.1 滚筒有限元模型的建立运行workbench，选择模态分析，定义材料的相关性能参数后，导入之前存盘的滚筒SAT文件就可以生成滚筒的实体模型。我们对滚筒作如下简化：忽略边界处倒角，绳槽，轮辐上的小孔，以及轮毂上的键槽。如图5.1所示。5.3.2 施加约束并求解由于滚筒轴的自由模态对其正常工作影响不大，在此只对约束模态进行分析，根据滚筒的工作状况，对滚筒施加约束，其施加方法与上节相同。然后根据模态提取方法Block Lanczos（分块法）进行求解，并对结果进行模态扩展。5.3.3模态结果分析根据前述的模态提取方法，计算出滚筒的前六阶模态结果，其固有频率和相应振型如表5.2所示。表5.2 滚筒的前六阶固有频率和相应振型阶 次固有频率（Hz）振型描述1312.08滚筒轮辐部分沿X方向移动2389.31滚筒轮辐部分绕坐标WO-X的45度线摆动，左右轮辐摆动方向相反。3389.53滚筒轮辐部分绕坐标WOX的45度线摆动，左右轮辐摆动方向相反。4398.99滚筒筒体部分绕X转动5400.82滚筒轮辐部分绕坐标WO-X的45度线摆动，左右轮辐摆动方向相同。6401.07滚筒轮辐部分绕坐标WO-X的45度线摆动，左右轮辐摆动方向相同。滚筒的前六阶节点位移模态振型分别如下图5.55.10所示：图5.5 滚筒第一振型图图5.6 滚筒第二振型图图5.7 滚筒第三振型图图5.8 滚筒第四振型图图5.9 滚筒第五振型图图 5.10 滚筒第六振型图模态分析结果表明：滚筒的固有频率均在300Hz以上，振型以轮辐摆动和移动为主，其振形变化不大，对绞车的性能影响不大。由此可见，该滚筒的结构设计较为合理，抗振性较强。5.4 ZJ50型绞车滚筒轴的静力分析5.4.1建立滚筒轴模型在PRO/E中建立滚筒轴的三维模型后，选择SAT文件类型存盘。运行workbench，选择静力分析，定义材料的相关性能参数后，导入之前存盘的滚筒轴SAT文件就可以生成滚筒轴的实体模型。我们对滚筒轴作如下简化：忽略边界处的倒角；忽略退刀槽和砂轮越程槽；简化后的模型如图5.11所示：图5.11 滚筒轴简化实体模型5.4.2 滚筒轴材料温室性能参数滚筒轴材料选用35CrMo，材料的温室性能参数如表5.3所示：表5.3 滚筒轴材料温室性能参数密度（Kg）弹性模量(GPa）屈服应力(Mpa）泊松比2139800.2865.4.3 模型的网格划分滚筒轴采用自由网格划分方式，网格生成后的滚筒轴有限元模型如图5.12所示：图5.12 滚筒轴有限元模型5.4.4 边界约束条件由于采用了调心轴承，左端轴向固定，所以左端约束中三个移动自由度均被固定（被约束），而三个转动自由度不被约束。右边约束中沿轴向自由度及三个转动自由度均不被约束。5.4.5 载荷工况分析有限元分析的目的之一是检查结构或构件对一定的载荷条件的响应。因此，在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。由于本滚筒轴基本上是一个对称的结构，并且其上部件的重量较小，所以自重均忽略不计。滚筒轴在工作中受力比较复杂，变化较大，其主要影响因素有三个方面，一是在起下钻工作过程中，由于井深或立根数的变化而引起快绳拉力和扭矩的变化；二是由于工作中滚筒缠绳半径即快绳所在缠绳层次变化引起快绳拉力及滚筒轴弯、扭矩的变化；三是滚筒缠绳拉力位置的改变，即快绳作用点距筒体两端支点距离的改变而引起滚筒弯、扭的变化等。滚筒轴上受到二个集中载荷和一对力偶的作用：最大快绳拉力，链轮传动拉力；快绳从动扭矩加在滚筒与轴配合段的位置；驱动力矩加在滚筒轴与左端链轮配合段的位置。滚筒轴施加约束和载荷如图5.13所示：图 5.13 滚筒轴施加约束和载荷图5.4.6 求解并分析结果进入求解器求解，求解完成后得到滚筒轴的位移云图和应力云图。（1）刚度分析滚筒轴受载后总位移分布图如图5.14所示：图 5.14 滚筒轴受载后总位移分布计算结果表明：滚筒轴最大变形在轴的左端部位，最大变形为 2.144mm。由工程的实际应用的经验可知，滚筒轴的刚度满足绞车的正常工作需要。（2）强度分析滚筒轴受载时应力分布图：计算结果表明：滚筒轴的最大应力部位在靠近轴左端轴肩附近，最大应力为 352.96MPa，并出现了应力集中的现象，在轴加工时，应注意减小应力集中。滚筒轴的材料我们选用的是35CrMo, 屈服极限：980MPa,由有限元的计算结果，可得出滚筒的安全系数为：图 5.15 滚筒轴受载时等效应力分布图结论：滚筒轴的安全系数为2.78大于滚筒的许用安全系数1.5，所以滚筒轴的强度满足绞车的正常工作需要，滚筒轴的设计符合工况设计要求。5.5 ZJ50型绞车滚筒轴的模态分析5.5.1 滚筒轴有限元模型的建立运行workbench，选择模态分析，定义材料的相关性能参数后，导入之前存盘的滚筒轴SAT文件就可以生成滚筒轴的实体模型。我们对滚筒作如下简化：忽略边界处的倒角；忽略退刀槽和砂轮越程槽；简化后的模型如图5.11所示。5.5.2 施加约束并求解根据滚筒轴的工作状况，对滚筒轴施加约束，其施加方法与上节相同，这里不作详细的论述。然后根据模态提取方法BlockLanczos（分块法）进行求解，并对结果进行模态扩展。5.5.3 模态结果分析根据前述的模态提取方法，计算出滚筒轴的前六阶模态结果，其固有频率和相应振型如表5.4所示。表5.4 滚筒的前六阶固有频率和相应振型阶 次固有频率（Hz）振 型 描 述1126.13滚筒轴右端在WOV平面内上下摆动2126.19滚筒轴右端在XOV平面内左右摆动3148.96滚筒轴左端在WOV平面内上下摆动4149.09滚筒轴左端在XOV平面内左右摆动531285滚筒轴中间部分在WOV平面内上下摆动6313.87滚筒轴左端沿在XOV内平面左右摆动滚筒的前六阶节点位移模态振型分别如下图5.165.21所示：图5.16 滚筒轴第一振型图图5.17 滚筒轴第二振型图图5.18 滚筒轴第三振型图图5.19 滚筒轴第四振型图图5.20 滚筒轴第五振型图图5.21 滚筒轴第六振型图模态分析结果表明：滚筒轴的前四阶的固有频率在 100-200Hz 范围内，振型以两端弯曲为主，后二阶的固有频率在 300Hz 以上，振型以中间弯曲和扭转为主，其振形变化不大，对绞车的性能影响不大。由此可见，该滚筒轴的结构设计较为合理，满足绞车的正常工作需要。5.6 ZJ50型绞车滚筒轴装配体有限元分析5.6.1 建立滚筒轴装配体有限元分析模型在PRO/E中建立滚筒与滚筒轴的装配后，选择SAT文件类型存盘。运行workbench，选择静力分析，定义材料的相关性能参数后，导入之前存盘的滚筒SAT文件就可以生成滚筒轴装配体的实体模型。实际工作过程中，滚筒、键、滚筒轴在整个分析过程中均处于接触状态，因此在这里对模型进行了简化，将这三者在建模分析中合为一体，而不影响最终的结果。另外，我们对此模型还要进行如下简化：忽略退刀槽和砂轮越程槽；忽略滚筒上的绳槽等，简化后的模型如图5.22所示：图5.22 滚筒轴装配体简化实体模型5.6.2 材料属性定义滚筒轴所使用的材料为 35CrMo，滚筒轴所使用的材料为 ZG35 CrMo，二者的材料属性如表5.1和5.3所示，在前几节我们做滚筒轴和滚筒的有限元分析时，我们已有说明，在这里我们不在例出其数据。5.6.3 网格划分网格生成后的滚筒轴装配体的有限元模型如图5.23所示。图5.23 滚筒轴装配体的有限元模型5.6.4 定义边界条件并施加载荷边界约束条件由于采用了调心轴承，左端轴向固定，所以左端约束中三个移动自由度均被固定（被约束），而三个转动自由度不被约束。右边约束中沿轴向自由度及三个转动自由度均不被约束。载荷的确定滚筒轴装配体所受的载荷包括滚筒轴端扭矩、筒壳压力。（1）滚筒轴端施加扭矩起钻时电机通过传动系统将扭矩传递到滚筒轴左端部位，进而带动整个滚筒转动。因此，假定扭矩载荷均匀分布在滚筒轴左端部的圆周面上，采用模型表面节点施加周向集中力的方式进行施加。（2）筒壳压力前面已对快绳拉力对滚筒造成的各种载荷做了详细说明，由前面论述可知作用在滚筒表面的压力为快绳拉力对滚筒施加的主要载荷。钢绳对滚筒的压力可近似看成在滚筒表面的平均分布压力：5.6.5 求解并分析结果将上面的约束和载荷施加到滚筒轴装配体有限元模型，并进入求解器求解。求解完成后，进入通用后处理器观察计算结果，得到滚筒轴装配体的位移云图和应力云图。（1）刚度分析滚筒轴装配体受载后总位移分布图如图5.24所示:图 5.24 滚筒轴装配体受载后总位移分布图计算结果表明：滚筒轴装配体的最大变形发生在滚筒的的中间部位以及滚筒轴左端部位，最大变形为 2.1429mm，也在滚筒轴装配体的弹性内。（2）强度分析滚筒轴装配体受载后应力分布图，如图5.25所示：图5.25 滚筒轴装配体受载后应力分布图滚筒轴装配体的的最大应力部位在滚筒与滚筒轴的过渡处，最大应力为 360.25MPa，小于滚筒和滚筒轴的材料屈服极限,由有限元的计算结果，可得出滚筒轴的安全系数为：结论: 滚筒轴装配体的的安全系数大于滚筒轴的装配体的的许用安全系数1.5，所以其的强度满足轴的正常工作需要。总结和展望在对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）Z
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