（工程力学专业论文）石油系列绞车的数值分析与可靠性研究.pdf

石油系列绞车的数值分析与可靠。陛研究 杨明旺( 工程力学) 指导教师：闰相祯( 教授) ，杨秀娟( 教授) 摘要 绞车在钻井机、修井机、采油车等石油机械上得到广泛的应用，作 为主要传动部件，能否安全稳定的运行，在整个石油机械中处于举足轻 重的地位。特别是在复杂恶劣的工况下，如何改进结构、提高工效、延 长寿命，一直是研究人员所关注的课题。另外，目前石油绞车的设计通 常采用手工计算，工作量大、计算精度低、效率低下等问题严重，开发 一个绞车设计分析软件显得尤为重要。 本文系统地回顾了绞车在石油行业中生产发展的历史和设计分析 理论的研究进展，阐述了滚筒设计、刹车系统设计、传动系统设计等主 要设计理论，在此基础上利用v i s u a lb a s i c6 0 开发了石油系列绞车设计 分析软件，该软件包括三个主要模块( 滚筒模块、刹车系统模块和传动 系统模块) 和两个辅助模块( 总体参数设计模块和其它零部件的设计模 块) ，可以完成绞车整体参数选取和计算，滚筒、主刹车和辅助刹车、 齿轮传动和链传动的选型、设计和分析，以及其它主要零部件( 轴、轴 承、连接键和螺栓等) 的设计计算，操作简单、准确快速，可大大地提 高设计者的工作效率。 以x j c l 2 修井机绞车滚筒为例，应用有限元软件a n s y s 对不同工 况下的滚筒进行结构静力学分析，总结其变化规律，并在此基础上，对 滚筒进行整体可靠性评估，计算结果表明，滚筒轴、滚筒壳和挡板为危 险部件，各部件可靠度均在9 9 5 以上，滚筒的整体可靠度达到9 9 0 7 ， 说明该滚筒是十分安全的，完全符合设计要求。 关键词：绞车滚筒刹车数值分析可靠性 n u m e r i c a l a n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t yo f p e t r o l e u m d r a w w o r k s y a n g m i n g - w a n g ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a nx i a n g z h e n , y a n g x i u j u a n a b s t r a c t d r a w w o r k sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt oo i l f i e l de q u i p m e n t ss u c h 蠲 d r i l l i n gr i g s ，w e l ls e r v i c er i g sa n do i le x t r a c t i o nc a r s a st h em a i ng e a r i n g m a c h i n e r y , w h e t h e rt h e yc a l lo p e r a t es e c u r e l ya n ds t a b l yi se x t r e m e l y i m p o r t a n tt ot h ew h o l ep e t r o l e u mi n d u s t r y h o wt oi m p r o v et h e i rs t r u c t u r e ， i n c r e a s et h e i re f f i c i e n c ya n dp r o l o n gt h e i rl i f e s p a n , e s p e c i a l l yu n d e rt o u g h w o r k i n gs i t u a t i o n s ，h a sa l w a y sb e e nt h es t u d yf o c u so fr e s e a r c h e r s u s u a l l y u s i n gm a n u a lc o m p u t a t i o n ，p r e s e n tp e t r o l e u md r a w w o r k sd e s i g np r o c e s s e x i s t ss u c hf l a w s 船e x c e s sw o r kl o a c t , l o wp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y , e t e t h u si ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pas p e c i a ld e s i g na n da n a l y s i s s o f t w a r e t h i s p a p e rs y s t e m a t i c a l l y r e v i e w e dt h e h i s t o r y o fd r a w w o r k s a p p l i c a t i o ni no i l f i e l d sa n dt h ep r o g r e s so fi t sd e s i g na n da n a l y s i st h e o r y , a n de l u c i d a t e dt h em a i nd e s i g nt h e o r ya b o u tt h em i l e r , b r a k es y s t e ma n d g e a r i n gs y s t e mo fd r a w w o r k s b a s i n go nt h i s ，an e wd e s i g na n da n a l y s i s s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e do i lv i s u a lb a s i c6 0 t h es o t = t 、) v a r ec o n s i s t so f t h r e em a i nm o d u l e s ( i e r o l l e rm o d u l e ，b r a k es y s t e mm o d u l ea n dg e d n g s y s t e mm o d u l e ) a n dt w oa u x i l i a r yo n e s 亿e d e s i g nm o d u l eo ft h eg e n e r a l p a r a m e t e ra n dd e s i g nm o d u l eo f t h eo t h e rc o m p o n e n tp a r t s ) t h e s em o d u l e s c 锄b et r a n f e r r e dt o h e l pf i n i s h i n g t h ef o l l o w i n gt a s k s ：s e l e c t i o na n d c a l c u l a t i o no f t h eg e n e r a lp a r a m e t e r , m o d e ld e s i g na n da n a l y s i so f t h er o l l e r , t h em a i na n da s s i s t a n tb r a k e ，a n dt h eg e a ra n dc h a i nt r a n s i m i s s i o n , a n d d e s i g na n dc a l c u l a t i o no f o t h e rm a i nc o m p o n e n tp a r t ss u c ha ss h a f t ，b e a t i n g ， c o n n e c t i n gd e v i c ea n db o l t 1 1 1 et r a n f e r r i n gp r o g r e s si ss i m p l e p r e c i s ea n d f a s t ，a n dt h u sg a l lg r e a t l yi m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo f t h ed e s i g n e r t a k i n gx j c l 2w e l l $ e n r i c er i ga sac a l c u l a t i o ne x a m p l e ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h ec h a n g er u l e so fi t sr o l l e r s s t r u c t u r a ls t a t i c su n d e rd i f f e r e n tw o r k s i t u a t i o n so na n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n da c c o r d i n g l ya n a l y z e d t h em o b a lr e l i a b i l i t yo f t h er o l l e r s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i l e r 岫s h e l l a n db a f f l ep l a t ew e r ev u l n e r a b l ec o m p o n e n tp a r t s ，a n dr e l i a b i l i t yo fe a c h w a so v e i 9 9 5p e r c e n t , a n dg l o b a lr e l i a b i l i t yo fr o l l e rw a su pt 09 9 0 7 p e r c e n t , w h i c hs u g g e s t e dt h a tt h es t r u e t t t r eo fr o l l e rw a sq u i t es a f ea n d t o t a l l yf i t t e dt h ed e m a n d so f i t sd e s i g nc o d e s k e y w o r d s ：d r a w w o r k s ，r o l l e r , b r a k e ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 声明人( 签名) ：柄喂蛆卿年土月3 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。特此说明。 学生( 签名) ：叠塑坠卫碲年 月；。日 导师( 签名) ： 6 7 年r 月孑p 日 | 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章引言 第l 章引言 1 1 研究的目的和意义 绞车在钻井机、修井机、采油车等石油机械上得到广泛的应用，作 为主要传动部件，能否安全稳定的运行。在整个石油机械中处于举足轻 重的地位。特别是在复杂恶劣的工况下如何改进结构、提高工效、延 长寿命，一直是研究人员所关注的课题。目前，国内绞车的设计还只停 留在凭经验和模仿的水平上，它的安全性、可靠性难以保证。一旦发现 问题，通常是采用增大尺寸的方法来解决，但是，这样做并没有解决实 质性的问题。 对于绞车的有限元分析和可靠性研究，德国及俄罗斯对其研究比较 深入。国内对此研究不充分，很多仅靠经验和模仿，而且主要研究的是 矿场机械所用的绞车。在石油绞车的有限元分析方面研究得更为浅显， 因此，为改变这种设计仅靠经验和模仿的现状，有必要对石油绞车进行 比较系统地分析和研究。 另外，目前石油绞车的设计通常采用手工计算，工作量大、计算精 度低、效率低下等问题严重，开发一个绞车设计分析软件显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 绞车有着悠久的历史，我国古代用来提水的轱辘就是一种绞车。今 天各种起重设备上的绞车已经脱离了轱辘的基本结构，出现了各种各样 的绞车，吊装重量也从几十斤到几百吨不一。绞车主要有以下几种类型： ( 1 ) 从动力上可分为三类，绞车有柴油机驱动绞车，包括柴油机直接 驱动和柴油机加液力驱动两种形式；电驱动绞车主要包括直流电驱动和 交流电驱动两种，直流又分为直流直流( d c d c ) 和可控硅直流 ( a c s c r - d c ) 电驱动两种，交流可分为交流一交流( a c a c ) 电驱动 和变频器加交流( a c v d f a c ) 驱动两种；液压驱动绞车是通过液力驱 动，即以液压马达为动力带动绞车完成钻井作业的。 ( 2 ) 从结构上来说，绞车一般有五种类型，即单轴、双轴、三轴、五 轴等。单轴绞车是将滚筒和猫头装在同一根轴上操作，该绞车的不足是 猫头转速过高，位置过低操作不便：双轴绞车是将滚筒和猫头各自装 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章引言 在两根轴上，靠链条联系在一起，其不足是由于变速机构与传动系统采 用了齿轮和链条两种方式，使得管理维修不方便：三轴绞车能实现独立 的三低一高档转速，转盘可通过绞车传动，是目前常用的绞车结构形式： 五轴绞车可以实现正倒多种变速，是重型和超重型绞车的典型方案，但 是机构复杂。效率低下；两个单轴绞车是将主滚筒与猫头分开在不同的 两个单元上，可高、低位布置，结构简单，特别适宜于电驱动方式，在 超深井和海洋钻井中应用较多。 ( 3 ) 从变速调节方式分类，般可分为一档、两档、四档和六档等多 种形式。一档、两档变速多使用在电驱动钻机上，其变速过程主要通过 交流变频系统或s c r 控制系统实现，靠电机反转实现倒档；四档变速一 般按内变速2 x 2 = 4 乘法变速机构进行设计，反转靠电机换向装置完成； 六档变速按3 x 2 = 6 乘法变速机构进行设计，多在机械传动的情况下使用， 倒档完全靠齿轮换向装置实现。 对于修井机绞车，目前国外采用密封框架式绞车架、绞车底座侧面 设置刹带磨损指示器，可随时测出刹带磨损情况，以便及时调整和更换； 滚筒上带有里巴斯绳槽板。国内修井机绞车为复杠杆全制动式密封绞车， 其刹车机构简单、省力、制动可靠；设置防碰天车装置和紧急刹车系统， 安全性高；滚筒体加焊里巴斯绳槽板，排绳整齐，并减少钢丝绳磨损； 刹车鼓采用飞溅式水冷或内循环水冷；主滚筒外也可根据用户要求配备 捞沙滚筒。 在绞车的有限元分析方面，国内曾对提升机、输送机滚筒等进行有 限元分析，值得我们借鉴：辽宁工程技术大学曾用有限元法分析过提升 机强度问题【1 j ；太原理工大学利用a n s y s 软件对输送机滚筒所受的应力 进行有限元分析，找到应力集中点并对其结构进行改造 2 1 ；东北大学利 用a n s y s 软件对输送机滚筒进行有限元分析口】：吉林大学借助先进的 c a e 软件一a n s y s 针对输送机2 类驱动滚筒和3 类改向滚筒的强度刚 度计算【4 1 。 在绞车、提升机等机械的设计分析软件开发方面，国内曾有过一些 例子：太原理工大学为提高设计效率，依据模块化设计思想，借助 a u t o c a d 进行参数绘图，在微机上实现输送机滚筒总图和零件图的自动 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章引言 绘制【2 】：东北大学在对输送机滚筒进行有限元分析的基础上开发出带式 输送机滚筒的通用计算程序，实现了参数化设计，缩短了设计周期，提 高了工作效率【3 】。这些例子为我们进行石油系列绞车设计分析软件的开 发提供了宝贵的经验。 l - 3 本文主要研究内容 1 3 1 石油系列绞车设计计算软件的编制 收集国内外大量有关石油系列绞车( 钻井机绞车、修井机绞车、采 油车绞车) 的设计、计算、分析、使用等方面资料，通过对这些文献的 综合分析，确定上述每一类绞车的总体设计方案。参照有关国家标准， 借鉴国外先进绞车设计方法，采用现代化设计理论，对上述每一类绞车 的各个机构( 滚筒体、刹车机构等) 进行设计计算，利用v i s u a lb a s i c 语 言编制石油系列绞车设计计算软件。 该软件可以实现以下功能： ( 1 ) 建立各个机构( 如滚筒体、刹车机构等) 及其零部件的选型及设 计数据库，可以实现添加、删除等功能。 ( 2 ) 对各个机构( 如滚筒体、刹车机构等) 及其主要零部件进行强度 校核。 1 3 2 绞车滚筒有限元分析 用大型有限元软件a n s y s 建立绞车滚筒的有限元数值计算模型， 加载、求解，计算出滚筒主要零部件的应力和应变，找出其危险位置和 危险工况。 1 3 3 石油绞车的可靠性分析 在有限元分析的基础之上，建立滚筒的可靠性分析宏文件，定义输 入变量和输出变量，设置输入变量的分布规律，通过a n s y s 分析，计 算滚筒整体的可靠度，并对其进行分析评价。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章绞车设计计算理论 第2 章绞车设计计算理论 为了进行编制石油系列绞车设计分析软件，需要以绞车的设计计算 理论为基础。主要理论基础如下： 2 1 绞车总体方案分析 绞车是钻机、通井机、采油车等石油设备中主要工作机之一，是起 升系统的主要设备。它的主要任务是：用来起、下钻具；下套管；悬持 静止的钻具；在钻进时，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。有的绞车也是转盘的中 间传动机构。在有些钻机中，井架的起放也由绞车来完成。根据上述任 务，对绞车提出了以下要求，以满足钻井、修井等工作的需要： ( 1 ) 要有足够大的功率、强度和刚度，在最低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，有一定的解除卡 钻事故的能力，并能完成具有最大载荷的下套管作业。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 能适应起重量的变化，有足够的起升档数或能够无级调速，用以 提高功率的利用率，节省起升时间。 ( 4 ) 要有灵敏而耐久的刹车机构及强有力的辅助刹车，能准确地调节 钻压，均匀送进钻具，在下钻过程中能随意控制下钻速度。刹车鼓及刹 车片应耐用。 ( 5 ) 应具有刚度大的支架和底座。 ( 6 ) 控制台、刹把、手柄等相应地集中，便于操作。 ( 7 ) 应配备猫头机构，以满足紧、卸钻具丝扣和钻台起升重物的需要。 2 1 1 钻井绞车的组成 石油绞车实际上是一部重型起重机械，常见的绞车由以下几个系统 组成： ( 1 ) 驱动系统； ( 2 ) 传动系统由2 - 5 根绞车轴、轴承、链轮、齿轮、链条等组成。 一般钻井绞车多为三根轴，即传动轴、猫头轴和滚筒轴； 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 ( 3 ) 控制系统包括牙嵌、齿式、气动离合器，司钻控制台，控制阀 件等； ( 4 ) 制动系统即刹车系统，包括主刹车、辅助刹车等装置。 2 1 2 绞车工作原理 如图2 1 所示，动力机1 将自身的能量以旋转的形式传递给绞车变 速系统2 ，变速系统根据钻机、修井机等所要执行的动作将速度调整到 合适的数值范围，然后将扭矩传递给运动转换系统3 ( 即滚筒) ，滚筒再 通过钢丝绳5 带动天车6 、 游车7 、大钩8 等游吊系统。 最终完成大钩上移或下行的 垂直运动，达到下放或起出 钻具等目的在这一运动转 换过程当中，如遇紧急情况 需要停车或需要绞车承受部 分钻具载荷，改善井下钻头 钻压，则需通过刹车控制系 统4 来实现。 2 1 3 绞车总体参数计算 l 叫面卜工k 口 图2 1 绞车工作原理图 1 动力机：2 一变速箱；3 运动转换机构；4 刹车等 控制系统；5 钢丝绳；6 天车；7 游车：8 大钩 1 ) 绞车额定功率计掣5 l 以：竺进( 2 - 1 ) h n l 式中： m 。嘭 车额定功率。k w ： k 功率储备系数： q 最大钻柱重量时游动系统重量，k n ： k 对应钩速，n 以： h 。动力输出轴至滚筒轴( 包括滚筒轴传动及滚筒缠绕效率) 的 传动效率； 疗游动系统效率。 2 、起升重量计算 6 1 绞车的最大起重量q 指的是大钩允许最大静载荷。在设计时可取 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 q k = 1 2 5 q 套。 ( 2 2 ) 式中： 。套管柱的长度，k m ； g 套套管柱单位长度的重量，k g m 。 3 1 钢丝绳计算 我国的石油绞车广泛使用国产的普通型d 级6 股1 9 丝不松散的右 向交互捻钢丝绳。钢丝绳快绳拉力精确计算十分困难，只能根据静力近 似计算： 只= ；坠( 2 3 ) 。 z r m 式中： p ，快绳拉力，k n ： q 辩游动系统起重量，k n ； ，7 种游动系统效率； z 有效提升绳数。 绞车钢丝绳直径确定 盏i 参 最一尸，i 式中： 只对应钢丝绳直径的破断拉力，l 洲； 一最大钩载工况下钢丝绳的安全系数： 钻井工况下钢丝绳的安全系数； ，晡最大钩载工况下钢丝绳拉力，k n 。 从g b l l 0 2 7 4 和y b 8 2 9 7 3 等标准中可查得一定结构型式的钢丝绳 的破断拉力，选取较上式为大的破断载荷值，即可确定钢丝绳直径。 2 2 滚筒设计及分析 目前，钻井绞车、修井机绞车大多配有主滚筒和捞砂滚筒，也就 是双滚筒绞车较多。少数钻井绞车只备有主滚筒，没有捞砂滚筒。其 他石油机械( 如采油车) 上的绞车则基本配备单滚筒。滚筒结构大体 由滚筒壳、滚筒轴、辐板、轮毂、轴承座等部件组成。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 2 。2 1 滚筒壳基本尺寸的确定 文献【5 1 总结了美国n a t i o n a ls u p p l yc o 、c o n t i n e n t a le m s e o 、o i l w e l l 、i d e c o 、m i d c o n t i n e n t 、g a r d n e r - d e n v e r 、s k y t o pb r e w s t e r 等7 家 公司以及前苏联和罗马尼亚的钻机机械绞车滚筒基本尺寸计算经验，都 给出了滚筒直径、长度关于绞车输入功率的经验公式，但是其经验值均 与实际相去甚远，在此我们根据国内一些常见绞车滚筒数据拟合出与实 际较吻合的经验公式。 1 ) 滚筒尺寸影响因素分析 由于滚筒的尺寸在很大程度上决定了绞车的尺寸，因此，希望滚 筒尺寸越小越好，但是滚筒直径过小，会使缠绕在滚筒上的钢丝绳的 应力增大，缠绕的层数增多也会增加钢丝绳的磨损和滚筒的应力；滚 筒长度过小，钢丝绳的缠绕层数必然也会增加，从而增加钢丝绳的磨 损；长度过大不仅会增大绞车尺寸，而且当钢丝绳缠至两端时，由于 钢丝绳过于偏离滚筒的轴向中心线，易使钢丝绳缠乱。所以设计滚筒 尺寸，必须考虑这些相互制约的因素。 从滚筒受力上来看，滚筒的尺寸取决于快绳最大拉力，而且，钢 丝绳的选取也是根据快绳拉力而确定的，所以快绳最大拉力决定了滚筒 的基本尺寸。 根据功率的计算公式可知绞车输入功率： ：墨坚( 2 - 5 ) q 传r l u 式中： 忍绞车快绳拉力。k n ： k 快绳速度，n 以； ，7 绞车输入轴至滚筒轴的传动效率； 玎隶滚筒缠绳及滚筒轴效率。 从( 2 5 ) 式可以看出，绞车的输入功率不仅和绞车快绳拉力有关，而 且还受到快绳速度、传动系统效率以及滚筒本身效率的影响。但是， 基本为定值。刁0 的变化也不大。所以绞车输入功率和快绳拉力基本呈线 性关系。也可以说，绞车输入功率确定了滚筒的基本尺寸。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 从容绳量上分析，滚筒上的容绳量吖： m = z i + 石( d + d ) c ( 2 - 6 ) 式中： z 有效绳数； ，立根长度，1 1 1 ； c 滚筒钢丝绳的储备圈数。 缠绳圈数g 则： ，j l m 2 厅 d + 0 伊+ 1 ) d 】丽, 8 ( 2 - 7 ) 因此 z i + r c ( d + d ) e = 万【d + ( p 伊+ 1 ) d 】e ( 2 8 ) 口十 由式( 2 - 8 ) 7 看出滚筒的直径d 和长度三也受到有效绳数z 和立根长 度，的影响。当刀增大时，容绳量就会增加，为使缠绳层数不会太大， 就应该增加滚筒的尺寸。 2 ) 滚筒基本尺寸的计算 表2 1 是国内现场广泛应用的几种绞车滚筒的技术特性。 根据表2 1 可得快绳最大拉力和滚筒的长度关系，滚筒的直径快绳 最大拉力均呈对数关系( 如图2 2 所示) ，经曲线拟合，可得式2 - 9 ： 三= 1 6 7 4 1 0 9 丑一2 6 7 0( 2 9 ) 同样，根据表2 1 可得快绳最大拉力和滚筒的直径关系图( 如图2 3 所示) ，它们也呈对数关系，经曲线拟合，可得式2 1 0 ： d = 7 3 4 1 0 9 只一1 0 1 2( 2 - 1 0 ) 由于绞车输入功率和快绳拉力基本呈线性关系，所以用绞车输入功 率表示的绞车基本尺寸计算经验公式为： 表2 - 1 绞车滚筒的技术特性 快绳最大拉力 8 01 2 01 2 51 4 52 1 02 2 52 5 02 加3 4 09 4 8 p , k n 滚筒直径 4 0 04 5 06 0 06 5 07 1 06 8 57 1 06 4 09 0 01 2 1 9 d | m m 滚筒长度 5 5 0 7 7 08 6 51 1 5 0l 】8 0 1 2 4 5 1 3 2 01 2 3 3 1 5 i o2 4 3 8 n l m 输入功率n h p 3 0 05 0 05 0 01 1 0 07 1 01 5 0 01 5 0 01 0 0 02 0 0 03 7 3 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 快绳最大拉力l o g p k 图2 - 2 滚筒长度与快绳最大拉力关系图 快绳最大拉力i o g 气 图2 3 滚筒直径与快绳最大拉力关系图 工= 1 1 1 3 8 5 l o g n - 2 2 4 8 5 4 d = 4 2 8 2 4 l o g n - 6 4 9 6 0 ( 2 - 1 1 ) r 2 - 1 2 ) 2 2 2 滚筒静强度分析 考虑缠绳应力松弛、多层缠绳、绳槽、加强筋等各种因素的综合作 用，滚筒在缠绳状态下的应力为： 弘詈一枷 仉：一d2-2dh,+2h；t,一x， q 一罚可面吖 2 t , jd l 一2 d h p 七2 h ： c r 2 一百+ 1 丽蒂h 删引蠡 _ + 孚习、d 蟛l “ j 当，= i d 时： 以：一旦王z ，0 2 ：! 里二! 生! ：x ， 吒一面正面2 瓦万面h 删m 去 一警书 、f 7 、 。 其中 d r ( 2 - 1 3 ) r 2 1 4 ) t h , ( d - h , ， 觜w 嚣( 譬器掣 9 一声 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 式中： d 滚筒计算直径，衄； 【缠绕z 圈时钢丝绳拉力，k n 。 r 滚筒绳槽节距，l l l f l l i a 加强筋材料的泊松比； 髓加强筋环的径向宽度，i n n ； 加强筋的数目； 矗。带绳槽滚筒的等效壁厚，蛐。 可见，滚筒壁的应力为三向应力状态，根据最大能量理论得出的屈 服条件作为滚筒强度的判断准则： = 4 t e 吼一0 2 ) 2 + p 2 一c r 3 ) 24 - ( 0 3 - - q ) 2 【吒】( 2 - 1 5 ) - - 式中： 吒。计算最大应力，m p a ； p ，】材料许用应力，m p a ； 2 2 3 滚筒稳定性研究 在滚筒设计计算中，不但要保证壳体的应力小于规定的许用值，也 要保证壳体具有足够的稳定性，而且稳定性往往更为重要。当作用在滚 筒壳上的外力超过某一临界值时，滚筒壳将会失稳。由于滚筒在钢丝绳 的卷绕作用下具有质量和刚度随钢丝绳作用位置而变化的特点，因此滚 筒的稳定性问题与一般意义上的薄壳稳定性是有区别的。为了使问题简 化，对滚筒结构作如下假设：( 1 ) 滚筒体两端边界认为是端面简支：( 2 ) 滚 筒材料在线弹性范围内，且不超过比例极限：( 3 ) 变形前垂直于滚筒壳中 面的直线，在变形后仍然保持为直线；( 4 ) 滚筒绳槽视为密集小凸筋：( 5 ) 钢丝绳对滚筒的紧箍力视为对滚筒的均匀压力。 根据以上假设，求得滚筒壳在径向外压作用下的整体稳定性的最小 l 临界压力： 足= 蒜停+ 警 1 0 + 罢 警( 2 - 1 6 ) + 两v i 1 6 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 其中k = 丽e h 3 l + 茜：日= 半 式中： 上滚筒全长，衄o | j l 筒壳厚度，m m ； e 筒壳材料的弹性模量，g p a ： a 筒壳材料的泊松比； 厶筒壳长度，n l m ； r 滚筒绳槽节距，m m ； 盂筒壳半径，1 3 1 1 m | ，筒壳的惯性矩。 2 2 4 滚筒轴的静强度计算 滚筒轴力学模型如图2 4 所示，认为所有重量均为集中载荷，均施 加于作用面的中心处，即将滚筒重量分成两半，左右轮毂各支撑滚筒重 量的一半。 根据零件自重、链垂直拉力、快绳拉力计算出轴上各主要截面的分 垂直弯矩，叠加得出轴的垂直弯矩。水平弯矩只有链水平拉力形成，各 弯矩见图2 - 4 。由垂直弯矩和水平弯矩确定危险截面可能有三种情况【”： 截面c ：弯矩最大，扭矩最大。 截面a ：此处有台阶的应力集中点，水平弯矩最大，合成弯矩次 大，扭矩也最大。 合成弯矩 合成扭矩 图2 4 滚筒轴的力学模型及合成弯矩、合成扭矩简图 l i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 ( 9 截面b ： 2 半 ( 2 - 1 7 ) 式中： 兄链轮的圆周力，k n ； l 链速，m s 。 巳= k ，x 只 ( 2 1 8 ) 式中： k ，轴的载荷系数。 f ：! 塑! 刍l 当! 刍2 ：竺! 曼! ：竺! ! 星z 羔塑兰曼! ! ：塑! 删 厶3 竺吐丛掣+ 乃( l 2 - ，) 一最( 墨，+ 墨。) -!；：-一 厶3 式中： 厶第1 个联轴器到轴承b 的距离，m m ； 厶2 链轮到轴承b 的距离，k n m ； “轴承a 到轴承b 的距离，删； “滚筒一端到轴承b 的距离，1 1 l l n ； 墨i 第1 个离合器与第1 个链轮之间的距离，l l e l l n ； 墨：第1 个链轮与轴承a 之间的距离，姗； 墨，轴承a 与滚筒一端之间的距离，i n i t l ； 墨。滚筒右端与快绳在左端时的距离，k n n r l ； 只，滚筒左端与快绳之间的距离，i i 1 2 1 ； 最。滚筒右端与轴承b 之间的距离，蚴； s ，第2 个链轮与轴承b 之间的距离，i i l q l ； 只。第2 个离合器与第2 个链轮之间的距离，i n l t l ； 瓦轴承a 处的水平反力，k n ； 民轴承b 处的水平反力，蝌； 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章绞车设计计算理论 名= ( 确。+ + + ) g x0 0 0 1 + + 2 瓦兄幔 式中： 所。第1 个离合器的质量，k g ； 珊。第1 个链轮质量，l 【g ； m 2 。第2 个离合器的质量，k g ； m 2 ，第2 个链轮质量，埏； m d 滚筒自重，k g ； e 挟绳拉力，娴。 最大垂直弯矩 肘，= 华( 最，+ 墨) + 瓦x ( 墨：+ , s s 3 + 墨) + ( ，l i 。( 墨2 + 墨3 + 墨4 ) + 。x ( 只l + 墨2 + 墨34 - 墨4 ) ) x g x 0 , 0 0 1 水平弯矩 m = l ( 墨2 + 墨3 + s “) k ( 墨3 + s “) 最大弯矩 m m = 膨2 t + m 2 最大弯曲应力 盯一= 争 最大应力 r 7 m i r a2 茄 安全系数 疗- = 一o r _ 1 。三= 卫 盯r ” 瞬 2 3 ( 2 1 9 ) 式中： 盯。轴核算截面处的弯曲持久极限，m p a f 一，轴核算截面处的剪切持久极限，m p a 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 2 2 5 滚筒轴的疲劳强度分析 在修井、钻井等作业过程中，绞车滚筒轴上承受变动载荷，一方面， 起下钻时滚筒不断移动，使得载荷在轴上的位置不断变化；另一方面， 钢丝绳拉力又随井深的变化而发生变化，所以需按不稳定载荷来校核滚 筒轴的疲劳强度。而要将这种作用在滚筒轴上的不稳定载荷折合成稳定 的等效载荷，需求出寿命系数k ，【8 】： k l = k n k ，以 ( 2 - 2 0 ) 式中： t 快绳位置变化对轴上载荷产生影响的相当系数； i 。应力循环系数； 七。立根数变化对轴上载荷产生影响的相当系数。 1 ) 求因立根数变化而对轴上载荷产生影响的相当系数k ， k y = 式中： y 。最大井深相对应的立根数； m 应力指数； d 常数，其值由具体修井曲线确定。 2 ) 求因快绳位置变化而对轴上载荷产生影响的相当系数t k x = 式中： 口核算截面处最小与最大合成弯矩之比值。 3 ) 求应力循环系数k 。 铲摄 钻机全部使用期中的应力循环总数为： n = t x n , 。, 2 = n r 卫 式中： ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 r 钻井使用期年数； x 钻机每年平均钻井口数： 。平均每口井立根总数，即变载总循环数； 五每立根变载中即起一立根过程中应力循环数。 对于弯曲与扭转，由于a 的不同而有不同的k 。，通常： 弯曲= 1 0 1 0 3 扭转 七f = o 6 5 一o 6 6 4 ) 求寿命系数吒 对于弯曲与扭转，寿命系数分别为： k l o = k q 。矗，k i k f = 七f 七， 在疲劳强度计算中规定七。的范围： 弯曲o 5 吒， l 扭转0 4 七， - s o r ， 式中： s ，。最小安全系数； 盯。计算的齿根弯曲应力，m p a ； 齿面接触应力： 盯h 。z e 式中： z 。弹性系数； e 。小轮运转中最大切向力，n ： f 小轮切向工作力，n ； k _ 使用系数； x 动载系数； k 舢齿面承载能力计算的齿向载荷分布系数 6 齿宽，1 1 1 1 1 1 ： z 。齿面承载能力计算的尺寸系数； z 。表面状况系数： ( 2 - 5 8 ) ( 2 5 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章绞车设计计算理论 ，齿面接触应力计算用的几何系数。 齿面接触疲劳极限应力： 一盯j h ：盯h z _ 1 v z w( 2 - 6 0 ) 厶口 式中： o r 。试验齿轮齿面弯曲疲劳极限应力，n ； z ，工作硬化系数； 乙温度系数； z 。齿面接触应力计算用的寿命系数。 齿面承载能力校核： 品= 垒吐晶 ( 2 6 1 ) o - _ l ：r 式中： s h h 最小安全系数。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章石油系列绞车设计分析软件的开发 第3 章石油系列绞车设计分析软件的开发 目前石油绞车的设计通常采用手工计算，但随着技术的进步和生产 节奏的加快，这种计算精度低：效率低下的手工设计方法已经不能满足 石油绞车设计的快速发展。广大的设计工作者迫切需要一套实用的计算 机软件取代繁重的手工计算。基于这一需求，本章运用通俗易懂的可视 化编程软件v i s u a lb a s i c 。编制开发了石油系列绞车设计分析软件。 3 1 软件开发环境 软件代码编写及界面设计采用v i s u a lb a s i c6 0 数据库使用 a c c e s s 2 0 0 0 。v i s u a lb a s i c 编程系统是在w i n d o w s 环境中的可视化编程工 具，它兼容了传统的b a s i c 语言，具备了w i n d o w s 所特有的优良性能和 图形工作环境，采用了事件驱动机制，编程快捷、简单易学、界面友好， 支持几乎所有的基于w i n d o w s 平台的数据库开发。a c c e s s 2 0 0 0 是 m i c r o s o f t 公司o f f i c e 2 0 0 0 系列中的资料库系统，包含了建立整齐的资料 表格、对资料做处理、对需要的资料做查询、输出资料报表等功能。 3 2 软件总体结构设计 本软件的结构框图见图3 1 。软件采用模块化设计，主要包括滚筒设 计及分析模块、刹车系统模块和传动系统模块三大模块，其中各大模块 又包含多个子窗体。 ( 1 ) 滚筒设计及分析模块可以完成对滚筒壳和滚筒轴的设计、滚筒 壳静强度分析和稳定性分析以及滚筒轴的静强度分析和疲劳强度分析， 同时还借鉴输送机滚筒的经验在滚筒轴与滚筒体的连接处采用胀套连 接，用户可以根据滚筒轴的尺寸和滚筒所传递的扭矩来选取合适的胀套， 还可以对已经设计好的胀套进行强度校核。 ( 2 ) 刹车系统模块包括两种主刹车( 带式刹车、盘式刹车) 和两种 辅助刹车( 水刹车、电磁涡流刹车) 的设计和分析。带式刹车，根据滚 筒传递的扭矩及滚筒的长度和直径来计算刹车的主要尺寸以及选取合适 的杠杆机构( 包括单杠杆和复杠杆两种) ，并计算刹把力；盘式刹车，根 据滚筒传递的扭矩及滚筒的长度和直径来计算刹车的主要尺寸、刹车钳 个数，还可以对已有的盘式刹车进行刹车力校核；水刹车和涡流刹车， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章石油系列绞车设计分析软件的开发 根据绞车级别，计算它们的扭矩，然后调用数据库进行选取，得到具体 的型号和参数。 ( 3 ) 传动系统模块软件编制了石油绞车常用的两种传动形式链 传动和齿轮传动。链传动，通过绞车级别选取合适的链传动形式，然后 进行静强度校核和寿命计算。齿轮传动，又分直齿锥齿轮和弧齿锥齿轮 两种，分别计算其参数，然后进行齿根和齿面的疲劳强度校核。 另外，软件还开发了总体参数设计模块和其它零部件的设计模块两 个辅助模块。总体参数设计模块，主要是根据钻井深度等钻井机、修井 机、采油车的主要参数来确定起升重量、额定功率、大钩提升速度、钢 丝绳拉力和直径等绞车的整体参数；其它零部件设计模块包括轴、连接 键、螺栓以及轴承等四种零部件的设计及分析。 通过调用以上三个主模块，再结合两个辅助模块就可以完成整个绞 车的主要设计计算工作，简单方便，易于操作。如果用户对此感到不满 意还可以对其中某个模块进行重新设计或者对整个绞车进行重新计算， 达到满意为止。 3 3 软件界面设计 软件界面是系统与用户之间的接口，是用户与计算机信息系统之间 传递、交换信息的媒介，也是控制和选择信息输入输出的主要途径，因 此，用户界面的设计在软件的设计中占有非常重要的地位，一般来说， 应遵守如下原则： ( 1 ) 界面直观，能够自行引导用户进行系统的操作； 厂嗣 动机构选 型及设计 主刹车的选 型及设计 辅助刹车的 选型及设计 i 柬习ln 蟊蓊j 虿 l 传动机构的li 主刹车的强i | 辅助刹车的 件库ili 度计算| i 强度计算il 度计算 i f 强度计算 其他 零部 件设 计计 算 一生盛堡堂卜一 图3 。1 石油系列绞车设计分析软件结构框图 2 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章石油系列绞车设计分析软件的开发 ( 2 ) 操作简单，无需记忆太多复杂繁琐的命令或处理过程； ( 3 ) 界面风格和操作方式一致。 在界面设计上，该软件摒弃了v i s u a lb a s i c 默认的传统软件界面，运 用v i s u a lb a s i c 的用户控件模块，开发了具有x p 风格的用户界面、按钮 以及文本框，让用户耳目一新，与现在人们普遍应用的w i n d o w sx p 系 统的相一致。 1 ) 软件启动界面 同大多数软件一样，该软件也设计了启动界面，如图3 2 所示。方 便于用户了解该软件的用途、开发平台、设计者信息、联系方式，以及 该软件的版本和授权。 2 ) 软件主界面 软件主界面如图3 3 所示。主界面上有“系统”、“总体设计”、。滚 筒设计及分析”、“刹车系统”、“传动系统”、“其它零部件”、“查看结果 文件”、和“帮助”等八项一级菜单。用鼠标单击这些菜单，便会出现相 应的下拉子菜单。各个菜单所含子菜单如图3 - 4 所示。单击末级菜单便 会出现相应的计算窗口。 3 ) 设置默认保存路径 单击“系统”菜单下的“设置保存路径”子菜单，弹出“设置默认 保存路径”窗口，如图3 5 所示。然后单击“浏览”按钮，弹出工作路 径