（机械工程专业论文）zj402250ldb钻机绞车设计计算.pdf

摘要 z j 4 0 2 2 5 0 l d b 钻机绞车是整部钻机的核心部件，具有起下钻具、下套管、控制钻 压、送进钻具、处理卡钻事故、整体起放井架等功能。其性能好坏直接关系到整部钻机 的使用效果，用户对绞车的使用性能和可靠性能格外关注。本文首先对绞车做整体结构 设计，设计工程中充分考虑钻井工艺对绞车的总体要求，采纳了钻井人员对绞车提出的 意见和建议，提出设计原则，满足a p i 相应规范和行业标准要求。然后，采用材料力学 方法对绞车进行强度分析，保证满足强度安全需要。接着采用有限元方法对绞车传动轴 进行计算校核，保证结构合理，使用安全。最后对绞车设计做概括总结。本文对绞车进 行了系统的设计计算，为绞车的使用提供了有力的理论依据。该绞车已经通过工厂试验， 并且已经投入工业性使用，反应效果良好。 关键词：钻机，绞车，设计，计算，校核 d e s i g na n dc a l c u l a t i o no fz j 4 0 2 2 5 0 l d br i gd r a w w o r k s l i a n gj i a n c h e n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q im i n g x i a a b s t r a c t d r a w w o r k si st h ec o r ec o m p o n e n to fz j 4 0 2 2 5 0 l d br i g ；i th a st h ef u n c t i o n so f d i s m o u n t i n gd r i l lt o o l s ，r u n n i n gc a s i n g s ，c o n t r o l l i n gd r i l l i n gp r e s s u r e ，h a n d l i n gj a m m i n g a c c i d e n t ，a sw e l la sr a i s i n g l o w e r i n gm a s ta n ds u b s t r u c t u r e i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c tt h e w h o l er i g ，t h u st h eu s c tp a y ss p e c i a la t t e n t i o nt ot h eo p e r a t i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h e d r a w w o r k s i nt h i sp a p e r ，i th a sb e e nf i r s td o n et h a tt od e s i g nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e d r a w w o r k s ，i nw h i c ht h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t si sf u l l yc o n s i d e r e da s k e df o rd r i l l i n g e n g i n e e r i n gp r o c e s st ot h ed r a w w o r k s ，v i e w sa n ds u g g e s t i o n sp u tf o r w a r db yd r i l l i n g d r a w w o r k ss t a f fi sa d o p t e d ，t h ed e s i g np r i n c i p l e si sp u tf o r w a r dt om e e ti n d u s t r ys t a n d a r d s c o r r e s p o n dt on o r m sa n dt h ec o r r e s p o n d i n ga p i t h e n ，t h em e c h a n i c a lm e t h o di su s e df o r s t r e n g t ha n a l y s i so ft h ed r a w w o r k st oe n s u r et h es t r e n g t ht om e e ts e c u r i t yn e e d s f o l l o w i n g ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t ea n dc h e c kd r a w w o r k st r a n s m i s s i o ns h a f tt oe n s u r e t h a ts t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ea n ds a f et ou s e l a s t l y , t od ot h ef i n a ls u m m a r i z e df o rd e s i g no f t h ed r a w w o r k s i nt h i sp a p e r , d e s i g na n dc a l c u l a t i o nf o rad r a w w o r k ss y s t e mh a sb e e nd o n e ， i no r d e rt op r o v i d eas t r o n gt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eu s eo fd r a w w o r k s t h ed r a w w o r k sh a s p a s s e df a c t o r yt e s t sa n dh a sb e e np u ti n t oi n d u s t r i a lp u t ，a n dh a sw e l lr e a c t i o n k e y w o r d s ：r i g ，d r a w w o r k s ，d e s i g n ，c a l c u l a t i o n ，c h e c k i n g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者躲辫牡 日期：年厂月，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 避透 指导教师签名：三殛 日期：多哆年厂月l 1 日 日期： 1 年3 一月，l 日 中国石油人学( 华东) 工程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题意义 z j 4 0 2 2 5 0 l d b 钻机是机电混合驱动钻机，属于中深井钻机，目前占有很大的市场 份额，受到钻井承包商的普遍欢迎，开发好该类型钻机具有重要意义。不仅能减少事故 的发生，减轻操作工人的劳动强度，加快钻井进尺速度，而且作为钻井承包商，在钻井 招投标过程中具有重要的优势。绞车是钻机的核心部件，具有多重功能： ( 1 ) 用以起下钻具、下套管。 ( 2 ) 钻井过程中控制钻压，送进钻具。 ( 3 ) 钻井过程中出现故障用于处理卡钻事故。 ( 4 ) 整体起放井架。绞车的设计好坏直接关系到整部钻机的使用效果。 本文对绞车做整体结构设计，设计工程中充分考虑钻井工艺对绞车的总体要求，采 纳了钻井人员对绞车提出的意见和建议，符合钻机使用方对绞车的各项要求。不仅解决 了用户提出的问题，而且通过对z j 4 0 2 2 5 0 l d b 钻机绞车进行系统的设计，采用材料力 学方法进行强度分析，采用有限元方法对传动轴进行计算，为绞车的使用提供了有力的 理论依据。 1 2 石油钻机绞车的现状与发展 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，美国c o n t i n e n t a le m s c o 公司推出的e l e c t r o h o i s t v 型电驱动绞车，用于海上 钻井作业，其输入功率为3 7 3 0k w ，是目前世界上功率最大的绞车。该绞车适用钻深6 0 9 6 m 以上，快绳拉力为9 4 8k n ，滚筒直径长度为1 2 1 9 m m 2 4 3 8 m m ，有效绳数为1 2 、1 4 和1 6 时大钩载荷分别为9 0 7 0 、1 0 2 2 0 和1 1 2 6 0k n 。现阶段，绞车主要有以下几种类型： ( 1 ) 从动力上分类，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 力驱动两种型式；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 一直流( 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、五轴和各位单 轴的主、辅绞车等。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 第一章绪论 头转速提高，位置过低，操作不便；双轴绞车是将滚筒和猫头各自装在两根轴上，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 常用的绞车结构型式；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，但不足是机构复杂，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，这在超深井和海洋钻井 中应用较多。 ( 3 ) 从变速调节状况分类，一般可分为一档、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，多考虑在机械传 动的情况下使用，倒档完全靠齿轮换向装置实现。 绞车的设计主要取决于所配套钻机的类型，以及用户的使用习惯的要求。目前的常 规钻机主要有机械驱动钻机，机电混合驱动钻机，直流电驱动钻机，交流变频电驱动钻 机。 机械驱动钻机主要是以柴油机为动力，通过液力耦合器或变矩器，链条并车箱对动 力进行传递与分配。一路动力经过并车箱传递给泥浆泵，一路动力经过并车箱传递给节 能发电机( 对于配置柴油机液力耦合器) ，一路动力经过并车箱传递给绞车。绞车动力 一方面通过钢丝绳传递给悬吊系统，一方面通过爬坡万向轴传递给转盘驱动箱。该类钻 机绞车主要由以下几部分组成：绞车架、滚筒轴总成、中间轴总成、输入轴总成、输出 角传动箱、润滑系统、控制系统、制动系统等部分组成。主刹车有液压盘刹和带式刹车， 随着液压盘刹技术的不但成熟和发展，绞车多用液压盘式刹车。辅助刹车有电磁涡流刹 车、水刹车、伊顿刹车等方式，目前多配置电磁涡流刹车或伊顿刹车。两种配置技术均 已成熟，具体配置哪一种根据用户的使用习惯而定。目前，该绞车在一些小型钻机，实 力不是很强的钻井公司比较受欢迎。 机电混合驱动钻机的动力主要有两个方面的来源。一方面以柴油机为动力，通过液 力耦合器或变矩器，链条并车箱对动力进行传递与分配。一路动力经过并车箱传递给泥 浆泵，一路动力经过并车箱传递给节能发电机( 对于配置柴油机液力耦合器) ，一路动 力经过并车箱传递给绞车，绞车动力通过钢丝绳传递给悬吊系统。另一方面以交流变频 电机为动力，通过转盘驱动箱传递给转盘。该类钻机绞车主要由以下几部分组成：绞车 2 中国石油大学( 华东) - 丁程硕上学位论文 架、滚筒轴总成、中间轴总成、输入轴总成、润滑系统、控制系统、制动系统等部分组 成。主刹车有液压盘刹和带式刹车。辅助刹车有电磁涡流刹车、水刹车、伊顿刹车等方 式。目前配置型式为主刹车采用液压盘式刹车，辅助刹车采用电磁刹车或伊顿刹车。该 绞车不需要输出角传动箱，结构比前一种简单。目前，该类型绞车无论在中小型钻机还 是大型钻机上都普遍使用，它兼具机械钻机和交流电驱动钻机的优势、受到普遍欢迎。 在国内，该机型将在未来一段时间内被广泛使用。 直流电驱动钻机主要由直流电机提供动力。绞车、转盘、泥浆泵均由直流电机驱动。 该类钻机绞车主要由以下几部分组成：绞车架、滚筒轴总成、中间轴总成、输入轴总成、 润滑系统、控制系统、制动系统等部分组成。主刹车采用液压盘式刹车，辅助刹车采用 伊顿刹车。目前，该类型绞车无论在中小型钻机还是大型钻机上都普遍使用，但成本相 对机电混合驱动钻机要高一些。无论在国内还是在国外，该机型都被采用。 交流变频电驱动钻机主要由交流变频电机提供动力。绞车、转盘、泥浆泵均由交流 变频电机驱动。由于交流变频电机转速调节范围较大，绞车传动系统设计简单很多。目 前多采用单轴绞车，交流变频电机驱动减速箱，带动滚筒轴旋转。绞车减速箱有一档和 二档之分，视不同的钻机配置而定。绞车主刹车采用能耗制动，辅助刹车采用液压盘式 刹车。该绞车结构简单，使用维护方便，但整部钻机的控制成本较高。随着交流变频控 制技术的不但成熟，该钻机无论在国内还是在国外均被广泛使用。 目前，在国内钻井市场占优势的机型还是机电混合驱动钻机。它既具备机械钻机的 成本优势，又有交流变频电驱动钻机的使用优势，所以受到广泛关注。z j 4 0 2 2 5 0 l d b 钻机绞车就是为机电混合驱动钻机配置，具有广泛的市场前景。 1 3 本文研究思路和结构安排 本文首先对绞车做整体结构设计，提出设计原则，考虑满足a p i 相应规范和行业标 准要求，对用户提出的问题针对性解决。然后，采用材料力学方法对绞车进行强度分析， 保证满足强度安全需要。接着采用有限元方法对绞车传动轴进行计算校核，保证结构合 理，使用安全。最后通过工厂试验和工业性使用，证明该绞车完全满足“安全、可靠、 先进、方便、实用”的原则，符合a p i 规范和h s e 的相关规定和要求，整机性能达到 国内先进水平，用户反应良好。 3 第二章绞车总体设计 第二章绞车总体设计 2 1 设计总体原则 本文绞车的设计是配套在z j 4 0 2 2 5 0 l d b 钻机上使用。绞车的总体设计满足如下原 则： ( 1 ) 基本参数符合s y t 5 6 0 9 1 9 9 9 石油钻机型式与基本参数行业标准的规定， 并与美国a p i 标准和国外其它先进标准接轨。 ( 2 ) 采用国内外成熟的先进技术和结构，借鉴现有的研究成果并注意符合有关标 准要求。 ( 3 ) 采用模块化设计，多种组合方式，增强通用性、互换性，适应不同用户和需 求。 ( 4 ) 配套件尽可能选用国内产品，但为确保绞车整机性能，当国产产品不能满足 要求时，选用进口产品。 ( 5 ) 设计贯彻“可靠、安全，实用、经济”的原则。在满足绞车整机技术指标先进 性的前提下，提高绞车的可靠性能，达到提高钻井效率、加快钻井速度、降低钻井成本 的目的。采用简单的结构型式，达到实用经济的目的。 2 2 绞车的总体结构2 】 3 4 绞车的传动部分主要由输入轴总成、中间轴总成、滚筒轴总成三部分组成。输入轴 由输入i 轴、i i 轴通过球笼式万向轴连接，中间轴由中间i 轴、i i 轴通过球笼式万向轴 连接。三轴的动力通过链条进行传递，链条的润滑采用机油强制润滑。传动部分通过绞 车架体提供支撑，链传动在一个密闭的箱体内运行。输入i 轴、输入i i 轴、中间i 轴、 中间i i 轴总成可装配好后再往绞车架上安装怕j ，安装和拆卸时只要从绞车架的侧面进行 就可以了，非常方便。刹车采用液压盘式刹车和电磁涡流刹车，或者液压盘式刹车和 e a t o n 气动推盘式刹车6 | 。结构图和传动原理图如图2 1 与图2 2 。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 - 1 绞车结构筒图 r i g2 - 1 s t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h ed r a w w o r k s 2 3 总体设计计算 2 3 1 滚筒缠绳层数 图2 - 2 绞车传动原理图 f i g2 - 2 d r a w w o r k sd r i v es c h e m a t i c d o + 呶+ 罴 = 0 妒d 魂9 d 甄 式中：d 滚筒直径，d o = 6 4 4 m m ； 钢丝绳直径，呔- - 3 2 m m ； 5 取g 游= 8 0 k n 缈系数 伊= o 9 z 一最多绳数 z 慨= 1 0 z 钻井绳数 l 立根长度 n 每层排数 z = 8 l = 2 8 m ，岛 1 1 一 + l 筒，滚筒长度 l 筒= 1 2 0 8 m m 钢丝绳直径增量= 1 m m n = 鼻：堡：3 6 6 如+ 3 2 + 1 一 将已知数值代入方程并解方程可得：e - 3 7 ，取e = 4 ( 层) 。 2 3 2 滚筒平均工作直径 d 平2 或+ ( e 伊+ i ) 噍6 4 4 + ( 4 x o 9 + 1 ) 3 2 ：6 8 0 2 3 3 效率计算 万向轴 = 0 9 9 ； 链传动 游动系统效率 = 0 9 7 。 一z + i 一8 + 1 = r 2 = 0 9 72 = o 8 7 z m a x + l l 0 + 一i 。= 7 7 2 = o 9 72 = 0 8 5 ： 滚筒缠绳及滚筒轴效率 钕= 0 9 7 ； 轴承效率 ：0 9 9 ； 绞车传动效率 佩= 3 2 ：0 9 9 3x0 9 7 2 = o 9 1 3 。 2 3 4 滚筒在各档下的速比与转速 按柴油机转速1 3 0 0 ( r m i n ) 2 3 5 钩速和提升能力 钩速vi=丝咝，：盟：735kw，60z 墩讯”儿 6 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 q 2 等等，壤2 警，崛一s o 斟； p：兰挚，取g游。：100knmax _ 一珊“ 么。7 7 游。 提升能力( 钩载) q i ，快绳拉力壤，最大快绳拉力 表2 - 1 速比与转速 t a b l e2 - 1r e va n ds p e e dr a t i o 档数 ii i i i i 9 5 2 12 4 31 4 0l n ( r m i n ) 5 2 79 1 11 9 5 43 3 7 7 表2 - 2 各档下的钩速、钩载、快绳拉力 t a b l e2 - 2h o o ks p e e d ，h o o kl o a d ，r a p i d n e s sl i n ep u l lu n d e re v e r yl e v e l 档位 ii ii i i 钩速m s o 2 3o 3 5o 8 41 4 5 q 钩载k n 2 2 8 91 5 1 06 2 83 6 3 快绳速度m s 2 33 58 41 4 5 尸快快绳拉力k n 2 8 71 8 67 7 4 4 2 - 3 6 快绳拉力与钢丝绳的安全系数 最大钩载时的快绳拉力： = z 。叩游。a x 2 2 5 0 + 10 0 ：2 7 6 4 7 l k n ， 一= i n 1 0 0 8 5 最大钻柱重量：q 柱= ql = 3 0 0 4 0 0 0 = 1 2 0 0 1 0 3n = 1 2 0 0 k n 最大钻柱重量时的快绳拉力： 尸钻2 z 1 2 0 0 + 8 0 ：1 8 3 9 k n 。 8 0 8 7 选6 s ( 1 9 ) 3 2 0 1 4 0 0 特光左交钢芯钢丝绳，真破断拉力为p 断= 6 1 7 k n e 7 8 。 ( 1 ) 最大钩载时的安全系数 n 大2 老= 丽6 1 7 = 2 2 3 2 所以安全。 ( 2 ) 钻井时的安全系数 7 第二章绞车总体设计 肾每= 罴= 3 3 6 3 删安全。 重量储备系数：k 储2q f 嗽q 柱= 2 2 5 0 1 2 0 0 = 1 8 7 5 。 2 4 主要部件设计 根据工作原理可知当绞车处于最低档时受力最大，即为最差工况9 | ，所以就选在这 种情况下设计输入轴和中间轴。 2 4 1 输入轴i 设计 由额定输入功率可知输入轴的最大扭矩： d7 气气 l = 9 5 5 0 - - - = 9 5 5 0 x 二，二= 1 4 2 0 9 n m( 2 1 ) 输入轴的材料为3 5 c r m o 查 1 】中表1 9 3 2 得：许用转应力 【f 】= 5 2 m p a 输入轴的最小直径计算： d 编= 5 x1 4 2 0 亚9 x 1 0 3 = n m m 取d = 1 5 5m m 。 ( 1 ) 拟定轴上零件的装配方案 ( 2 2 ) 图2 3 输入轴i 的装配 f i g2 - 3a s s e m b l a g eo fi n p u ts h a f ti 3 2 8 9 9 n。2 6 4 0 3 一 538。 王写t a | 二2 6 4一7 8 -2 2 0 j 一 一 1 1 一 y 己0 已一0 2 ；_， 一将 j 。 直 爿斗号 翳卤 竿眢倒叱纵 臣。0 1 卜 一 3 ，d u i1 目 0 -e 气 l_p _ j1 12 0 0 2 3 冬2 e 8 91 0 8 中国石油人学( 华东) t 程硕士学位论文 图2 - 4 输入轴i 的结构 f i g2 - 4 s t r u c t u r eo fi n p u ts h a f ti ( 2 ) 为了满足半联轴器的周向定位要求，l 一2 轴段右端需制出一轴肩，故取 d 2 一，= 1 6 0 m m ，半联轴器与轴配合的毂孔长度一：= 2 5 0 m m ，右端半联轴器与轴承之间 用隔套分开岛圳= 4 6 0 m m 。 ( 3 ) 选择轴承 由于轴承同时受径向力和周向力的作用，故选用调心滚子轴承，参照工作要求，并 根据d 2 一，= 1 6 0 m m ，由轴承产品目录选取轴承2 2 2 3 2 ，其尺寸为d x d x t = 1 6 0 x 2 9 0 x 8 0 ， 而轴承与轴之间采用隔套定位，轴承右端连着链轮需轴肩定位，取 以一4 = 1 6 5 m m ，乞一3 = 7 8r n n l 右端轴承处同样。 ( 4 ) 取安装链轮处的直径d 4 一。= 1 7 0 m m ，链轮左端与左轴承之间采用隔套定位， 己知链轮的轮毂宽度为5 5 m m ，为了使隔套端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂 宽度一5 = 5 5 n l l n ，而右端需制一轴肩定位，取d 5 一。= 1 8 5 m m ，毛一6 = 2 0 m m ，右端安装链 轮处相同。 至此已初步确定轴的各段长度和直径。 ( 5 ) 轴上零件的周向定位 链轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接，按安装链轮、半联轴器段的直径 选取平键，z 5 2 链轮处选键b 4 0 x 5 0 ，z 2 0 链轮处选键b 4 0 x 2 0 0 ，左端半联轴器处选 c 4 0 x2 0 0 ，右端半联轴器处选c 4 0 x2 2 0 ，两端安装半联轴器处平键的采用两个9 0 。夹角 平键布置，这样对中性好，便于定位。 ( 6 ) 确定轴上圆角和倒角尺寸。 2 4 2 输入轴i i 设计 输入轴i i 与输入轴i 的设计方法相同，由于它们有同步万向联轴器相连，所以它们 的扭矩是相同的，轴的材料又是相同的，所以它们的最小直径就是相同的。 9 第二章绞车总体设计 图2 - 5 输入轴的装配 f i g2 - 5a s s e m b l a g eo fi n p u ts h a f t i 一 枷 一 多t 多八 岂签夕 一 1 2 s 一 ， ，娃吲 蚴、 f ，一 奶。，盆弘 墨墨 、 - _ 一、 一 j 寓 童 j l 兰 j “ 8 l 2 3 强， 矿 4 5 v 圳 6 - l z i 2 5 05 2 65 -_- 5 z l _ r 口5 图2 - 6 输入轴的结构 f i g2 - 6 s t r u c t u r eo fi n p u ts h a f t ( 1 ) 根据拟定的轴上零件的装配方案可知，为了满足半联轴器的周向定位要求， 1 2 轴段右端需制出一轴肩，故取d 2 一，= 1 6 0m r l l ，半联轴器与轴配合的毂孔长度 ，i 一2 = 2 5 0 m m ，右端半联轴器与轴之间采用平键连接z 7 一。= 2 0 0 m m 。 ( 2 ) 选择轴承 由于轴承同时受径向力和周向力的作用，故选用调心滚子轴承，参照工作要求，并 根据d 2 一，= 1 6 0 m m ，由轴承产品目录选取轴承2 2 2 3 2 ，其尺寸为dx d x t = 1 6 0 x 2 9 0 x 8 0 ， 而轴承与轴之间采用隔套定位，轴承右端连着链轮需轴肩定位，取以一。= 1 9 0 i l l l t i ， 厶一，= 1 6 7m m 右端轴承处同样。 ( 3 ) 取安装链轮处的直径以一。= 1 7 0 m m ，链轮右端与右轴承之间采用隔套定位， 已知链轮的轮毂宽度为2 0 1 m m ，为了使隔套端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮 毂宽度毛一6 = 2 0 0 m m ，而左端需制一轴肩定位，取d 4 5 = 2 0 0 m m ，一5 = 5 9 m m 。 至此已初步确定轴的各段长度和直径。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文 ( 4 ) 轴上零件的周向定位 链轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接，按安装链轮、半联轴器段的直径 选取平键，链轮处选键b 4 0 x 2 0 x 2 0 0 ，左端半联轴器处选c 4 0 x 2 0 0 ，右端半联轴器处 选c 3 6 x 1 2 5 ，两端安装半联轴器和安装链轮处平键的采用两个9 0 。夹角平键布置，这样 对中性好，便于定位。 ( 5 ) 确定轴上圆角和倒角尺寸。 2 4 3 中间轴i 设计 由额定输入功率可知： 名= p x r l 系= 7 3 5 x 0 9 1 3 = 6 7 1 k w 2 姒页1 = 4 9 4 x 4 2 2 0 ，= 2 3 5 2 4 r m i n ( 2 3 ) t , = 9 5 5 0 刀p 由中= 9 5 5 0 x 2 3 6 5 7 2 1 4 = 4 。7 7 1 4 n 佃 中间轴的材料为3 5 c r m o 查 1 0 表1 9 3 2 得：许用转应力 【f 】_ 5 2m p a 中间轴的最小直径： 抡搞= 5 x 4 0 7 7 1 4 x 1 0 3 。= 1 5 2 6 8 一 取d ：1 5 5m 1 。 ( 1 ) 拟定轴上零件的装配方案 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 图2 7 中间轴i 的装配 f i g2 - 7a s s e m b l a g eo fm i d d l es h a f ti 第二章绞车总体设计 1 饩 6 1 75 l 8 信x 一一 2 0 0 ；。 一 2 0 0 。 龟 8 0 刮：， 电 1 到眵2 x 弋5 - 一 r 】 z 乙 己纽凹 澎缁勉缆0 = 一q k 蚀l 器宅 2 = o 。 m j 上 - ) - - e 锾嬲、嵫 e ee l 5 虹 一2 0 0 j 巧 缢c 2 2 7 2 5 6墼 z u ：一0 8： 一 【6 8 b )二 一 34 图2 - 8 中间轴i 的结构 f i g2 - 8 s t r u c t u r eo fm i d d l es h a f ti ( 2 ) 为了满足半联轴器的周向定位要求，半联轴器与轴承之间采用弹簧挚圈相连， 右端需制轴肩，故取d ：一，= 1 6 0 m m ，半联轴器与轴配合的毂孔长度一：= 2 5 0 m m ，右端 离合器与轴承之间用隔套分开厶一。= 2 0 0 m m 。 ( 3 ) 选择轴承 由于轴承同时受径向力和周向力的作用，故选用调心滚子轴承，参照工作要求，并 根据d ：一，= 1 6 01 t l l r l ，左端轴承由轴承产品目录选取轴承2 2 2 3 2 ，其尺寸为 d x d t = 1 6 0 x 2 9 0 8 0 ，右端轴承由于受力较大，采用三个轴承分上下两排布置，上 面采用调心滚子轴承，选轴承2 3 0 6 4 ，其尺寸为3 2 0 x 4 8 0 1 2 1 ，下面采用一个圆柱滚子 轴承为轴承n u l 0 3 2 ，尺寸为1 6 0 x 2 4 0 3 8 ，和一个调心滚子轴承为轴承2 3 0 3 2 ，尺寸为 1 6 0 2 4 0 6 0 。 ( 4 ) 由于两个链轮相邻安装，中间需设一轴肩吃一4 = 1 8 5 i i l l l l ，毛一4 = 5 1 n l l t i ，考虑 到与其它轴配合选取0 ，= 4 8 1m m ，乞一3 = 6 1 7 m m 。 至此己初步确定轴的各段长度和直径。 ( 5 ) 轴上零件的周向定位 链轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接，按安装链轮、半联轴器段的直径 选取平键，z 1 9 链轮处选键b 4 0 x 2 0 0 ，安装半联轴器和离合器处均选c 4 0 x 2 0 0 ，安装 半联轴器、离合器和安装链轮处平键的采用两个9 0 。夹角平键布置，这样对中性好，便 于定位。 ( 6 ) 确定轴上圆角和倒角尺寸。 2 4 4 中间轴i i 设计 中间轴i i 与中间轴i 的设计方法相同，由于它们有同步万向联轴器相连，所以它们 的扭矩是相同的，轴的材料又是相同的，所以它们的最小直径就是相同的。因中间轴i i 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 要安装单向导气龙头和快排阀，所以离合器需采用径向式双气胎摩擦离合器 2 一三r 7 0 0 1 3 5 。 图2 - 9 中间轴的装配 f i g2 - 9a s s e m b l a g eo fm i d d l es h a f t 图2 1 0 中间轴的结构 f i g2 - 1 0 s t r u c t u r eo fm i d d l es h a f t ( 1 ) 据拟定的轴上零件的装配方案可知，为了满足半联轴器的周向定位要求，1 2 轴段右端需制出一轴肩，故取d 2 一，= 1 6 0m m ，半联轴器与轴配合的毂孔长度 一：= 2 5 0 m m ，右端半联轴器与轴之间采用平键连接易一。= 2 8 6 m m 。 ( 2 ) 选择轴承 由于轴承同时受径向力和周向力的作用，故选用调心滚子轴承，参照工作要求，并 根据d 2 一，= 1 6 0m m ，左端轴承由轴承产品目录选取轴承2 3 0 3 2 ，其尺寸为 d x d x t = 1 6 0 x 2 4 0 x 6 0 ，右端轴承由于受力较大，采用三个轴承分上下两排布置，上 面采用调心滚子轴承，选轴承2 3 0 6 4 ，其尺寸为3 2 0 x 4 8 0 1 2 1 ，下面采用一个圆柱滚子 轴承为轴承n u l 0 3 2 ，尺寸为1 6 0 x 2 4 0 x 3 8 ，和一个调心滚子轴承为轴承2 3 0 3 2 ，尺寸为 1 6 0 2 4 0 6 0 。 ( 3 ) 由于两个链轮相邻安装，中间需设一轴肩d 5 6 = 1 9 0 m m ，毛一6 = 2 3 5m m ，而z 3 4 第二章绞车总体设计 链轮左侧需设一轴肩豇5 = 2 1 0m m ，0 5 = 4 5m m 考虑到与其它轴配合选取，3 4 = 18 0m m ， 0 7 = 5 3 0 r a m 。 至此已初步确定轴的各段长度和直径。 ( 4 ) 轴上零件的周向定位 链轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接，按安装链轮、半联轴器段的直径 选取平键，z 3 4 链轮处选键b 4 5 x2 0 0 ，安装半联轴器和离合器处均选c 4 0 x2 0 0 ，安装 半联轴器、离合器和安装链轮处平键的采用两个9 0 。夹角平键布置，这样对中性好，便 于定位。 ( 5 ) 确定轴上圆角和倒角尺寸。 2 4 5 滚筒轴设计 从整个绞车结构考虑，滚筒应设计在滚筒轴中间，其两侧为刹车盘。为了与中间轴 链轮配合，高低速链轮设计在两边，电磁刹车设计在轴端。高低速挡是通过两个离合器 的挂合与脱开实现的，高速端选用a v b 9 0 0 2 5 0 气胎离合器，低速端选用a v b l 0 7 0 2 0 0 气胎离合器。如图2 1 1 所示。 图2 1 1 滚筒轴的装配 f i g2 11a s s e m b l a g eo f r o l l e rs h a f t 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 图2 1 2 滚筒轴的结构 f i g2 - 1 2s t r u c t u r eo f r o l l e rs h a f t ( 1 ) 滚筒轴与滚筒的配合轴径选用一大一小，便于安装，由于滚筒承受扭矩较大， 只用键连接容易造成滚键，故需要采用过赢配合。 ( 2 ) 滚筒轴高低速空套链轮与绞车架的旋转密封非常关键，以往的密封经常漏油， 改为如下的密封形式：甩油盘和甩油座通过螺栓连接，将链条甩起来的油挡在外面，另 外通过双重迷宫密封，彻底解决漏油问题。如图2 1 3 。 图2 1 3 滚筒轴旋转密封的结构 f i g2 - 1 3s t r u c t u r eo fr o l l e rs h a f t ( 3 ) 选择轴承 由于轴承同时受径向力和周向力的作用，故支撑轴承选用调心滚子轴承2 2 2 3 6 ，其 尺寸为d d t = 3 2 0 x 1 8 0 x 8 6 。空套链轮支撑轴承考虑扶正与装配拆卸方便，选用调心 滚子轴承2 2 2 3 4 ，其尺寸为d x d 丁= 1 7 0 x 3 1 0 x 8 6 和脱轨轴承n u 2 3 4 ，其尺寸为 d d t = 1 7 0 3 1 0 5 2 。 ( 4 ) 确定轴上圆角和倒角尺寸。 1 5 第三章绞车强度分析 3 1 滚筒轴链条力 3 1 1 链条力方向 第三章绞车强度分析 图3 - 1 绞车滚筒轴链条拉力 f i g3 - 1 p u l lo fw i n c hr o l l e rs h a f tc h a i n 图3 - 2 绞车中间轴链条拉力 f i g3 - 2 p u l lo fm i d d l er o l l e rs h a f tc h a i n 绞车的计算按最危险工况进行，即快绳拉力为最大时的工况进行。 低档中心轴链轮： z 4 = 1 9 ，p 4 = 5 0 8 ，d 4 = 3 0 8 6 3 5m m 低档滚筒轴链轮： z i = 7 4 ，a = 5 0 8 ，4 = 1 1 9 6 9 5 m m 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 求链条力与水平线的夹角。 两轴中心距： 口= 4 ( 1 2 1 0 + 5 9 ) 2 + ( 6 5 7 + 8 1 0 1 3 0 0 ) 2 = 1 2 7 9 9 4 m m 两链轮中心连线与水平线夹角口： 口：657+810-1300：0132tan 口= 一= 1 2 1 0 + 5 9 。口= 7 4 9 7 。 根据： 口，：望! 二望! ：119695-308635：0347tan 03 4 7口= l l = = 2 a2 1 2 7 9 9 4 。口= 1 9 1 3 7 5 0 = 口- - a = 7 4 9 7 1 9 1 3 7 5 = 一1 1 6 4 0 5 。 3 。1 2 作用在滚筒轴上的力 由基本参数可知快绳最大拉力& = 2 8 0 k n ，并近似认为快绳力为垂直拉力。 扭矩r = 喉譬= 2 8 0 丁0 8 0 7 2 = 1 1 3 。0 8 k n 。m f = k f 巧 ( 3 - 1 ) 式中：k ，为载荷系数，由 1 4 】表8 - 5 0 选得砗= 1 3 ； f 为有效圆周力。 e=等=器等=24926d 9 0 6 斟 ， = 一= 一= p l 7 5 1 0 。 f = 砟z = 1 3 x2 4 9 2 6 = 3 2 4 k n ( 3 2 ) 水平分力f = f c o s f l = 3 2 4 c o s ( - 11 6 4 0 5 。) = 3 1 7 3 3 6 k n ， 垂直分力 丘= f s i n f l = 3 2 4 xs i n ( 一11 6 4 0 5 。) = 一6 5 3 7 4 k n 。 1 7 第三章绞车强度分析 3 2 中间轴校核 卜 严彳，白 。1 t升， 孙34 ll i 叫l t j ，向i 。l 仁3 。 尘 *斗 工 。e i z 4 2 中l u - ：牟i习轴iz 2 4 6 3 t _ r 1 9 t 图3 - 3 中间轴校核 f i g3 - 3 m i d d l er o l l e rc h e c k 3 2 1 受力分析 图3 3 为中间轴的传动原理图。 绞车中间轴受链条力和自重力的共同作用，载荷特点是经常变化，并伴有振动和冲 击，计算工况取链条力最大工况即最低档工况。 根据工况可知当传动比大时受力大，所以选择最大受力的情况校核，即滚筒轴传动 链轮4 再由链轮6 传给输入轴上链轮9 。 7 4 滚筒轴与中间轴i 的传动比：2 蕾2 3 8 9 扭矩：= 了t = 等_ 3 8 3 4 8 蝌，( 3 - 3 ) 滚筒轴输出链条力( 即中间轴输入链条力) ： e ：3 2 4k n = 一11 6 4 0 5 。， 水平分力 只一= 3 1 7 3 3 6 k n ， 垂直分力 f 4 上= - 6 5 3 7 4 k n 。 中间轴输出链条力( 即输入轴输入链条力) 中间轴链轮6 ： z 6 = 4 2 ，p 6 = 5 0 8 ，以= 6 7 9 7 8 m m 1 8 中国石油大学( 华东) t 程硕上学位论文 输入轴链轮9 ： z 9 = 2 0 ，p 9 = 5 0 8 ，矾= 3 2 4 7m l t l 两轴中心距a ： a = 4 6 5 7 2 + 5 9 2 = 6 5 9 6 4 4 m m 两链轮中心线与水平线夹角口： t a n 口：6 5 7 ：1 1 1 3 6 5 9 a = 8 4 8 7 。 根据 t a i l o f p = d 6 - d 9 ：6 7 9 7 8 - 3 2 4 7 ：o 2 6 9 2 n2 6 5 9 6 4 4 口= 1 5 0 6 4 。 。= 口一口= 8 4 8 7 1 5 0 6 4 = 6 9 8 0 6 。， 阚帆2 警= 篇等= 1 1 2 8 2 k n 作用在轴上的力冗= k r 。e r ， 由【1 】表8 5 0 选得：砗= 1 3 e = 1 3 x l1 2 8 2 = 1 4 6 6 6 6k n 水平分力圪一= f 6 0 s i n f l = 1 4 6 6 6 6 x s i n 6 9 8 0 6 。= 1 3 7 6 5 k n 垂直分力层上= e c o s p = 1 4 6 6 6 6 x c o s 6 9 8 0 6 。= 5 0 6 3 k n 链轮重力： g 3 = 1 1 2 2 1 0 = 1 1 2 2 k n g 4 = 4 9 6 x 1 0 = 0 4 9 6 k n g 5 = 1 7 2 4 x 1 0 = 1 7 2 4 k n g 6 = 8 6 2 x 1 0 = o 8 6 2 k n 中间轴i 和中间轴i i 传递弯矩和扭矩，中间的同步万向联轴器只传递扭矩不传递弯 矩，故只校核中间轴i 和中间轴i i 即可。 3 2 2 中间轴i 的校核 作弯矩图和扭矩图如图3 5 、图3 6 、图3 7 、图3 8 。 1 9 第三章绞车强度分析 i k a 上 f i 上 。 胁厂， ， ， l j _ 卜 r4 i i 磊 ， 图3 - 4 中同轴i 的受力分析1 f i