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ZJ50型石油鉆機(jī)用動力絞車
傳動系統(tǒng)設(shè)計
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 生： 楊峰
指 導(dǎo) 教 師： 趙 毅 紅
完 成 日 期： 2014.05.20
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
摘 要
石油鉆機(jī)是油田油氣勘探開發(fā)極其重要的工具。石油鉆機(jī)一般由旋轉(zhuǎn)設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備、起升系統(tǒng)設(shè)備、動力驅(qū)動設(shè)備、傳動系統(tǒng)設(shè)備、控制系統(tǒng)設(shè)備、鉆機(jī)底座和輔助設(shè)備組成。絞車是石油鉆機(jī)速度變化及維持外頭恒定鉆壓的重要機(jī)構(gòu)，是鉆機(jī)的核心部件，直接決定著鉆機(jī)鉆進(jìn)能力。傳統(tǒng)機(jī)械傳動絞車體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難較好地滿足新型鉆井工藝的要求。ZJ50 絞車傳動簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，功率大且利用率高，調(diào)速性能好，安全可靠。
本文在對ZJ50型絞車的整體結(jié)構(gòu)及工作原理認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pro/E對ZJ50絞車傳動系統(tǒng)的所有組成元件進(jìn)行三維建模；并對滾筒、滾筒軸等重要部件進(jìn)行安全校核；最后運(yùn)用ANSYS對滾筒、滾筒軸和滾筒軸裝配體進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷ZJ50型絞車設(shè)計是否合理，能否滿足正常工作要求。ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化為絞車發(fā)展提供理論參考，具有一定的工程應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：絞車傳動系統(tǒng)，Pro/E，滾筒和滾筒軸，ANSYS，靜態(tài)和模態(tài)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 錄
摘要
Abstract
第一章 緒論 1
1.1石油鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡介 1
1.2絞車的結(jié)構(gòu)簡介 1
1.3絞車的功能及分類 2
1.4本次畢業(yè)設(shè)計的研究背景與意義 3
1.5石油鉆機(jī)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 4
1.5.1石油鉆機(jī)國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r 4
1.5.2石油鉆機(jī)國外的發(fā)展?fàn)顩r 5
1.6本次畢業(yè)設(shè)計目的 7
1.7本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)及要求 8
第二章 ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)介紹 10
2.1 ZJ50型絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則 10
2.1.1 絞車的使用工況及要求 10
2.1.2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則 10
2.2 ZJ50型絞車結(jié)構(gòu)及工作原理 11
2.2.1絞車結(jié)構(gòu)組成 11
2.2.2 絞車工作原理 12
2.3 絞車傳動系統(tǒng)參數(shù) 13
第三章 零件的三維造型 14
3.1三維造型概念 14
3.2 Pro/E 概述 14
3.3 Pro/E的特點(diǎn)和優(yōu)勢 14
3.4具體的零部件造型 16
3.4.1中間軸鏈輪的繪制 16
3.4.2整個傳動系統(tǒng)零部件的裝配圖及爆炸圖 26
3.5零件圖繪制總結(jié) 29
第四章 ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)主要部件的計算校核 30
4.1主剎車帶校核 30
4.1.1鋼（剎）帶兩端的拉力和制動力的計算 30
4.1.2鋼（剎）帶強(qiáng)度校核計算 32
4.1.3鋼（剎）帶鉚接強(qiáng)度校核計算 32
4.2主剎車帶校核結(jié)論 33
第五章 ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的有限元分析 34
5.1有限元法應(yīng)用 34
5.1.1 ANSYS軟件簡介 34
5.2 ZJ50型絞車滾筒的靜力分析 34
5.2.1 建立滾筒模型 34
5.2.2 滾筒材料溫室性能參數(shù) 35
5.2.3 模型的網(wǎng)格劃分 35
5.2.4 邊界條件 36
5.2.5 載荷工況分析 36
5.2.6 求解并分析結(jié)果 37
5.3 ZJ50型絞車滾筒的模態(tài)分析 39
5.3.1 滾筒有限元模型的建立 39
5.3.2 施加約束并求解 39
5.3.3模態(tài)結(jié)果分析 39
5.4 ZJ50型絞車滾筒軸的靜力分析 43
5.4.1建立滾筒軸模型 43
5.4.2 滾筒軸材料溫室性能參數(shù) 44
5.4.3 模型的網(wǎng)格劃分 44
5.4.4 邊界約束條件 45
5.4.5 載荷工況分析 45
5.4.6 求解并分析結(jié)果 46
5.5 ZJ50型絞車滾筒軸的模態(tài)分析 48
5.5.1 滾筒軸有限元模型的建立 48
5.5.2 施加約束并求解 48
5.5.3 模態(tài)結(jié)果分析 49
5.6 ZJ50型絞車滾筒軸裝配體有限元分析 52
5.6.1 建立滾筒軸裝配體有限元分析模型 52
5.6.2 材料屬性定義 53
5.6.3 網(wǎng)格劃分 53
5.6.4 定義邊界條件并施加載荷 54
5.6.5 求解并分析結(jié)果 55
總結(jié)與展望
致謝
參考文獻(xiàn)
ZJ50型石油鉆機(jī)用動力絞車傳動系統(tǒng)設(shè)計
楊峰 機(jī)械81001
第一章 緒論
1.1石油鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡介
在石油鉆井中，帶動鉆具破碎巖石，向地下鉆進(jìn)，鉆出規(guī)定深度的井眼，供采油機(jī)或采氣機(jī)獲取石油或天然氣。一部常用石油鉆機(jī)主要由動力機(jī)、傳動機(jī)、工作機(jī)及輔助設(shè)備組成。一般有八大系統(tǒng)（起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測顯示儀表、動力驅(qū)動系統(tǒng)、鉆機(jī)底座、鉆機(jī)輔助設(shè)備系統(tǒng)），要具備起下鉆能力、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能力、循環(huán)洗井能力。其主要設(shè)備有：井架、天車、絞車、游動滑車、大鉤、轉(zhuǎn)盤、水龍頭（動力水龍頭）及鉆井泵（現(xiàn)場習(xí)慣上叫鉆機(jī)八大件）、動力機(jī)（柴油機(jī)、電動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)）、聯(lián)動機(jī)、固控設(shè)備、井控設(shè)備等。
1.2絞車的結(jié)構(gòu)簡介
鉆井絞車是鉆機(jī)起升系統(tǒng)設(shè)備之一，是鉆機(jī)的核心部件?；窘Y(jié)構(gòu)構(gòu)成：1、滾筒、滾筒軸總成；2、制動機(jī)構(gòu)：主剎車和輔助剎車；3、貓頭和貓頭軸總成；3、傳動系統(tǒng)：傳遞動力、內(nèi)變速（多擋位）；4、控制系統(tǒng)：離合器、摘掛擋、司鉆控制臺；5、其它：潤滑系統(tǒng)、殼體支撐系統(tǒng)。
圖一
圖二
1.3絞車的功能及分類
（1） 主要功能：1、起下鉆具和下套管；2、控制鉆壓和送進(jìn)鉆具；
（2） 其它功能：根據(jù)絞車結(jié)構(gòu)形式不同附帶的功能也不同。1、帶貓頭結(jié)構(gòu)：上卸鉆具絲扣、起吊其它重物等；2、整體起放井架和底座；3、雙滾筒絞車：鋼絲撈砂作業(yè)、提取巖心。
（3） 要求：1、絞車要有足夠大的功率。滿足最大拉力、最高轉(zhuǎn)速、足夠的壽命；2、絞車滾筒要有足夠的尺寸和纏繩容量；3、絞車要適應(yīng)寬范圍的載荷變化，要有最高的功率利用率；4、絞車要有靈敏、可靠的剎車機(jī)構(gòu)和足夠能力的輔助剎車，能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆壓，均勻送進(jìn)鉆具，控制鉆具下放速度，剎車機(jī)構(gòu)要耐熱、耐磨；5、絞車要具有剛勁的支架和底座；密閉潤滑；6、司鉆操作要省力、方便。
（4） 根據(jù)絞車功能不同有不同的絞車結(jié)構(gòu)：1、帶撈砂滾筒和不帶撈砂滾筒，即通常說的單滾筒絞車和雙滾筒絞車；2、無貓頭軸絞車。鉆機(jī)鉆臺上單獨(dú)配置液壓貓頭。
（5） 根據(jù)絞車傳動形式不同有不同的絞車結(jié)構(gòu)，這是絞車設(shè)計中變化最多的結(jié)構(gòu)。1、單軸絞車。絞車只有滾筒軸，結(jié)構(gòu)非常簡單。典型實(shí)例：車裝鉆機(jī)絞車外變速（阿里森變速箱）；交流變頻傳動調(diào)速電機(jī)驅(qū)動絞車；2、雙軸絞車：類似于單軸絞車，絞車內(nèi)無變速功能，只是比單軸絞車多了貓頭軸；3、三軸絞車：絞車中增加了一根動力輸入的傳動軸，絞車內(nèi)變速。其結(jié)構(gòu)較單、雙軸復(fù)雜。我國早期和傳動的絞車都是這種形式；4、多軸絞車：將四軸以上的絞車都稱之為多軸絞車。即動力輸入軸、中間軸（多根）、貓頭軸、滾筒軸；5、獨(dú)立貓頭軸－多軸絞車：絞車主體（輸入軸、中間軸、滾筒軸等）低位安裝，位于后臺底座，小功率的貓頭軸高位安裝，位于鉆臺上；6、齒輪傳動單軸絞車：現(xiàn)在電驅(qū)動鉆機(jī)中普遍實(shí)用的結(jié)構(gòu)，直流或交流變頻調(diào)速電動機(jī)直接驅(qū)動減速或變速齒輪箱，以驅(qū)動滾筒軸。
（6）根據(jù)絞車制動形式不同有不同的絞車結(jié)構(gòu)：1、近距離剎車制動絞車；2、遠(yuǎn)距離帶剎車制動絞車；3、氣動無剎把帶剎車制動絞車；4、液壓盤式剎車制動絞車；5、水剎車輔助剎車絞車；6、電磁渦流剎車輔助剎車制動絞車；7、水冷氣動盤式剎車輔助剎車制動絞車。
8、能耗制動無輔助剎車絞車。
1.4本次畢業(yè)設(shè)計的研究背景與意義
據(jù)我國海洋石油2015 年遠(yuǎn)景規(guī)劃，我國將有30 多個油田待開發(fā)，需建造70 多座平臺，新建和改造10 多艘FPSO，其中中海油需建造55 座海洋平臺，6 艘FPSO，4 個陸地終端、鋪設(shè)海底管線1000 多公里，投資總量每年將以百億元以上遞增。在此背景下，作為海洋工程裝備必不可缺少的海洋鉆機(jī)必定有大量的市場需求。另外目前我國在用鉆井設(shè)備大多屬于較落后的機(jī)械鉆機(jī)，由于機(jī)械鉆機(jī)存在工作效率低、勞動強(qiáng)度大、安全性差等缺點(diǎn)，因此急需進(jìn)行更新，從而將產(chǎn)生大量更新需求。
ZJ50型絞車傳動是鉆機(jī)的傳動系統(tǒng)之一，它不但擔(dān)負(fù)鉆機(jī)起下鉆具和下管套及上卸扣，還擔(dān)負(fù)著鉆頭鉆進(jìn)過程中控制鉆壓、處理事故，以及提取巖芯筒、試油等作業(yè)。同時還擔(dān)負(fù)著井架及鉆機(jī)前后臺起升和降落任務(wù)。傳統(tǒng)機(jī)械傳動絞車體積大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，很難較好地滿足新型鉆井工藝的要求，ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)克服傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動絞車的不足，具有鉆井性能好、啟動平穩(wěn)、絞車功率大、調(diào)速性能好、功率利用率高、安全可靠、絞車操作省力，控制先進(jìn)，傳動簡單 ，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)速范圍大，效率高,壽命長，工作安全可靠等特點(diǎn)。較好的簡化了絞車結(jié)構(gòu)。并具有適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)新穎的特點(diǎn)。
1.5石油鉆機(jī)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r
1.5.1石油鉆機(jī)國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r
縱觀我國石油鉆機(jī)的歷史，其發(fā)展主要由4個因素所決定：一是鉆機(jī)的有效使用年限，它決定其更新或改造周期。二是鉆探深度(地質(zhì)構(gòu)造)，它決定鉆機(jī)的市場方向是淺井、中深井還是深井。三是從鉆機(jī)的效率和效益出發(fā)，決定鉆機(jī)的驅(qū)動形式是機(jī)械驅(qū)動或是電驅(qū)動，結(jié)構(gòu)型式是橇裝還是車裝。目前國內(nèi)陸地石油鉆井業(yè)中，淺井鉆機(jī)、中深井和深井鉆機(jī)兼而有之，以中深井較多；在驅(qū)動型式上以機(jī)械驅(qū)動為主；在結(jié)構(gòu)方式上以橇裝為主。四是市場的有效需求，它決定鉆機(jī)的發(fā)展規(guī)模。自2o世紀(jì)9o年代以來，由于鉆機(jī)制造技術(shù)、部件質(zhì)量和研發(fā)能力的提高，研發(fā)速度加快，研制成功 6oL型、 —6oD型和 —60DS型機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)和電驅(qū)動鉆機(jī)，并朝系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化方向發(fā)展，鉆機(jī)的性能指標(biāo)已達(dá)到GB1806--86的規(guī)定。國產(chǎn)鉆機(jī)已形成系列，鉆深有1 500、2 000、3 200、4 500和6 000 m；驅(qū)動方式除常規(guī)的柴油機(jī)-膠帶驅(qū)動和柴油機(jī)-液力變矩器驅(qū)動外，還有AC-SCR-DC驅(qū)動。尤其是4 500 m以淺鉆機(jī)在提高移運(yùn)性上成績斐然，橇裝鉆機(jī)模塊化程度大大提高，其中3 000 m 以淺鉆機(jī)采用自走式運(yùn)載車、伸縮式井架，大大降低了移運(yùn)成本，且均擁有自主知識產(chǎn)權(quán) 。目前，我國石油鉆機(jī)的品種和質(zhì)量基本滿足了國內(nèi)不同地區(qū)、不同井深的需要。已有一批國產(chǎn)石油鉆機(jī)在國外承擔(dān)鉆井作業(yè)服務(wù)，有一些在國內(nèi)區(qū)塊承擔(dān)反承包鉆井，并受到好評。從國內(nèi)鉆機(jī)生產(chǎn)能力上看，寶雞石油機(jī)械廠、蘭州石油化工機(jī)器總廠、四川宏華公司等主要生產(chǎn)中深井鉆機(jī)；江漢四機(jī)廠主要生產(chǎn)、3 000 m以淺車裝淺井鉆機(jī)；南陽石油機(jī)械廠主要生產(chǎn)車裝和橇裝模塊式中淺井鉆機(jī)，生產(chǎn)的替代大慶130型的模塊化鉆機(jī)，已經(jīng)過多井次的工業(yè)化試驗。該廠3 000 m車裝鉆機(jī)已生產(chǎn)3O多臺，目前有20余臺車裝及橇裝鉆機(jī)在國外服務(wù)，其中由長城鉆井公司牽頭組織、南陽石油機(jī)械廠生產(chǎn)的 l20K鉆機(jī)自1997年就開始在加拿大進(jìn)行鉆井作業(yè)，使用情況良好。此外，北京石油機(jī)械研究所與大港新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司共同完成了D(}_一30Y頂驅(qū)工業(yè)性試驗，北石所研制的為ZJTOD配套的頂驅(qū)已在克拉瑪依和塔里木完成2口井的工業(yè)試驗。南陽石油機(jī)械廠引進(jìn)意大利輕便頂驅(qū)技術(shù)與3 000 m車裝鉆機(jī)配套后到印尼服務(wù)，與石油大學(xué)(北京)合作的盤式剎車技術(shù)已應(yīng)用于3 O00 m鉆機(jī)，并投放到勝利油田及墨西哥市場。
1.5.2石油鉆機(jī)國外的發(fā)展?fàn)顩r
為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠和丘陵等不同地帶油氣藏的勘探和開發(fā)，美國、德國、法國、意大利、加拿大、墨西哥和羅馬尼亞等國先后開發(fā)了各種類型的石油鉆機(jī)。其中美國的鉆機(jī)技術(shù)和銷售業(yè)績在世界上穩(wěn)居首位，所以與國際技術(shù)接軌，實(shí)際上是與以美國為代表的鉆機(jī)技術(shù)及API規(guī)范接軌。就我國目前普遍使用的機(jī)械驅(qū)動鉆機(jī)而言，美國在20世紀(jì)60年代已經(jīng)成熟，到70年代得到迅速發(fā)展。近年來，國外鉆機(jī)在傳動方式和結(jié)構(gòu)形式方面發(fā)展很快，交流變頻電驅(qū)動已經(jīng)廣泛使用，頂驅(qū)發(fā)展也十分迅速。今后石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢是多樣化、兩極化、自動化和人性化。
1．類型趨于多樣化
近幾年來，根據(jù)井位環(huán)境差異和鉆井工藝需要，開發(fā)出不同類型的石油鉆機(jī)，如適應(yīng)各種環(huán)境的沙漠鉆機(jī)、海洋鉆機(jī)、淺?；蚝┿@機(jī)、極地鉆機(jī)、城市鉆機(jī)、地震區(qū)鉆機(jī)、全地彩鉆機(jī)、直升機(jī)吊運(yùn)鉆機(jī)和陸地鉆機(jī)等?；適應(yīng)各種鉆井工藝的叢式井鉆機(jī)、斜井鉆機(jī)、小井眼 右機(jī)、特深井鉆機(jī)、自走式鉆機(jī)、自動化鉆機(jī)、柔桿鉆機(jī)、模塊化鉆機(jī)等 引。盡管鉆機(jī)的類型多種多樣，但新型鉆機(jī)的發(fā)展有一個共性，即在重視鉆機(jī)作業(yè)性能的基礎(chǔ)上，逐步重視鉆機(jī)的移運(yùn)性能。這是因為對鉆井承包商而言，其鉆井成本主要包括兩方面：一是直接鉆井成本，二是輔助鉆井成本，包括運(yùn)載成本和停工成本，而運(yùn)載成本和停工成本均與鉆機(jī)本身有直接關(guān)系。
2．規(guī)模趨于兩極化
石油鉆機(jī)在規(guī)模上有兩極發(fā)展的趨勢，即深井鉆機(jī)大型化和輕便鉆機(jī)小型化。
(1) 深井鉆機(jī)趨向大型化
鉆深能力已達(dá)l5000 m，最大鉤載達(dá)12 500 kN。為了提高起升工作效率，絞車功率趨向于提高。美國Emseo公司研制的號稱世界上第一臺輸人功率為3 676 kW 的絞車已問世，該絞車由4臺大扭矩的直流電動機(jī)驅(qū)動，采用強(qiáng)制水冷盤式剎車，起升鋼絲繩直徑5Omln。鉆井泵單臺最大功率l 618 kW ，最高壓力52．7 MPa。原蘇聯(lián)、羅馬尼亞的鉆機(jī)系列中，絞車輸人功率最大l 838 kW。特深井鉆進(jìn)都采用4個單根組成的立柱，故井架高度超過50m。德國KTB超深井使用的u．IB—lGH3OOOEG鉆機(jī)，井架最高為63 m?？紤]安裝防噴裝置的需要，井架底座最高達(dá)l2．12 m。一般在深井中都用339．725 mill×70 MPa的防噴器組。隨著鉆大井眼的需要，大尺寸高壓防噴器也有新的發(fā)展，德國KTB超深井中已使用476．25 mln×70MPa防噴器組。目前美國可提供476．25 mill×105MPa防噴器。為了把環(huán)形防噴器工作壓力從35MPa提高到70 MPa，美國Shatter公司推出了兩個串聯(lián)膠心的環(huán)形防噴器。另外，還推出快拆法蘭結(jié)構(gòu)防噴器，拆換膠心方便，省去現(xiàn)場裝卸螺栓的繁重勞動 。
(2) 輕便石油鉆機(jī)趨向小型化
為了適應(yīng)淺海、海灘、沙漠、丘陵地帶油氣藏的勘探，國外公司在20世紀(jì)6o年代開始研制模塊式鉆機(jī)。美國在1973年設(shè)計了TBA1000型系列鉆機(jī)，經(jīng)濟(jì)鉆深為l 800-6 000 m，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，模塊化設(shè)計，每個模塊質(zhì)量不超過18 t，既可用直升機(jī)運(yùn)輸，也可用雪橇、履帶車、船舶等運(yùn)輸。輕型鉆機(jī)主要以車裝鉆機(jī)為主，美國是世界上生產(chǎn)車裝鉆機(jī)較多的國家，使用也很廣泛，3 500 m以淺的井幾乎都使用車裝鉆機(jī)。其傳動特點(diǎn)是設(shè)備布置成組集中，動力機(jī)組、傳動裝置、絞車和井架等均在同一自走車上，機(jī)泵組安裝在可整拖的大底座上，采用液壓機(jī)構(gòu)起放井架。最小的微型鉆機(jī)采用小井眼鉆井技
術(shù)，鉆深可達(dá)l 500 m，體積小，質(zhì)量輕，最輕的只有14 t，節(jié)省鉆井費(fèi)用30％ 一4o％ ，減少拆裝時間6ook一70ok，節(jié)約鉆井液88ok，減少井場面積70ok，是經(jīng)濟(jì)效益最好的一種石油鉆機(jī)。
3． 控制趨于自動化
頂驅(qū)、盤式剎車技術(shù)的逐步成熟，以及電動控制技術(shù)、液壓驅(qū)動技術(shù)和可靠性的逐步提高，為實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)控制的自動化提供了可能，再加上海洋及深井等復(fù)雜工況下，鉆井工藝及成本對鉆井裝備的要求使得鉆機(jī)控制自動化成為鉆機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢。頂部驅(qū)動裝置克服了轉(zhuǎn)盤鉆井方式的缺陷，給鉆井作業(yè)帶來了諸多好處，既可滿足復(fù)雜作業(yè)工況需求，提高作業(yè)效率，又使作業(yè)更安全。盤式剎車替代原帶式剎車，作為20世紀(jì)8O年代后期發(fā)展起來的一項新技術(shù)，以其制動力矩容量大、穩(wěn)定、安全、可靠等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遙控操作，易實(shí)現(xiàn)自動送鉆，易維護(hù)，長壽命，易系列化設(shè)計和專業(yè)化生產(chǎn)。電驅(qū)動用于鉆機(jī)最早開始于20世紀(jì)5O年代中期，隨后逐步完善、成熟。與機(jī)械驅(qū)動相比，電驅(qū)動具有操作安全、維修保養(yǎng)方便、易于實(shí)現(xiàn)自動控制等特點(diǎn)，特別是全數(shù)字系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得電驅(qū)動系統(tǒng)控制性能更完善，可靠性更高，調(diào)整及更改功能更便捷，故障診斷及維修更方便。電驅(qū)動可以通過編程控制器獲得很多機(jī)械驅(qū)動所無法實(shí)現(xiàn)的功能，如順序操作和聯(lián)鎖功能等。液壓驅(qū)動具有轉(zhuǎn)換容易、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。全液壓驅(qū)動的絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵由挪威MH公司于2o世紀(jì)90年代推出，與此之前推出的全液壓頂驅(qū)、管排放系統(tǒng)、液壓機(jī)械手及天車型液壓升沉補(bǔ)償器，構(gòu)成了海洋鉆機(jī)機(jī)械化、智能化操作系統(tǒng)。
4．設(shè)計趨于人性化
新型鉆機(jī)充分體現(xiàn)以人為本的思想，最大限度滿足HSE要求：護(hù)欄、梯子要滿足安全規(guī)定。上下井架有助(阻)力器，二層臺有逃生器，鉆臺有逃生滑道。鉆機(jī)設(shè)有天車防碰和緊急剎車裝置，避免游車大鉤碰撞天車，并能在任何情況下迅速制動大鉤和絞車。選用無公害的摩擦盤(片)、剎車塊、油漆，保證員工健康。剎車轂、輔助剎車的冷卻水循環(huán)使用，柴油機(jī)排放滿足環(huán)保要求。
1.6本次畢業(yè)設(shè)計目的
絞車是鉆機(jī)的核心部件，是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，它在鉆井工作中起著極其重要的作用。ZJ50型絞車具有鉆井性能好、啟動平穩(wěn)、絞車功率大、調(diào)速性能好、功率利用率高、安全可靠、絞車操作省力，控制先進(jìn)，傳動簡單 ，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)速范圍大，效率高，壽命長，工作安全可靠等特點(diǎn)。在對ZJ50型絞車的整體結(jié)構(gòu)及工作原理認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pro/E對ZJ50型絞車系統(tǒng)的所有組成元件進(jìn)行三維建模；并對滾筒、滾筒軸、中間軸、輸入軸等重要部件進(jìn)行安全校核；最后運(yùn)用ANSYS對中間軸裝配體進(jìn)行有限元分析。
圖三 ZJ50型石油鉆機(jī)的整體平面布置方案
圖四 絞車傳動
1.7本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)及要求
1．通過對ZJ50型絞車的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和傳動系統(tǒng)的研究，闡述ZJ50型絞車具有傳動簡單，功率大且利用率高，調(diào)速性能好，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。
2．運(yùn)用三維造型軟件Pro/E完成ZJ50型絞車的傳動系統(tǒng)的三維建模。
3．對ZJ50型絞車傳統(tǒng)系統(tǒng)中的傳動軸、滾筒、主剎車帶進(jìn)行安全校核，根據(jù)校核結(jié)果判斷各部件是否能滿足正常工作要求。
4．運(yùn)用有限元分析ANSYS軟件對ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)的滾筒軸、滾筒、輸入軸、中間軸等主要部件進(jìn)行有限元的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷傳統(tǒng)系統(tǒng)中各主要部件是否滿足絞車的正常工作要求。
第2章 ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)介紹
2.1 ZJ50型絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則
2.1.1 絞車的使用工況及要求
絞車是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，也是鉆機(jī)的核心部件，它的主要任務(wù)是：用來起、下鉆具；懸持靜止的鉆具；在鉆進(jìn)過程中控制鉆壓、送進(jìn)鉆具；利用貓頭機(jī)構(gòu)上、卸鉆具絲扣；起吊重物及進(jìn)行井場的其它輔助工作；另外有的絞車往往還充當(dāng)轉(zhuǎn)盤的中間變速傳動機(jī)構(gòu)。根據(jù)上述工況對絞車提出了以下要求：
（1）絞車要有足夠大的功率，在最低速轉(zhuǎn)速下鋼絲繩能產(chǎn)生足夠大的拉力，以保證游動系統(tǒng)能起升最重的鉆具載荷；有一定的解卡能力，并能完成具有最大載荷的下套管作業(yè)；短時最大載荷作用下要有足夠的強(qiáng)度、剛度；在絞車使用期限內(nèi)，滾筒、滾筒軸、軸承及傳動件要有足夠的壽命。
（2）絞車要有足夠的尺寸和容繩量，并應(yīng)保證纏繩狀態(tài)良好，以延長鋼絲繩壽命；絞車要適應(yīng)起下鉆重量的變化，有足夠的起升檔數(shù)或能無級調(diào)速，用以提高功率的利用率，節(jié)省起升時間。
（3）絞車要能適應(yīng)起重量的變化，有足夠的提升檔數(shù)，最好能無極調(diào)速，以便提高功率利用率，節(jié)省起下鉆時間。
（4）絞車要有靈活而可靠的剎車機(jī)構(gòu)及強(qiáng)有力的輔助剎車，能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)鉆壓，均勻地送進(jìn)鉆具。
（5）絞車應(yīng)配備貓頭機(jī)構(gòu)，以供緊、卸鉆具絲扣和向鉆臺起吊重物。
（6）絞車應(yīng)具有剛勁的支架和底座。中型絞車整體運(yùn)輸，其重量應(yīng)在 10t 以內(nèi)，重型和超重型絞車要使拆散運(yùn)輸?shù)膯卧?15t 以內(nèi)。傳動部分要有嚴(yán)密的防護(hù)罩，并應(yīng)潤滑充分；在結(jié)構(gòu)安排上應(yīng)保證易損件拆修簡便。
（7）絞車的控制手柄、剎把、指重表等相對集中于司鉆控制臺，以便于操作。
2.1.2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則
2.1.2.1ZJ50型鉆機(jī)設(shè)計制造原則
（1）鉆機(jī)絞車設(shè)計制造原則依據(jù)“先進(jìn)、可靠、安全、方便、經(jīng)濟(jì)”的原則；
（2）絞車采用模塊化設(shè)計，將驅(qū)動與絞車連成整體，增強(qiáng)了鉆機(jī)的移運(yùn)性，減少安裝工程量；
（3）絞車配套件：軸承選用中國制造的西北軸承廠優(yōu)質(zhì)軸承，推盤離合器選用中美合資SJS廠家產(chǎn)品，輔助剎車采用伊頓剎車。滾筒主剎車采用帶剎，滾筒采用整體開槽滾筒，所有運(yùn)動部件采用強(qiáng)制潤滑；
（4）驅(qū)動部位不可以帶泥漿泵；
（5）設(shè)計時，主要關(guān)鍵件（如鏈輪、軸）等均采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，并且通過熱處理獲得優(yōu)良性能；
（6）底座設(shè)計能適應(yīng)UNIT公司的裝運(yùn)方式。
2.1.2.2 設(shè)計執(zhí)行的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
API Spec7 旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范
API Spec7F 油田用鏈條和鏈輪規(guī)范
API Spec7K 旋轉(zhuǎn)鉆柱部件規(guī)范
API Spec8A 鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范
API Spec9A 鋼絲繩規(guī)范
API RP500 石油設(shè)備電氣裝置安裝場所分類
2.2 ZJ50型絞車結(jié)構(gòu)及工作原理
2.2.1絞車結(jié)構(gòu)組成
ZJ50型動力絞車采用模塊化設(shè)計，將兩臺500H.P.動力機(jī)底撬與絞車底撬合成整體，并合理地將機(jī)、電、氣、液有機(jī)的結(jié)合在一起，控制絞車的各個動作，使絞車結(jié)構(gòu)更緊湊，操作更方便、安全，增強(qiáng)了鉆機(jī)的移運(yùn)性，減少了設(shè)備安裝的工作量。ZJ50型動力絞車的結(jié)構(gòu)主要由絞車架、鏈條箱、滾筒軸、輸入軸、中間軸、貓頭軸、輸出軸、伊頓剎車、漸開線花鍵換擋機(jī)構(gòu)、防碰天車裝置、潤滑系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)等幾大部分組成。絞車為密封墻板式五軸絞車。絞車內(nèi)部采用氣路控制PO型推盤離合器和氣胎離合器，離合方便可靠，在滾筒軸分別獲得八個正檔和兩個倒檔時的操作控制過程中，動力機(jī)無須停車。絞車主剎車采用帶式剎車機(jī)構(gòu)（雙杠桿），輔助剎車為236WCB2伊頓剎車。滾筒軸上的高低速離合器及輸出軸上的慣剎離合器均采用PO型推盤離合器。絞車傳動鏈條均采用強(qiáng)制密封潤滑。各個護(hù)罩均為剛性結(jié)構(gòu)焊接件。整個絞車安裝在一個用金屬材料焊接而成的絞車底撬上，輸入軸、中間軸、滾筒軸和貓頭軸通過軸承座固定在絞車墻板孔內(nèi)，滾筒軸一側(cè)裝有伊頓輔助剎車，滾筒軸另一側(cè)裝有氣控箱及帶剎的剎把，便于集中操作，滾筒軸滾筒的下面，絞車底撬上裝有剎車機(jī)構(gòu)，通過剎帶與滾筒剎車鼓組成剎車的主制動系統(tǒng)。在絞車外部裝有剛性結(jié)構(gòu)焊接件的各個護(hù)罩，以保證操作安全，防止傳動機(jī)構(gòu)受外界環(huán)境的影響，并避免潤滑油外濺。
2.2.2 絞車工作原理
動力絞車的動力由兩臺500H.P.動力機(jī)提供，動力經(jīng)液力變矩器減速增矩，再通過雙LT600/125離合器傳到鏈條箱。在鏈條箱中兩臺動力機(jī)的動力可通過鏈輪（Z=32）并車，并由鏈輪（Z=31）將動力傳到輸入軸上。通過操作控制三套換檔機(jī)構(gòu)，輸入軸上的三只鏈輪（Z=28、Z=33、Z=28）和一只齒輪（Z=80），與中間軸上的三只鏈輪（Z=33、Z=28、Z=46）和一只齒輪（Z=96）實(shí)現(xiàn)組合，使中間軸可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速。中間軸的鏈輪（Z=24）通過3-1 3/4″鏈條帶動滾筒軸上高速端的空套鏈輪（Z=32）轉(zhuǎn)動；另一鏈輪（Z=19）通過3-1 3/4″鏈條將動力傳到貓頭軸，并由貓頭軸上的鏈輪（Z=24）通過3-1 3/4″鏈條帶動滾筒軸低速端空套鏈輪（Z=62）轉(zhuǎn)動。由滾筒軸上高、低速端的兩只離合器（PO330、PO324）的離合，可使?jié)L筒軸獲得八正兩倒的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動鉆井轉(zhuǎn)盤的動力由滾筒軸上高速端空套鏈輪（Z=32）通過2-1 3/4″鏈條，傳遞到轉(zhuǎn)盤驅(qū)動軸空套鏈輪（Z=27）上，由轉(zhuǎn)盤驅(qū)動軸上離合器（PO218）的離合，將動力通過鏈輪（Z=20）、2-1 3/4”鏈條帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤可獲得四正一倒的轉(zhuǎn)速，如圖2.1所示。絞車的輔助剎車采用先進(jìn)的美國伊頓公司236WCB2剎車，與滾筒軸之間采用漸開線花鍵聯(lián)接，手動離合。
圖五 ZJ50型絞車傳動示意圖
2.3 絞車傳動系統(tǒng)參數(shù)
絞車基本參數(shù)如表一所示：
表一絞車基本參數(shù)
最大輸入功率
735Kw（1000HP）
滾筒軸最大直徑
φ230mm
滾筒剎車直徑
φ1168×228（46″×9″）
滾筒中心直徑與長度
φ533×1028（21″×40—1/2″）
滾筒驅(qū)動鏈為
1—3/4″P，三排鏈
傳動鏈
1—3/4″P，雙排鏈
驅(qū)動鏈
1—1/4″P，三排鏈
驅(qū)動速度
正轉(zhuǎn)速度：4
反轉(zhuǎn)速度：2
滾筒速度
正轉(zhuǎn)速度：8
反轉(zhuǎn)速度：2
總高、底座寬度、總長
2394mm、2150mm、8859mm
第三章 零件的三維造型
3.1三維造型概念
三維造型: CAD的三維造型有三種層次的建立方法，即線框、曲面和實(shí)體，也就是分別對應(yīng)于用一維的線，二維的面和三維的體來構(gòu)造形體。通過計算機(jī)輔助設(shè)計建立的立體的、有光的、有色的生動畫面，虛擬逼真地表達(dá)大腦中的產(chǎn)品設(shè)計效果，比傳統(tǒng)的二維設(shè)計更符合人的思維習(xí)慣與視覺習(xí)慣。三維造型技術(shù)從最初的三維CAD已發(fā)展到目前專用的基于特征造型的三維軟件，常用軟件有UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT、Pro/E、3DS max等。本次畢業(yè)設(shè)計所需繪制的零件我全部采用Pro/E 4.0進(jìn)行造型。
3.2 Pro/E 概述
在中國也有很多用戶直接稱之為“破衣”。1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER WildFire6.0（中文名野火6)。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了全面、集成緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能的綜合性MCAD軟件。
3.3 Pro/E的特點(diǎn)和優(yōu)勢
經(jīng)過20多年不斷的創(chuàng)新和完善，pore現(xiàn)在已經(jīng)是三維建模軟件領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一，它具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：
參數(shù)化設(shè)計和特征功能： Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。
單一數(shù)據(jù)庫： Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何 一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。
例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。
全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。
基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。
裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進(jìn)行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。
裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。
易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。
3.4具體的零部件造型
針對ZJ50型石油鉆機(jī)絞車傳動系統(tǒng)的設(shè)計，主要傳動零件有輸入軸、中間軸、貓頭軸、滾筒軸以及轉(zhuǎn)盤過橋軸，各個軸之間通過齒輪或者鏈輪進(jìn)行運(yùn)動及能量的傳遞。以下是幾個關(guān)鍵零部件的造型詳解：
3.4.1中間軸鏈輪的繪制
首先根據(jù)二維圖的圖紙說明，分析繪圖順序。
根據(jù)圖紙說明，我先繪制外部整體輪廓，在打開Pro/E設(shè)置好各種參數(shù)后，首先點(diǎn)擊（旋轉(zhuǎn)）按鈕，然后選取一個草繪平面RIGHT面（如下圖）
添加中心線（如下圖）
根據(jù)二維圖尺寸繪制如下圖草繪
完成后點(diǎn)擊按鈕，然后選取旋轉(zhuǎn)中心軸，最后點(diǎn)擊下圖右上角的綠色勾子按鈕
完成外部輪廓的繪制（如下圖）。
接下來繪制鏈輪的內(nèi)孔，點(diǎn)擊（拉伸）圖標(biāo)，選取鏈輪的外端面作為草繪平面，如上述說明一樣繪制二維圖紙的要求尺寸，如下圖
點(diǎn)擊完成草繪如下圖
點(diǎn)擊如圖所示圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)反向拉伸，如下圖
再點(diǎn)擊去除材料，最后點(diǎn)擊去除拉伸的深度，為了方便起見，我可以選擇拉伸去除材料至某個面，點(diǎn)擊圖標(biāo)，然后選擇鏈輪的另一端面作為拉伸去除材料的終止面（如下圖）
最后點(diǎn)擊右上角的綠色勾子完成拉伸內(nèi)孔的繪制如下圖
最后來對鏈輪鏈齒進(jìn)行造型，點(diǎn)擊拉伸圖標(biāo)，選取如圖所示曲面作為草繪平面
添加好中心線后先繪制鏈輪的齒根圓、齒頂圓以及分度圓，如下圖所示
再以中心線與分度圓的交點(diǎn)為圓心畫鏈輪的基圓如下圖所示
根據(jù)鏈輪齒數(shù)要求，添加一條中心線如圖所示（角度為360/齒數(shù)）
同樣，以新添加的中心線和分度圓的交點(diǎn)為圓心再畫一個基圓如下圖所示
然后點(diǎn)擊圖標(biāo)，繪制一條曲線使其與兩圓均相切，（可隨意畫最后點(diǎn)擊約束條件，約束相切即可），如下圖所示
點(diǎn)擊修剪曲線至如下圖所示
鏡像上面紅色的曲線（先選中該曲線，再點(diǎn)擊，然后選擇豎直的中心新為對稱線鏡像），得到如下圖
在進(jìn)行修剪曲線至下圖
點(diǎn)擊完成草繪圖標(biāo)完成鏈輪齒缺口的草繪，依次點(diǎn)擊反向拉伸和去除材料兩個圖標(biāo)，再點(diǎn)擊拉伸至曲面圖標(biāo)，選擇鏈輪另一個端面，如下圖所示
點(diǎn)擊完成圖標(biāo)完成一個鏈齒缺口的繪制，如下圖
緊接著點(diǎn)擊陣列圖標(biāo)，選擇以軸陣列，選取中心軸作為旋轉(zhuǎn)陣列軸，依次設(shè)置下圖參數(shù)
得到下圖預(yù)覽圖
點(diǎn)擊完成圖標(biāo)，最終完成整個的鏈輪繪制，如下圖
3.4.2整個傳動系統(tǒng)零部件的裝配圖及爆炸圖
通過上述Pro/E的使用，我將整個石油鉆機(jī)傳動系統(tǒng)的五根軸都繪制了出來，如下圖所示
輸入軸的三維建模及其爆炸圖
輸入軸總成主要由輸入軸，換擋鏈輪，摩擦轂，換擋齒輪，軸承，軸承座，齒輪等組成。
中間軸的三維建模及其爆炸圖
中間軸總成主要由中間軸，齒輪，換擋鏈輪，軸承，軸承座，套筒等組成。
滾筒軸的三維建模及其爆炸圖
滾筒軸總成主要由滾筒，滾筒軸，左鏈輪，右鏈輪，軸承，左右軸承座，軸套，輪轂，連接盤等組成。
貓頭軸的三維建模及其爆炸圖
貓頭軸總成主要由貓頭軸，左右鏈輪，軸承，軸承端蓋，軸承座，鍵等組成。
轉(zhuǎn)盤過橋軸的三維建模及其爆炸圖
轉(zhuǎn)盤過橋軸總成主要由轉(zhuǎn)盤軸，鏈條箱，鏈輪，軸承座，軸承，端蓋等組成。
3.5零件圖繪制總結(jié)
通過Pro/E的使用，對ZJ50型石油鉆機(jī)絞車傳動系統(tǒng)的設(shè)計，我們可以很直觀的看到具體零部件的樣子以及各個傳動件之間的相互關(guān)系，三維造型的使用大大的方便提供給了我們設(shè)計所需的理論支持。
第四章 ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)主要部件的計算校核
4.1主剎車帶校核
鋼帶選用材料：50 圖號：010.06.54.01G
正火狀態(tài)：≥630Mpa，≥375Mpa
剎車塊選用材料：編織石棉銅絲摩擦材料
剎車機(jī)構(gòu)的任務(wù)是剎慢或剎住被下鉆載荷所帶動的滾筒，達(dá)到調(diào)節(jié)鉆壓，送進(jìn)鉆具，控制下鉆速度以及剎住懸持鉆具的目的。因此要求剎車機(jī)構(gòu)靈活省力和安全可靠。剎車機(jī)構(gòu)是絞車上最重要的部件，同時也是最薄弱的部件。
4.1.1鋼（剎）帶兩端的拉力和制動力的計算
最大制動力矩： =＋
由于計算起來相當(dāng)復(fù)雜，取=×
式中：——動載系數(shù)，通常=1.5～2.5，取=2計算。
=×=××
游動系統(tǒng)最大起重量的計算有：
=（q××＋）=（30×28×143＋10×1000）=130120Kg=1276KN
式中：q——每米鉆桿柱重量，以114.3mm鉆桿計算。
查得 q=30Kg/m
——立根長度，米。取=28m（當(dāng)最大井深為4000米時）
——鉆柱中最大立根數(shù)=≈142.86，取=143
——游動系統(tǒng)固定重量， 查得 =10T=10000Kg
——滾筒第二層纏繩直徑,根據(jù)設(shè)計計算要求1.2.1有：=++2φ
式中：—— 滾筒原始直徑=537.4mm
——鋼絲繩直徑=29mm
φ——滾筒半徑上的增量系數(shù)，取φ=0.9
=++2φ=537.4+29+2×0.9×29=618.6mm=61.86cm
z——有效繩數(shù)=10
——游車系統(tǒng)效率，查取=0.81
——絞車滾筒效率，取=0.97
=×=2××0.81×0.97=6201.79KN.cm
=
式中：——剎車轂直徑=1168mm=116.8cm
==106.195KN
鋼（剎）帶兩端的總拉力（兩條帶上拉力之和），見圖1。
t=
固定端總拉力，（兩條帶上拉力之和），見圖1
T= （歐拉公式）
式中：——摩擦系數(shù)，一般為0.35～0.45，取=0.45
——鋼（剎）帶圍抱角=322°
=0.45，α=324°
=12.74
t= =9.046KN
T= =115.24KN
4.1.2鋼（剎）帶強(qiáng)度校核計算
鋼（剎）帶寬mm=22cm，厚度6mm=0.6cm在作用下受拉伸，
==4.365KN/=43.65MPa
設(shè)計安全系數(shù) n==8.591＞3.0
結(jié)論：符合API Spec 7K 9.9.4.2的規(guī)定。
4.1.3鋼（剎）帶鉚接強(qiáng)度校核計算
固定端總拉力，（兩條帶上拉力之和）T=115.24KN
鋼帶與固定端吊耳處采用鉚釘12X40 12件鉚接
計算鋼帶與固定端吊耳處的聯(lián)接強(qiáng)度
鉚釘： 選用材料 Q235-A
≥380～470Mpa，≥220Mpa
鉚釘剪切強(qiáng)度:
＝≤［］
式中：［］—許用剪切應(yīng)力，根據(jù)1.2.2的設(shè)計計算要求，
＝0.58×220＝127.6 Mpa
F—作用拉力=＝57.62KN
ｍ—每個鉚釘?shù)目辜裘鏀?shù)量 ｍ＝1
ｄ—鉚釘孔直徑＝12.2mm=1.22ｃｍ
Z—鉚釘數(shù)量＝12
＝＝5.011206545KN/ｃｍ2＝50.11Mpa≤127.6 Mpa
結(jié)論：安全
4.2主剎車帶校核結(jié)論
通過對剎帶的設(shè)計計算，計算結(jié)果符合API Spec 7k-2005 第4版及增補(bǔ)1、2《鉆井和井口操作設(shè)備規(guī)范》規(guī)定的要求。
第五章 ZJ50型絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的有限元分析
5.1有限元法應(yīng)用
5.1.1 ANSYS軟件簡介
ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/E, NASTRAN, I－DEAS, AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級 CAE 工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。
5.2 ZJ50型絞車滾筒的靜力分析
5.2.1 建立滾筒模型
在PRO/E中建立滾筒的三維模型后，選擇SAT文件類型存盤。運(yùn)行workbench，選擇靜力分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導(dǎo)入之前存盤的滾筒SAT文件就可以生成滾筒的實(shí)體模型。我們對滾筒作如下簡化：忽略邊界處倒角；忽略繩槽，輪輻上的小孔，以及輪轂上的鍵槽。簡化后的模型如圖5.1所示：
圖5.1滾筒簡化模型
5.2.2 滾筒材料溫室性能參數(shù)
滾筒材料選用ZG35CrMo，其溫室性能參數(shù)如表5.1：
表5.1 ZG35CrMo溫室性能參數(shù)
密度（Kg·）
彈性模量(GPa）
屈服應(yīng)力(Mpa）
泊松比
210.2
510
0.3
5.2.3 模型的網(wǎng)格劃分
滾筒采用自由網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格生成后的滾筒有限元模型如圖5.2所示：
圖5.2滾筒有限元模型
5.2.4 邊界條件
滾筒輪轂與軸的配合處，由于滾筒基本上不受軸向力的作用，輪轂與軸之間
又采用靜配合，所以可以認(rèn)為滾筒軸向不可動，因此，可認(rèn)為輪轂處的軸向與徑
向位移都被完全限制，六個自由度均被約束。
5.2.5 載荷工況分析
在下鉆過程中，快繩拉力對滾筒造成的載荷有彎矩、扭矩以及纏緊的鋼絲繩
對筒壁的外壓力，前兩者載荷產(chǎn)生的應(yīng)力很小，不及第三者的 10%，所以在計算
中忽略不計，而外壓力在筒壁中產(chǎn)生的壓應(yīng)力很大。滾筒受到鋼絲繩（快繩）的
外擠力，將此力理想為滾筒的外壓力，由于鋼繩在滾筒上排列很密，故可認(rèn)為筒
殼所受的載荷為均布外壓。一般滾筒要纏數(shù)層，在纏繞過程中由于外圈纏繞時對
筒壁進(jìn)一步的壓縮使里層的鋼絲繩放松而降低對滾筒的壓力，因此，鋼絲繩多層
纏繞時有一個多層纏繞系數(shù)。作用在滾筒表面的壓力σ為：
式中: D 為滾筒作用直徑，D=846mm；P 為最大快繩拉力，P=275kN；A 為多層纏繞系數(shù)，A=1.4（纏繞 2 層）；s 為鋼繩在滾筒上的螺距，s=+2=32+2=34mm。
5.2.6 求解并分析結(jié)果
進(jìn)入求解器求解，求解完成后得到滾筒的位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖 所示：
（1）剛度分析
滾筒受載后總位移分布圖，如圖5.3所示：
圖5.3 滾筒受載后總位移分布圖
計算結(jié)果表明：滾筒在受到壓力作用時，滾筒向內(nèi)收縮，由于中間筒體沒有
其他約束，滾筒變形較大的區(qū)域位于筒體上，兩端變形比較小，絞車滾筒的變形
主要是徑向變形，其他方向的變形都比較??；從數(shù)值上看，最大變形量為0.26659mm，這與滾筒自身的結(jié)構(gòu)與受力特點(diǎn)有關(guān)，符合實(shí)際情況。由工程的實(shí)
際應(yīng)用的經(jīng)驗可知，滾筒的剛度也滿足絞車的正常工作需要。
（2）強(qiáng)度分析
滾筒受載時，應(yīng)力分布圖，如圖5.4所示：
圖5.4 滾筒受載時應(yīng)力分布圖
通過上圖顯示，滾筒受載時，最大應(yīng)力分布在滾筒內(nèi)表面、滾筒外圓與輪轂過渡段、滾筒內(nèi)圓與輪轂過渡段、處，其余區(qū)域值較小，且分布比較均勻。滾筒內(nèi)表面處最大應(yīng)力達(dá)210.37MPa。
滾筒的材料我們選用的是ZG35CrMo, 屈服極限：＝510MPa,強(qiáng)度極限：=740 MPa，由有限元的計算結(jié)果，可得出滾筒的安全系數(shù)為：
結(jié)論：滾筒的安全系數(shù)為2.424大于滾筒的許用安全系數(shù)1.5，所以滾筒的強(qiáng)度滿足絞車的正常工作需要，滾筒的設(shè)計符合工況設(shè)計要求。
5.3 ZJ50型絞車滾筒的模態(tài)分析
模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性（固有頻率和振型），它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動力學(xué)分析所必需的前期分析過程。
5.3.1 滾筒有限元模型的建立
運(yùn)行workbench，選擇模態(tài)分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導(dǎo)入之前存盤的滾筒SAT文件就可以生成滾筒的實(shí)體模型。我們對滾筒作如下簡化：忽略邊界處倒角，繩槽，輪輻上的小孔，以及輪轂上的鍵槽。如圖5.1所示。
5.3.2 施加約束并求解
由于滾筒軸的自由模態(tài)對其正常工作影響不大，在此只對約束模態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)滾筒的工作狀況，對滾筒施加約束，其施加方法與上節(jié)相同。然后根據(jù)模態(tài)提取方法——Block Lanczos（分塊法）進(jìn)行求解，并對結(jié)果進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展。
5.3.3模態(tài)結(jié)果分析
根據(jù)前述的模態(tài)提取方法，計算出滾筒的前六階模態(tài)結(jié)果，其固有頻率和相
應(yīng)振型如表5.2所示。
表5.2 滾筒的前六階固有頻率和相應(yīng)振型
階 次
固有頻率（Hz）
振型描述
1
312.08
滾筒輪輻部分沿X方向移動
2
389.31
滾筒輪輻部分繞坐標(biāo)WO-X的45度線擺動，左右輪輻擺動方向相反。
3
389.53
滾筒輪輻部分繞坐標(biāo)WOX的45度線擺動，左右輪輻擺動方向相反。
4
398.99
滾筒筒體部分繞X轉(zhuǎn)動
5
400.82
滾筒輪輻部分繞坐標(biāo)WO-X的45度線擺動，左右輪輻擺動方向相同。
6
401.07
滾筒輪輻部分繞坐標(biāo)WO-X的45度線擺動，左右輪輻擺動方向相同。
滾筒的前六階節(jié)點(diǎn)位移模態(tài)振型分別如下圖5.5—5.10所示：
圖5.5 滾筒第一振型圖
圖5.6 滾筒第二振型圖
圖5.7 滾筒第三振型圖
圖5.8 滾筒第四振型圖
圖5.9 滾筒第五振型圖
圖 5.10 滾筒第六振型圖
模態(tài)分析結(jié)果表明：滾筒的固有頻率均在300Hz以上，振型以輪輻擺動和移動為主，其振形變化不大，對絞車的性能影響不大。由此可見，該滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，抗振性較強(qiáng)。
5.4 ZJ50型絞車滾筒軸的靜力分析
5.4.1建立滾筒軸模型
在PRO/E中建立滾筒軸的三維模型后，選擇SAT文件類型存盤。運(yùn)行workbench，選擇靜力分析，定義材料的相關(guān)性能參數(shù)后，導(dǎo)入之前存盤的滾筒軸SAT文件就可以生成滾筒軸的實(shí)體模型。我們對滾筒軸作如下簡化：忽略邊界處的倒角；忽略退刀槽和砂輪越程槽；簡化后的模型如圖5.11所示：
圖5.11 滾筒軸簡化實(shí)體模型
5.4.2 滾筒軸材料溫室性能參數(shù)
滾筒軸材料選用35CrMo，材料的溫室性能參數(shù)如表5.3所示：
表5.3 滾筒軸材料溫室性能參數(shù)
密度（Kg·）
彈性模量(GPa）
屈服應(yīng)力(Mpa）
泊松比
213
980
0.286
5.4.3 模型的網(wǎng)格劃分
滾筒軸采用自由網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格生成后的滾筒軸有限元模型如圖5.12所示：
圖5.12 滾筒軸有限元模型
5.4.4 邊界約束條件
由于采用了調(diào)心軸承，左端軸向固定，所以左端約束中三個移動自由度均