ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计毕业设计(论文).doc

毕业设计论文毕业设计题目：zj50型石油钻机用动力绞车传动系统设计 毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用a4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 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31.5.1 石油钻机国内的发展状况31.5.2 石油钻机国外的发展状况41.6 本次毕业设计目的51.7 本次毕业设计的任务及要求6第二章zj50 型绞车传动系统介绍72.1 zj50 型绞车的主要技术标准及设计原则72.1.1 绞车的使用工况及要求72.1.2 主要技术标准及设计原则72.2 zj50 型绞车结构及工作原理82.2.1 绞车结构组成82.2.2 绞车工作原理8第三章零件的三维造型93.1 三维造型概念93.2 pro/e 概述93.3 pro/e 的特点和优势103.4 具体的零部件造型113.4.1 中间轴链轮的绘制113.4.2 整个传动系统零部件的装配图及爆炸图113.5 零件图绘制总结11第四章zj50 型绞车传动系统主要部件的计算校核114.1 主刹车带校核114.1.1 钢（刹）带两端的拉力和制动力的计算114.1.2 钢（刹）带强度校核计算124.1.3 钢（刹）带铆接强度校核计算124.2 主刹车带校核结论12第五章zj50 型绞车传动系统关键零部件的有限元分析125.1 有限元法应用125.1.1 ansys 软件简介125.2 zj50 型绞车滚筒的静力分析135.2.1 建立滚筒模型135.2.2 滚筒材料温室性能参数135.2.3 模型的网格划分135.2.4 边界条件145.2.5 载荷工况分析145.2.6 求解并分析结果145.3 zj50 型绞车滚筒的模态分析155.3.1 滚筒有限元模型的建立165.3.2 施加约束并求解165.3.3 模态结果分析165.4 zj50 型绞车滚筒轴的静力分析165.4.1 建立滚筒轴模型165.4.2 滚筒轴材料温室性能参数165.4.3 模型的网格划分165.4.4 边界约束条件175.4.5 载荷工况分析175.4.6 求解并分析结果185.5 zj50 型绞车滚筒轴的模态分析185.5.1 滚筒轴有限元模型的建立185.5.2 施加约束并求解185.5.3 模态结果分析185.6 zj50 型绞车滚筒轴装配体有限元分析195.6.1 建立滚筒轴装配体有限元分析模型195.6.2 材料属性定义195.6.3 网格划分195.6.4 定义边界条件并施加载荷195.6.5 求解并分析结果20总结和展望21致谢22参考文献22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。261.3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。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。第二章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2.1.2.1zj50 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。2.1.2.2 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。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3.4.2 整个传动系统零部件的装配图及爆炸图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： b 630mpa， s375mpa 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： max m = m静 m惯由于m惯计算起来相当复杂，取max m =m静 式中；动载系数，通常=1.52.5，取=2 计算。 m静 = p 快22d 绞=2 2qdz游游绞游动系统最大起重量q 游的计算有： q 游=（ql max y o g ）=（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 l 立根长度，米。取l =28m（当最大井深为4000 米时） max y 钻柱中最大立根数= 4000/28142.86，取max y =143 0 g 游动系统固定重量， 查得0 g =10t=10000kg 2 d 滚筒第二层缠绳直径,根据设计计算要求1.2.1 有： 2 d = o d + d绳+2 d绳 式中： 0 d 滚筒原始直径=537.4mmd绳钢丝绳直径=29mm 滚筒半径上的增量系数，取=0.9 2 d = o d + d绳+2 d绳=537.4+29+20.929=618.6mm=61.86cmz有效绳数=10h 游游车系统效率，查取h游=0.81h 绞绞车滚筒效率，取h绞=0.97max m = m静=21276 61.862 100.810.97=6201.79kn.cmf制max = max 2 md毂 式中： d毂刹车毂直径=1168mm=116.8cm f制max = 2*6201.79/116.8=106.195kn 钢（刹）带两端的总拉力（两条4.1.2 钢（刹）带强度校核计算 钢（刹）带宽01.0 220- mm=22cm，厚度6mm=0.6cm 在2t 作用下受拉伸，=115.242220.6=4.365kn/ cm2 =43.65mpa设计安全系数n= 37543.65=8.5913.0结论：符合api spec 7k 9.9.4.2 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12x40 12 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-ab 380470mpa，s220mpa铆钉剪切强度: 4fdz4.2 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：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：密度（kgm-3）弹性模量(gpa）屈服应力(mpa）泊松比7.85*103210.25100.3表5.1 zg35crmo 温室性能参数5.2.3 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：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