基于ANSYS分析的大尺寸双腹板锻焊滑轮研制.pdf

:./.基于 分析的大尺寸双腹板锻焊滑轮研制糟 洋温 旺(兰州兰石石油装备工程股份有限公司甘肃 兰州)摘 要:随着石油钻井设备技术的革新升级常规的小尺寸铸造滑轮因毛坯周期以及难以避免的铸造缺陷和环境保护要求已经不能很好适应新时期的需要因而催生了大尺寸的锻焊双腹板滑轮 该文结合成功应用于我国某海洋钻井平台上大尺寸双腹板滑轮真实案例详细阐述了大尺寸双腹板滑轮的结构同时利用 有限元软件对滑轮受力情况进行了计算分析所得到的生产制造和动平衡试验真实数据为行业内后期相关大尺寸双腹板锻焊滑轮的设计以及生产制造提供了基础经验关键词:大尺寸锻焊双腹板滑轮有限元研制中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言滑轮是一个适用范围广泛、工作过程连续、工作载荷变化频率较高、失效形式较多的零件 石油钻井设备一般使用的是 ()及以下铸造、锻焊单腹板滑轮而铸造滑轮因自身的铸造缺陷、毛坯浇铸周期、环保要求已不能很好适应新时期的需要 近些年随着钻井技术的不断创新人们对钻井设备的结构、性能提出了更高的要求对大尺寸且能适应更复杂工况的滑轮的需求也越来越多笔者重点对大尺寸双腹板滑轮结构进行了详细介绍借助有限元软件对滑轮各个部位受力情况进行了计算分析通过对材料的反复工艺评定和车间焊接测试新制定了 项合金钢锻件材料企业标准并且成功攻克复杂焊缝形式的焊接施工、探伤检验、动平衡试验研制出了结构和性能优越、生产周期短、能同时满足陆地和海洋双重工况的新型大尺寸双腹板滑轮具有里程碑的意义 大尺寸双腹板滑轮的基本设计所述的大尺寸滑轮是为我国南海海域服役的中海油服旗下某海洋钻井平台所设计其外径是 ()环境温度为 其设计符合滑轮设计标准的温度要求.单腹板滑轮与双腹板滑轮结构形式对比单腹板滑轮结构简单、生产工艺成熟且已经过常年供货验证质量能够得到保证 然而双腹板滑轮有其独特优势两种结构形式的滑轮对比如表 所列相似工况下双腹板滑轮虽然制造工艺较难但其质量能得到有效控制 同时双腹板结构能改善其抗侧向力的能力.大尺寸双腹板滑轮的基本信息此次所设计滑轮主要由轮毂、双腹板、轮缘、撑管四部分组成 轮毂选用厂标材料屈服强度 抗拉强度 腹板选用 材料屈服强度 抗拉强度 轮缘选用与轮毂相同的厂标材料屈服强度 抗拉强度 撑管选用 材料屈服强度 抗拉强度 双腹板锻焊滑轮结构如图 所示轮缘和轮毂间研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:糟 洋()男甘肃天水人工程师主要从事石油钻井装备的研发设计工作有双腹板腹板有一定的锥度锥度从滑轮轴线向边缘由大变小腹板上开有减重孔孔内穿有支撑管轮缘内径和轮毂外径有台阶坡度用于定位和承受载荷能形成自然坡口便于焊接表 单腹板滑轮与双腹板滑轮对比图 双腹板锻焊滑轮结构图.轮毂.腹板.撑管.轮缘.设计安全系数所设计滑轮用于海洋钻机额定设计钩载是 按照 规范要求其安全系数应不小于.大尺寸双腹板滑轮模型建立及有限元分析根据滑轮设计图纸利用 软件建立滑轮的三维模型如图 所示此次计算选用 .通用有限元分析软件 .与 之间有很好的兼容性因此把上述三维模型导入 .中 对滑轮运用四面体网格进行划分最大网格尺寸 如图 所示共划分 个单元和 个节点 图 滑轮三维模型图 滑轮网格划分 正常钻井过程中钻机设计钩载为 按照 规范要求滑轮是滚柱轴承式故滑轮摩擦系数.选用规范中的 类方案计算快绳拉力 滑轮绳系 轮系、穿绳方式如图 所示图 穿绳方式 有效系数:().()快绳系数:快有效系数.()快绳拉力:快快钩载.()游车每根钢丝绳拉力按照相等计算因此:死钩载.()式中:为滑轮有效系数 为滑轮摩擦系数 .为支承载荷的钢丝绳根数 为滑轮的数量 快为快绳端拉力死为死绳固定器端的拉力客户要求的最大拉力是 该载荷大于最大钩载时的快绳拉力.因此为了满足客户要求在计算滑轮时使用客户要求的最大拉力则单个滑轮的加载计算载荷是 加载地球重力加速度 考虑半潜式海洋平台的摇摆以及风力等产生的水平方向的载荷根据滑轮的现场使用情况平台在摇摆过程中由于顶驱沿着导轨行走天车滑轮和游机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验车滑轮之间的钢丝绳始终与井架保持平行因此钢丝绳的拉力给滑轮载荷的方向相对于滑轮保持不变而在平台摇摆过程中天车滑轮和游车滑轮之间的钢丝绳会随着平台的摇摆产生水平惯性载荷查阅客户提供的该海洋平台在所处海域的参数手册平台横摇周期为 摇摆幅度为 纵摇周期为 摇摆幅度为 天车位于船中心位置天车到浮箱最低处.在 吃水时船舶重心竖直方向的坐标是.因此可选天车到摇摆中心的距离是.在正常工作时天车到游车的最大距离是 钻井钢丝绳单位长度重量是./滑轮直径为 滑轮宽 此次计算选取船舶重心为摇摆中心依据 海上拖航指南计算滑轮因平台的摇摆以及风力产生的水平载荷:()式中:为滑轮受到的 轴方向的水平载荷为单个滑轮对应的天车到游车钢丝绳的质量为风作用力为海水飞溅冲击力为横向加速度/的计算公式为:./()的大小与单位面积受力系数及侧向迎风面积有关 根据滑轮侧向投影面积按下述三种标准选取单位面积受力系数:./(无限航区和近海航区)./(沿海航区)./(遮蔽航区)此次涉及的海洋平台为无限航区故选取单位面积受力系数为./滑轮侧向迎风面积 可根据圆形面积计算得到即:().()./.()仅计算距干舷甲板以上.范围内迎风受力物体因天车不受海水飞溅冲击故 计算公式为:()()式中:为天车到摇摆中心距离.为天车到摇摆中心夹角由于天车位于船中心位置无夹角故 为最大横摇角 为摇摆周期 为重力加速度./将数值代入得:./.同理可计算得出:./.计算结果分析在进行有限元计算之前首先需添加边界条件边界条件是给滑轮轴孔处施加位移约束 根据上述载荷加载说明分别加载了地球重力加速度、纵向和横向的摇摆惯性加速度、钢丝绳总拉力、纵向和横向载荷具体载荷加载和边界条件如图 所示通过有限元计算得到滑轮应力情况如图 所示图 载荷加载及边界条件 图 滑轮 应力云图图 轮毂 应力云图 图 腹板 应力云图图 轮缘 应力云图 图 撑管 应力云图 由图 可知滑轮轮毂最大 应力为.出现在图中 所指位置处滑轮轮毂的计算强度安全系数/.滑轮轮毂设计强度满足 规范要求由图 可知滑轮腹板最大 应力为.出现在图中 所指位置处滑轮腹板的计算强度安全系数/.滑轮腹板设计强度满足 规范要求由图 可知滑轮轮缘最大 应力为.出现在图中 所指位置处滑轮轮缘的计算强度安全系数/.滑轮轮缘设计强度满足 规范要求由图 可知滑轮撑管最大 应力为.出现在图中 所指位置处滑轮撑管的计算强度安全系数/.滑轮撑管设计强度满足 规范要求经过一系列计算和优化滑轮图纸分别报送 和 审核通过在生产车间和工艺人员的共同努力下滑轮最终研制成功并取得 船用产品证书 图 所示为成品滑轮(下转第 页)研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用所得结果精度较低而将网格划分至.与 后结果精度有明显提升且二者分析结果差别不大因此选择运算效率更高的.尺寸的网格对螺旋轴进行划分网格划分结果如图 所示以轴旋转状态的较大载荷情况为基准进行静应力分析并在轴顶端键槽处添加固定约束 将轴所受扭矩简化至轴的周身与螺旋叶片的边缘所添加扭矩近似取较大值 .在螺旋叶片底部添加延轴运动方向反向的轴向力近似取较大值 约束与载荷添加结果如图 所示图 螺旋轴局部网格划分 图 螺旋轴约束与载荷分布 螺旋轴位移云图和应力云图如图、所示 由图可得螺旋轴上部位发生的形变极小最大变形处主要集中在螺旋轴底部首先对土壤进行掘削的部位其值较小对螺旋轴的推进运动影响不大 而螺旋轴所受最大应力约为.主要发生在驱动轴进行旋转运动的键槽和螺旋叶片与轴的焊接处远小于材料许用应力因此在正常工作中不会出现故障失效问题螺旋轴的设计合理图 螺旋轴位移云图图 螺旋轴应力云图 结 语文章设计了一款勘测用自推式钻地机器人研究了该机器人的螺旋钻进轴叶片受力和螺旋钻进轴叶片临界转速 采用 编程计算了螺旋升角、土的运动轨迹上升角与螺旋叶片转速间的关系获得了外缘螺旋升角的最优值 对螺旋钻进轴进行了有限元力学性能分析通过网格依赖性分析获得了最佳的网格尺寸应力和位移结果表明所示的螺旋钻进轴能够满足设计要求参考文献:杨鹏春简小刚王叶锋等.地下钻进机器人研究与发展趋势.机械设计():.简 小刚 朱能 炯 陈 军 等.蠕动 钻地机 器人:中国 .:.:.:.:.谭松成段隆臣黄帆等.模拟月壤螺旋钻进力载特性分析.探矿工程(岩土钻掘工程)():.王予铭.螺旋钻机主要参数计算.筑路机械与施工机械化():.张松松王伟华岳林.一种验证科氏加速度存在的实验装置及其动力学分析.南京航空航天大学学报():.(上接第 页)图 成品滑轮 结 语此文重点对 ()双腹板锻焊滑轮的结构特点进行了对比分析利用 软件加载工况载荷和约束条件动态模拟仿真和调整优化图纸送审通过后在生产车间完成各工序生产并经过动平衡试验取得了 船用产品认证 目前该批滑轮正在我国南海海域某半潜式海洋钻井平台服役使用状况良好客户评价极高 该滑轮结构及设计方法可应用到其他尺寸的滑轮设计中对减轻滑轮组重量、提高滑轮整体稳定性、降低维护频率有一定的参考借鉴意义参考文献:李飞舟.石油钻机天车滑轮设计计算和有限元分析.制造业自动化():./.起重机械滑轮.().中国船级社.海上拖航指南.北京:人民交通出版社.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用