石油頂驅(qū)減速箱體有限元分析

鐘家宗　龔佳興　莫江濤　全文賢

[摘 要]頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置（TDS，Top Drive System簡稱頂驅(qū)）是鉆井系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件，其中減速機(jī)箱體是頂驅(qū)最為重要的結(jié)構(gòu)件。本文對頂驅(qū)減速機(jī)箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析，計(jì)算出在不同工況下，頂驅(qū)減速機(jī)箱體應(yīng)力分布和變形狀況，為其進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化與可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]有限元 頂驅(qū)減速箱體 剛度 變形

[Abstract]Top Drive System is an important part of drilling device. The Gear Box is the most important structure of TDS. The paper carries on finite element analysis to top drive drilling device， analysis the stress distribution situation of case body under different operating modes. The result is useful to evaluate the structure reliability of Gear Box.

[Key words]Top drive Gear Box； Finite element analysis； stiffness； distortion

中圖分類號(hào)：TM303 ，TB12；7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）04-0287-01

引言

本文分析頂驅(qū)減速機(jī)箱體結(jié)構(gòu)及計(jì)算受力工況，利用Solidworks軟件中有限元模塊對箱體進(jìn)行有限元分析計(jì)算。建立箱體有限元模型，考慮受力工況分析箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形情況，為頂驅(qū)箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與可靠性提供決策依據(jù)[1]。

1.減速箱體結(jié)構(gòu)

頂驅(qū)減速機(jī)箱體外形見圖1， 箱體后支耳通過銷軸與滑車相連，左右通過銷軸與提環(huán)相連，箱體上裝有減速機(jī)的軸承座與連接減速機(jī)的齒輪軸，箱體通過銷釘和螺栓與上蓋組合成一個(gè)封閉體。

2.有限元模型建立

2.1 實(shí)體模型的簡化

為方便對變速箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需對變速箱體實(shí)體模型做適當(dāng)簡化。結(jié)構(gòu)上簡化不影響有限元分析結(jié)果的局部特征，如箱體上的銷孔、螺紋孔、過渡圓角等。

2.2 網(wǎng)格劃分

箱體材料采用ZG29NiMoA，其壁厚為45mm，主承載箱體下底板厚度達(dá)150mm，所以箱體全部采用實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算較為合理。整理后減速箱網(wǎng)格模型，見圖2。

2.3 約束與加載

箱體與上蓋采用螺栓連接，箱體與提環(huán)銷、箱體與軸承座、軸承座與齒輪軸均采用接觸處理；提環(huán)銷與后支耳銷孔只承受反扭矩，銷孔徑向約束即可。齒輪箱承受鉆桿與下方各部件的拉力以及鉆進(jìn)時(shí)的扭矩，拉力加載于箱體中間平面上，扭矩分解為各個(gè)齒輪軸的切向力與徑向力[2]。

減速箱在處理井下卡鉆事故時(shí)，承受最大拉力；鉆進(jìn)同時(shí)承受拉力與扭轉(zhuǎn)；上、卸鉆桿扣時(shí)需承受最大扭矩[3]。各工況的設(shè)置見表1：

3.計(jì)算結(jié)果評(píng)估

計(jì)算完成后，取工況Ⅰ的變形與應(yīng)力云圖如圖3、4所示，其余工況類似，不再累舉。

計(jì)算結(jié)果見表2，據(jù)應(yīng)力云圖分析可知，減速機(jī)箱體最大應(yīng)力發(fā)生在工況Ⅰ，位置處于提環(huán)銷與銷孔的接觸部位，由于接觸應(yīng)力偏大為正常現(xiàn)象。鉆進(jìn)工況和上、卸鉆桿扣工況有更高的安全系數(shù)。減速箱體的變形最大也發(fā)生在工況Ⅰ，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對變形小于2%，滿足要求。因此，該減速箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的。

4. 結(jié)論

本文對石油頂驅(qū)減速箱箱體進(jìn)行有限元分析，該箱體總體結(jié)構(gòu)布局比較合理，箱體最大應(yīng)力與變形在許可范圍。利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對石油頂驅(qū)減速箱箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性評(píng)估提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王龍龍，劉清友，王國榮DQ70頂驅(qū)動(dòng)力水龍頭箱體力學(xué)分析 機(jī)械研究與應(yīng)用，2006，19（3）.

[2] 肖文生，董維彬，鐘毅芳.頂驅(qū)鉆井裝置的計(jì)算機(jī)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，23（7）.

[3] 陶濤，7000米頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置設(shè)計(jì)計(jì)算.中國石油大學(xué)，2011.