转盘壳体的有限元分析

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底座是石油钻机的重要组成部分之-。底座用来支承钻井设备 ，提供工人操作平台和安装井口装置的空间，提供各工作设备间的安装定位保证，它承受钻井工作荷载及设备的自重荷载，并传递分配给基赐地基。而转盘又是底座顶层的重要设备，转盘的工作条件十分恶劣，承受油、气、水、泥浆的侵蚀 ，对密封性要求较高，在钻井过程中井中钻柱的振动使转盘承受的载荷极不稳定，冲击振动相当严重。

转盘主要起以下作用：在转盘钻进过程中及处理井下复杂情况、井下事故时用于旋转钻柱；在涡轮钻井 、定向钻井时承受钻柱上的反作用力矩；在起下钻杆或套管时悬持钻柱；起下钻时卸钻杆扣。

针对石油钻井工艺的发展，超深井、水平井和定向井对转盘性能的要求 日渐严格。转盘的性能直接决定着钻机钻进能力，转盘的研究生产直接关乎我国是否有能力 自主研制万米以上的钻机设备。而壳体作为转盘中的主要部件之-，它直接决定了转盘性能的好坏。本文通过 Solidworks软件建立转盘锥齿轮三维实体模型，采用 ANSYS软件建立相应的有限元模型，实行加载求解，进行壳体应力有限元分析，为转盘壳体的精确设计提供了可靠的理论依据和可行的方法。

1 转盘的工作原理转盘是通过机械传动或电机驱动提供动力并实现变速，再通过转盘中-对锥齿轮副实现减速传递扭矩，使转台获得-定范围内的转速和扭矩输出，驱动钻具进行钻井作业的设备。转盘主要由转台(等于-根空心轴)，锥齿轮副、主、辅轴承和输入轴总成、锁紧装置、壳体、下密封圈、下座圈、上盖、补心等零部件组成，采用飞溅润滑，有结构紧凑，密封性能好，承受载荷大，传递动力效率高，能在恶劣环境下长期工作的特点∏体是采用铸焊结构的钢性矩形结构。以ZP275转盘为例，其可承受的最大静负荷为4 500kN，其内腔有润滑油池，并由迷宫密封槽和下密封圈、下座圈、油封进行密封，在壳体内设有左、右两个曲拐式锁紧装置，可将转台在正、反两个转向锁住，以适应采用特殊钻井作业时承受钻具反扭矩的需要。转盘壳体只有主轴承档这处承受最大静负荷，而扭矩是转台、水平轴、齿轮副之间传递，壳体不予考虑。

2 转盘强度局析ZP275转盘有限元模型有个 89 538单元 ，190961个节点。转盘静力状态下主要受轴承的重力、轴盖重力还有 自身的重力。对于边界条件的处理，由于转盘工作时固定在转台上，因此可将转盘底面加以固定约束。

图 1是 ZP275转盘的三维有限元模型。图2是转盘的有限元模型的网格划分。图3是转盘载荷加载方式。图4是转盘的强度分析边界条件。图5是分析结果应力云图。第 4强度理论计算的应力云图，得到图5所示 的转盘应力云图。转盘在静力作用下，最大的应力是 165.21 MPa，出现在轴盖与壳收稿日期：2012-11-18基金项目：国家自然科学基金项 目(DCCX-CHB-2011121-G)作者简介：谢娜娜(1986-)，女，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为钻机机械。

· 143·方治华，等：槽式太阳能集热器集热系统支架的模态分析的弯曲刚度也较弱。由系统支架不同角度的模态参数比较可知：同-角度下，系统支架的系统的前 20阶固有频率低且集中，振型与 90。时的相同，在实际应用中，容易在风激励下出现明显振动，应通过增大连接轴的直径或者改变连接方式来增大集热元件连接处的刚度；同-阶数下，支架固有特性参数(固有频率和振型)随角度变化不明显，故设计时不需要考虑频率随角度的变化。