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1、ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计专 业：机械设计制造及其自动化学 生： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 2014.05.20 扬州大学广陵学院摘 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
2、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，静态和模态分析全套图纸三维，加153893706AbstractOil drilling rig is a very important tool in exploration and developme
3、nt 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
4、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
5、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 d
6、rum, 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 transmi
7、ssion 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.
8、5石油钻机国内外的发展状况41.5.1石油钻机国内的发展状况41.5.2石油钻机国外的发展状况51.6本次毕业设计目的71.7本次毕业设计的任务及要求8第二章 ZJ50型绞车传动系统介绍102.1 ZJ50型绞车的主要技术标准及设计原则102.1.1 绞车的使用工况及要求102.1.2主要技术标准及设计原则102.2 ZJ50型绞车结构及工作原理112.2.1绞车结构组成112.2.2 绞车工作原理122.3 绞车传动系统参数13第三章 零件的三维造型143.1三维造型概念143.2 Pro/E 概述143.3 Pro/E的特点和优势143.4具体的零部件造型163.4.1中间轴链轮的绘制16
9、3.4.2整个传动系统零部件的装配图及爆炸图263.5零件图绘制总结29第四章 ZJ50型绞车传动系统主要部件的计算校核304.1主刹车带校核304.1.1钢（刹）带两端的拉力和制动力的计算304.1.2钢（刹）带强度校核计算324.1.3钢（刹）带铆接强度校核计算324.2主刹车带校核结论33第五章 ZJ50型绞车传动系统关键零部件的有限元分析345.1有限元法应用345.1.1 ANSYS软件简介345.2 ZJ50型绞车滚筒的静力分析345.2.1 建立滚筒模型345.2.2 滚筒材料温室性能参数355.2.3 模型的网格划分355.2.4 边界条件365.2.5 载荷工况分析365.2
10、.6 求解并分析结果375.3 ZJ50型绞车滚筒的模态分析395.3.1 滚筒有限元模型的建立395.3.2 施加约束并求解395.3.3模态结果分析395.4 ZJ50型绞车滚筒轴的静力分析435.4.1建立滚筒轴模型435.4.2 滚筒轴材料温室性能参数445.4.3 模型的网格划分445.4.4 边界约束条件455.4.5 载荷工况分析455.4.6 求解并分析结果465.5 ZJ50型绞车滚筒轴的模态分析485.5.1 滚筒轴有限元模型的建立485.5.2 施加约束并求解485.5.3 模态结果分析495.6 ZJ50型绞车滚筒轴装配体有限元分析525.6.1 建立滚筒轴装配体有限元
11、分析模型525.6.2 材料属性定义535.6.3 网格划分535.6.4 定义边界条件并施加载荷545.6.5 求解并分析结果55总结与展望致谢参考文献ZJ50型石油钻机用动力绞车传动系统设计杨峰 机械81001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
12、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。图一图二1.3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
13、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
14、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
15、，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
