钻机绞车滚筒有限元分析及可靠性评价

0引言JC90DB绞车是我公司自行研制的新产品，该绞车为单滚筒轴结构，滚筒为整体开槽式，为确保滚筒使用的可靠性，对其进行设计与分析。

1设计参数滚筒最大快绳拉力640kN滚筒钢丝绳直径ϕ45mm2设计原则根据API7K的要求，绞车的主载荷路径零部件应仅限于主滚筒刹车工作时承受快绳载荷的零部件。

3滚筒的参数确定3.1滚筒的结构类型选择滚筒结构采用三部分焊接结构，即滚筒体、左轮毂、右轮毂，右轮毂外侧铸有钢丝绳固定装置，并在其对侧轮毂焊接有平衡块，轮毂与滚筒轴的联结采用键装静配合。

滚筒体和轮毂的材料分别为35CrMo、ZG35CrMo，按照先进的焊接工艺，这两种材质焊接在一起时，母材与选定焊条的熔合性强，根据力学性能实验显示，焊缝的抗拉、弯曲等强度高，其焊接成品率可达100%。

3.2滚筒直径D1与滚筒长度L的计算D1主要是根据钢丝绳的结构和直径的大小来决定，总的原则是在不使钢丝绳过分弯曲的前提下，将D1设计的偏小一点，这对减轻绞车的重量，减小绞车的启动载荷都有好处。

对于钻井绞车D1=（20~30）d d———钢丝绳直径，mm则D1=（20~30）×45=（900~1350）mm按照上述原则及经验，取D1=1060mm。

对于绞车长度的设计，一般满足API要求缠绳不超过4层的前提下，越小越好。

根据美国绞车设计经验：L=（1.26~2）D1，mm=（1135~2120）mm通过比较分析及经验，L取1830mm，确定L后，再计算快绳的倾斜角，验算L设计的合理性。

L=2Htanλ（1）式（1）中：H———滚筒轴中心到天车快绳轮中心的距离；λ———快绳的倾斜角，λ=1.25°~1.5°通过计算，λ=1.92°，因为此滚筒为开槽滚筒，允许λ⩽2°。

所以滚筒长度符合要求。

4滚筒强度校核由于滚筒上的里巴斯绳槽为双折线绳槽，钢丝绳对滚筒体的挤压力作用在绳槽上，考虑到绳槽是均布的，且绳槽间间隙较小，在滚筒建模时，精确建立里巴斯绳槽是非常麻烦且没有必要的，因此有必要对滚筒进行模型简化。

利用有限元模型对钻机进行动态分析的研究摘要现在的工作的目的是使用分析和实验的结果发展和改进钻机的有限元分析模型，这种有限元分析已经用在监测将钻机的工作特性修改后对钻机动态的结构的影响；对钻机将有两个研究就进行。

第一个研究是：使用工具对钻机进行冲击来观察这种冲击对钻机的影响的实验已经在进行，通过人们公认对模型的证明我门已经知道这种方法的可行性；为了这一个有限元模型分析的机器，一个计算机程序已经被设计出来。

有限元分析获得的结果是将通过实验得到模型的比较与测量和控制的价值联系起来。

有限元分析模型已经被改进，是由于一个已经使用的有限元分析模型程序的改进。

第二个研究是：模式上的测试已经完成，这种测试包括运用各种任意的声音和模式的刺激。

公认的模式的测试方法被用来作为这种有限元分析模型的证据。

利用I-DEAS软件已经对有限元分析模型的作了分析。

利用FEMtools软件已经对有限元分析模型和实验得到的结果的联系进行了分析，利用以上两种软件已经对有限元分析模型进行了间接的改进。

灵敏度基于对参数估量的技术。

通过以上两种研究，对这种分析模型进行结构和动态的修改。

我们对动态设计的结果和结构和动态的修改相当的满意。

目录1.绪论；2.模型的测试和结论；3.钻机的有限元分析元素的表达；4.有限元分析的结果和实验结果的比较；5.有限元分析的发展；6.利用有限元分析对动态设计的动态和结构的修正；7.结论。

参考文献1．绪论动态设计的目的在于获得想要的机器和构件的动态参数，这些动态参数包括震荡频率，想要得到的结构尺寸和震荡响应，而根本的目的是有一个安静和舒适的环境，高的可靠性和更好的产品质量。

常规的动态设计是通过很多的原形的分析和实验来获得自己想要的参数。

这个设计的缺点是：要进行这个实验和分析需要很多的时间和精力，所以根本就没有效率所言。

然而，新型的有限元分析节省了时间节省了有关的花费。

动态设计所用的各种方法是：实验的模型分析（形态测试和实验确认），模型改进和结构上的，形态上的修改。

JC-40绞车滚筒轴的有限元分析与优化韩玉强【摘要】The static analysis of driving pulley shaft of the drawworks convey was conducted by using the software of ANSYS10. 0. The nodal deformed shape and von Misses stress distribution figure of the shaft were obtained successfully and found the deformation and stress of maximum position, proposed the axis of the improvement plan. The result of analysis is close to the academic calculating. According to the results of analysis, strength check, rigidity check and stress-strain were calculated and the result indicated that it was accord with the regulation of API, Which indicates the result is valid. A theoretical reference for the structural optimization design of the shaft was provided.%采用有限元分析软件ANSYS10.0对JC-40绞车滚筒轴进行建模,并对轴上附件的质量和受力进行简化和静力学分析,得到了滚筒轴的节点变形云图和应力分布云图,找出变形及应力最大位置,提出轴的改进方案.滚筒轴的最大平均等效应力与解析法求解结果数值接近.根据有限元分析结果对滚筒轴的强度、应力和刚度进行校核,结果均能符合美国API的设计要求,表明该分析结果具有实际应用价值,可为大型传动滚筒轴的设计优化提供理论依据.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2011(000)008【总页数】3页(P84-86)【关键词】ANSYS10.0;滚筒轴;有限元分析【作者】韩玉强【作者单位】宝鸡文理学院机电工程系,陕西宝鸡 721007【正文语种】中文【中图分类】TD528随着我国石油钻机种类的不断扩充和生产规模的不断扩大,与钻机配套的绞车正朝着大功率、大载荷和高速的方向发展。

采煤机螺旋滚筒振动可靠性分析采煤机是煤矿企业中的重要设备之一，主要用于采矿作业。

采煤机的核心部件是螺旋滚筒，它主要负责将煤炭从煤层中采出。

螺旋滚筒振动可靠性分析是对采煤机的螺旋滚筒在工作过程中的振动情况进行评估和分析，以确保采煤机的稳定运行。

螺旋滚筒振动可靠性分析需要从以下几个方面进行考虑：1. 螺旋滚筒结构设计的可靠性：螺旋滚筒的结构设计需要满足一定的强度和刚度要求，以承受采矿过程中的冲击和振动载荷。

需要对螺旋滚筒的结构进行有限元分析，评估其在实际工作条件下的应力和变形情况，确保其结构设计的合理性和可靠性。

2. 螺旋滚筒制造过程的可靠性：螺旋滚筒的制造过程需要保证其制造质量，以确保其在实际工作条件下不会出现断裂或其他质量问题。

需要对螺旋滚筒的制造过程进行质量控制，包括对材料的选择和处理、工艺参数的控制等，以确保螺旋滚筒的质量可靠性。

3. 螺旋滚筒运行状态的可靠性：螺旋滚筒在工作过程中会受到严重的振动和冲击载荷，因此需要对其运行状态进行实时监测和评估。

可以采用振动传感器等设备对螺旋滚筒的振动情况进行监测，以评估其振动水平和频率谱等指标，判断是否存在振动异常，并及时采取措施进行修复和维护，以确保螺旋滚筒的可靠运行。

4. 螺旋滚筒维护与修复的可靠性：螺旋滚筒的维护和修复工作对于保证其可靠性和稳定性至关重要。

需要制定相应的维护计划和维护标准，包括对螺旋滚筒的润滑、清洁和表面处理等工作，以及对螺旋滚筒的定期检查和故障排除等工作，以确保螺旋滚筒的可靠性和稳定性。

螺旋滚筒振动可靠性分析是对采煤机的螺旋滚筒在工作过程中的振动情况进行评估和分析的重要工作。

通过对螺旋滚筒的结构设计、制造过程、运行状态和维护与修复等方面进行分析和评估，可以确保螺旋滚筒的可靠运行，提高采煤机的工作效率和安全性。

还可以为螺旋滚筒的进一步改进和优化提供参考和依据。

基于ANSYS的绞车结构的滚筒部件有限元分析1.概述：本文基于ANSYS软件对绞车结构的滚筒部件进行有限元分析，分析滚筒在绳索压力下的强度和刚度情况，绳索对滚筒外表面的压力载荷为10.82MPa，计算结果表明滚筒部件满足强度要求。

2.几何建模：根据二维模型建立滚筒三维模型，二维模型如图1所示，利用ansys的前处理软件直接进行建模，这样ansys分析时候可以直接调用该几何，不需要进行几何导入导出，避免出错。

三维模型如图2所示。

图1 滚筒二维模型图2 套筒三维模型3.有限元模型建立首先建立材料属性，滚筒材料为HT200，抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。

材料弹性模量为1.57e5MPa，泊松比为0.27。

参考GB/T 9439-2010标准，如图3所示，HT200的屈服极限取130MPa，为保守设计，所以取下限。

图3 HT200材料在ansys中建立材料属性，材料参数如上所述。

图4 材料属性滚筒结构存在倒角，所以采用四面体网格划分，为了保证计算精度，采用高阶四面体网格进行划分，单元类型为solid187。

solid187单元是一个高阶3维10节点固体结构单元，SOLID187具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的模型单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元支持塑性，超弹性,蠕变,，应力刚化，大变形和大应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。

图5 solid187单元类型最终网格划分情况如图6所述，其中网格总数为59509，节点总数为101234。

对倒角和圆孔区域进行了网格加密，保证计算精度图6 有限元网格图7 局部加密4.载荷约束滚筒结构与电机和端盖连接，如图8所示，本文主要对滚筒结构进行强度分析，滚筒结构与电机是通过轴承连接，此处不考虑电机与轴承，约束滚筒结构与轴承配合面的自由度，滚筒右边与端盖连接，端盖与底座连接，不考虑端盖模型，在滚筒与端盖连接的法兰螺栓处施加约束。

２０１６年第４５卷第１０期第１页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１６，４５（１０）：１ ６文章编号：１００１ ３４８２（２０１６）１０ ０００１ ０６犑犆９０犇绞车滚筒强度分析胡军旺１，姚引婧２（１．兰州兰石石油装备工程有限公司，兰州７３０３１４；２．兰州理工大学技术工程学院，兰州７３００５０）①摘要：滚筒是绞车中的关键零部件，其可靠性关系到整个绞车的可靠性。

讨论了滚筒有限元分析时载荷的处理形式；引入欧拉公式分析了钢丝绳拉力的衰减状况。

将钢丝绳对滚筒的压力以按缠绕圈数逐圈递减的形式，施加在滚筒绳槽表面进行了滚筒的强度分析。

关键词：绞车；滚筒；有限元分析中图分类号：ＴＥ９２３ 文献标识码：Ｂ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０１６．１０．００１犛狋狉犲狀犵狋犺犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犑犆９０犇犇狉犪狑狑狅狉犽狊犇狉狌犿ＨＵＪｕｎｗａｎｇ１，ＹＡＯＹｉｎｊｉｎｇ２（１．犔犪狀狕犺狅狌犔犛犘犲狋狉狅犾犲狌犿犈狇狌犻狆犿犲狀狋犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犆狅．，犔狋犱．，犔犪狀狕犺狅狌７３００４３，犆犺犻狀犪；２．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犔犜犝，犔犪狀狕犺狅狌７３００５０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＴｈｅｄｒｕｍｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｐｉｖｏｔａｌｐａｒｔｓｉｎｔｈｅＤｒａｗｗｏｒｋｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｗｈｉｃｈｉｎｆｌｕ ｅｎｃｅｓｔｈｅｅｎｔｉｒｅｄｒａｗｗｏｒｋｓ’ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｌｏａｄｓｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｍｉｓｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｔｅｎｓｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇＥｕｌｅｒ’ｓｆｏｒｍｕｌａ，ａｎｄｔｈｅｄｅｃｌｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｉｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｒｏｐｅｇｒｏｏｖｅｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｒｕｍｓｔｒｅｎｇｔｈ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｄｒａｗｗｏｒｋ；ｄｒｕｍ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ 随着油气能源开采力度的不断增强，易开采的能源逐渐减少，油气勘探开发不断向深海、深地层等难动用储量延伸，对超重型石油钻机的需求在不断增加。

海洋石油钻机的可靠性设计与可用性评估海洋石油钻机作为海洋石油开发的重要装备，其可靠性设计与可用性评估具有重要的意义。

可靠性设计是指在设计过程中充分考虑各种因素，确保钻机在运行过程中具有高可靠性和稳定性。

可用性评估则是指对钻机的使用过程中产生的故障和维修时间进行分析，以评估其能够有效进行工作的程度。

海洋石油钻机的可靠性设计主要从以下几个方面展开：结构设计、材料选择、工艺设计和控制系统的设计。

首先，结构设计要充分考虑海洋环境的复杂性，采用合理的结构形式，以确保钻机在海洋石油开发过程中能够承受外部环境的影响，同时保证其结构稳定性和抗风浪性能。

其次，材料选择要结合海洋环境的特点，选择具有良好耐蚀性和耐磨性的材料，以延长钻机的使用寿命。

此外，工艺设计要做到工艺流程合理、易于操作和易于维修，以提高钻机的可靠性。

控制系统的设计在海洋石油钻机的可靠性设计中也起着重要的作用。

控制系统的设计要充分考虑海洋环境的复杂性和钻机工作的特点，采用先进的控制技术和可靠的传感器，实现对钻机工作状态的准确监测和控制。

同时，还要采取各种措施来防止控制系统故障，比如设置冗余系统和备用部件，以确保在出现故障时能够及时切换或更换，保证钻机的正常运行。

可用性评估是对海洋石油钻机进行使用过程中的故障和维修时间进行分析和评估。

通过对钻机各种故障及其修复时间的统计和分析，可以评估钻机在工作过程中可能出现的故障率和故障影响，从而采取相应的措施来提高钻机的可用性。

同时，可用性评估还可以为定期维护和维修提供依据，以保障钻机的长期连续工作。

为了确保海洋石油钻机的可靠性和可用性，除了进行可靠性设计和可用性评估外，还需要实施有效的维护和保养工作。

定期的维护和保养可以发现和解决钻机潜在的故障和问题，预防故障的发生。

同时，还应建立完善的信息管理系统，及时记录和分析钻机的故障信息和维修记录，以便进行后续的分析和改进。

总而言之，海洋石油钻机的可靠性设计与可用性评估是确保钻机在海洋石油开发过程中能够稳定运行和高效工作的重要环节。

JC50DB型绞车传动结构有限元分析朱晓敏;张亚鹏【摘要】绞车是整个钻机的核心部件,绞车能力决定了整台钻机钻进能力. 在确定系统参数的基础上,对JC50DB绞车传动系统进行结构设计,并用Pro/E对其进行三维建模;建立实际工况下滚筒、滚筒轴和滚筒轴装配体的有限元模型,科学合理地确定约束条件及载荷分布,运用有限元分析软件对滚筒、滚筒轴和滚筒轴装配体进行分析,为绞车的设计提供理论参考.【期刊名称】《甘肃科技》【年(卷),期】2015(031)023【总页数】4页(P28-31)【关键词】JC50DB绞车传动系统;滚筒;滚筒轴;有限元分析【作者】朱晓敏;张亚鹏【作者单位】兰州兰石石油装备工程有限公司甘肃兰州 730050;兰州兰石石油装备工程有限公司甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TE923绞车是整个钻机的核心部件，绞车能力决定了整台钻机钻进能力。

钻井绞车是一台多职能的起重工作机，主要由以下几部分系统组成[1]：驱动系动、传动系统、控制系统、支撑系统、润滑系统等组成，如图1所示。

绞车在钻井过程中所起到的作用是：起升钻具、下套管、整体起升井架、处理事故、控制钻压等作业[2，3]。

图1 交流变频电驱动绞车随着科学技术的进步和钻井技术的不断发展，交流变频电驱动绞车正在逐步取代传统的机械绞车和AC-SCR-DC直流电驱动钻机绞车，其钻井性能好、启动平稳、过载性能强、恒功率调速范围大、电动机无电刷火花隐患等优势，可简化绞车结构，具有适应性强、经济性好、可靠性高等优点，成为新一代石油钻机关键设备[4]。

1 JC50DB绞车传动系统参数计算根据资料[5]，绞车功率为1500hp时，对应的钻机配套参数见表1。

表1 钻机配套参数表钻机 ZJ50DB/3150名义钻井深度（m） 3500-5000最大钩载(KN) 3150绞车额定功率(kw) 1100游动系统绳数 10/12钻井钢丝绳直径(mm) 351.1 起升重量的计算1）最大起重量。

煤矿提升绞车滚筒有限元分析及结构优化研究
王旭
【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2024(39)3
【摘要】以JTB-0.8×0.6A型提升绞车滚筒结构为研究对象,对提升绞车以及滚筒结构进行简要概述,利用SolidWorks和ANSYS软件建立了滚筒结构的数值模型。

分析发现滚简最大应力为231.45MPa,最大变形为1.3029mm,最大应力几乎接近45号钢的许用应力237MPa,所以滚筒容易出现故障问题。

根据最新规范标准要求和经验公式,对滚筒直径和宽度进行优化设计计算,所得结果分别为3000mm和3752mm。

将优化后的滚简结构进行数值分析,最大应力和变形分别降低了
20.65%、19.77%。

将优化后的滚筒结构应用到提升绞车工程实践中,发现达到了预期效果。

【总页数】3页(P166-168)
【作者】王旭
【作者单位】铁法煤业(集团)有限责任公司大平煤矿运输区
【正文语种】中文
【中图分类】TD444
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5.对确定双滚筒提升绞车滚筒宽度的公式的修正
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