JC90D型绞车滚筒强度分析

胡军旺，姚引婧

(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



JC90D型绞车滚筒强度分析

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

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。滚筒的强度和刚度都满足使用要求。

绞车；滚筒；有限元分析

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。当钻机的负荷能力增加时，提升系统钢丝绳的直径增大，导致绞车滚筒的直径变大，对滚筒的强度和刚度设计带来了更高的要求[1]。

滚筒作为绞车的关键零部件，目前主要是依靠经验公式或将滚筒看作是厚壁圆筒进行粗略的强度设计计算。伴随着计算机技术的发展，有限元分析方法已广泛应用于滚筒的强度分析，但在载荷的处理上大多基于厚壁圆筒的理论，仅将理论的计算形式简单移植到计算机软件中，没有更加贴切地模拟实际受力状况。传统的设计过程中通常采用较高的安全系数以保证安全性，这使得滚筒的质量变的越来越大。在起升系统中，滚筒的启动惯性矩占全部从动惯性矩的50%～60%，过大的质量会影响绞车系统的动力性能。滚筒的设计应在保证强度的情况下尽可能的减轻滚筒的质量，以节约材料，减小其惯性矩；使绞车启动动载减小，加速操作并延长滚筒轴上离合器等部件的使用寿命。

本文以9 000 m钻机用绞车的滚筒作为研究对象，探讨滚筒工作状态下不同载荷因素对滚筒强度的影响，分析滚筒载荷的处理方式，并借助有限元软件讨论滚筒强度的精确分析。

1　滚筒所受载荷分析

滚筒是绞车系统的执行零件，工作过程中其单体上的各类载荷主要由快绳拉力引起。当快绳拉力作用于滚筒上时，滚筒内部不仅产生了弯矩和转矩，同时缠绕在滚筒上的钢丝绳在滚筒体表面产生紧箍力的作用。在传统的设计中，认为弯矩和转矩的影响较小，所以忽略不计，仅分析了紧箍作用力产生的影响。

1.1弯矩和转矩的影响

滚筒在工作过程中所受的载荷虽然由快绳的拉力引起，然而实际分析中，却无法用简单的模型全面分析快绳拉力在滚筒上产生的应力和应变。所以首先将快绳的拉力等效处理为一个集中力和力偶作用在滚筒的中心上，以分析弯矩和转矩对强度的影响[2-3]。

分析所采用滚筒的绳槽底部直径依据缠绳的要求确定为914 mm，壁厚依据估算定为95 mm(不计绳槽部分)，据此可求得滚筒的抗弯、抗扭截面系数分别为：W=4.543×10-2m3，Wτ=9.086×10-2m3。

对于滚筒体来说，仅考虑其自身的受力时为简支支撑，两侧轮毂与滚筒轴的联接部位即为支撑点。所以当快绳处在滚筒中间位置时产生的弯矩最大。绞车的快绳拉力为640 kN，滚筒开档尺寸为1 643 mm，快绳在滚筒上产生的最大弯矩为

M=640×1.643/2=525.76 kN·m

钢丝绳直径45 mm，按第二层缠绳直径1 041 mm，计算滚筒的最大转矩为

T=640×1.041/2=333.12 kN·m

滚筒上弯曲应力和转矩应力分别为

σ=M/W=525 760/0.04 543=11.57 MPa

τ=T/Wτ=333 120/0.09 086=3.67 MPa

按第四强度理论，弯扭合成强度为

张总表示，30年来中鼎集成所服务的领域遍及食品、冷链、医药、新能源、锂电、汽车、机械、造纸、能源、化工、服装等领域，完成的各类工程案例超过600个，早已成为国内领先的物流系统集成商。而之所以能够在2018年收获较好的业绩增长，源于“天时地利人和”。

对于重型绞车的滚筒，计算结果相对较小，快绳拉力在滚筒上产生的弯曲应力和扭转剪切应力对滚筒强度的影响基本可以忽略。

1.2紧箍作用力的影响

紧箍作用力引起的应力会使滚筒受到压缩和弯曲，在形式上表现为钢丝绳施加在滚筒表面的正压力，是影响滚筒强度的主要因素。传统的计算过程中，滚筒被看作是厚壁圆筒。依据厚壁圆筒的强度分析理论，滚筒表面的压力被简单处理为均匀相等的恒力[4]。

分析滚筒的缠绳状态，会发现滚筒上绳与筒体之间存在很大摩擦力。虽然快绳拉力很大，但在滚筒上缠绕多圈之后，卡绳座处的拉力很小或接近于零。在其作用下，缠绕在滚筒上的钢丝绳的拉力随着缠绕圈数的增加而逐渐递减。钢丝绳和滚筒之间的摩擦属于挠性体和刚体之间的摩擦，符合挠性件摩擦理论，即钢丝绳上的拉力符合欧拉公式：

F1=Fe-μ θ

(1)

式中：F1为钢丝绳端的拉力；F为快绳拉力；μ为钢丝绳与滚筒间的摩擦因数，取0.14；θ为钢丝绳的包角，rad。

将9 000 m钻机绞车的快绳拉力640 kN代入式(1)进行计算。结果显示当钢丝绳在滚筒上缠绕15圈时，拉力衰减为快绳拉力的0.14%左右。随着缠绕圈数的增加，钢丝绳另一侧拉力衰减速度会越来越慢。

从缠绕在滚筒上的钢丝绳中任意位置取一个微小的单元体di。在钢丝绳两端拉力F、F′及表面磨擦力f的作用下，处于平衡状态，如图1所示。即：

F=F′+f

(2)

图1　钢丝绳受力

对于整个可靠缠绕在滚筒上的钢丝绳系统，永远处在这样的平衡状态下。由于摩擦力与接触面积无关，所以在拉力逐圈衰减的钢丝绳系统中，任意单元体所受的摩擦力不可能保持恒定。也就是说，钢丝绳作用在筒体上的正压力是不会恒定不变的，其大小会逐渐递减。在分析过程中，这是一个不应被忽略的现象。当把滚筒看作是厚壁圆筒进行分析时，与实际情况存在较大的偏差。

2　滚筒有限元分析

目前绞车上普遍采用的滚筒为双折线开槽滚筒，这种滚筒因其优良的缠绳性能，得到了广泛的认可。双折线开槽滚筒主要由筒体和轮毂组成，刹车盘采用剪切螺栓安装在滚筒两侧轮毂上，整个滚筒采用铸件组焊结构；焊接完成后进行整体开槽。在SolidWorks软件中建立有限元模型，对滚筒上的部分倒角，刹车盘连接孔等不影响强度的特征进行简化处理。有限元模型如图2所示。建立模型后，导入Ansys Workbench软件进行网格划分，采用10节点的四面体Solid187号实体单元，单元总数量为4 511 224个，节点数3 119 183个。

图2　滚筒体有限元模型

2.2边界条件

由于滚筒上所受的正压力逐渐递减，假设钢丝绳在滚筒上缠绕15圈时另一端的拉力等于零。对于滚筒本身，当快绳在滚筒中间位置时产生的变形和应力最大，因而在进行有限元分析时以滚筒中间绳槽为起点，向轮毂侧15圈的绳槽表面施加线性递减至零的正压力，起始点的压力最大。

为了计算最大压力，在滚筒上沿轴向取宽度为钢丝绳直径的半环形体为分离体，如图3所示。

图3　滚筒受力分析

暂不考虑滚筒表面摩擦力的作用，则在分离体两端的拉力相等。分离体的表面积按绳槽在假想的槽底圆柱面上的投影面积处理。在垂直于轴的横截面上，过中心取对应夹角的单元体，其表面积为

(3)

式中：D为滚筒绳槽底直径，mm；t为钢丝绳直径，mm，本文取45 mm；φ为分离单元体所对应的中心角，rad。

在不考虑摩擦时，可认为滚筒表面的压力p0均匀分布，则dφ所对应的分离单元体的表面所受载荷为

(4)

沿滚筒表面，分离体上的载荷在横截面垂直轴方向上应为平衡力，即：

(5)

则：

(6)

滚筒体表面的压力与所取离散单元两端的拉力成正比。假设滚筒表面没有摩擦，两端的拉力为快绳拉力时，滚筒表面的压力即为最大值。9 000 m绞车滚筒表面的最大压力为31.208 MPa。

滚筒的轮毂与滚筒轴之间采用过盈配合，滚筒受力变形时，滚筒和滚筒轴将会沿轴向有微量伸缩，所以按照滚筒实际的定位形式，在一侧轮毂内孔表面上施加固定约束，另一端施加沿轴向自由，其他方向固定的约束。滚筒整体的质量较大，考虑重力作用，在软件中施加标准重力载荷。

2.3结果分析

滚筒的材料采用ZG270-500，弹性模量E=202 GPa，泊松比μ=0.3。输入各项参数后，进行结构静力学分析，结果如图4～6所示。

图4　滚筒外表面Von Mises应力云图

图5　滚筒内表面Von Mises应力云图

图6　滚筒变形示意

由图4～6可知，滚筒内表面产生的应力较大，应力的大小自最大压力作用点向两端递减，最大压力作用点处应力为162.1 MPa；滚筒内表面与滚筒轮毂相接位置的应力与周边其他位置相比较大，但不超过72 MPa，所以在设计时应注意此位置的应力集中，尽量选用较大的过度圆角；滚筒压力最大点的变形最大，为0.34 mm，两侧轮毂有相对的翘曲，线性位移量不超过0.11 mm。

铸钢ZG270-500的屈服强度为270 MPa。滚筒的最小安全系数为1.67，滚筒的强度满足使用要求。滚筒的整体变形量很小，对钢丝绳的缠绕不会产生大的影响，刚度也满足使用要求。

3　结论

1)在滚筒强度的分析计算过程中，由于快绳拉力引起的弯矩和滚筒传递的转矩所产生的弯扭合成应力约为钢丝绳紧箍作用力产生的应力的8%，远小于紧箍作用力产生的应力，所以滚筒的有限元强度分析过程中可以不予考虑。但这样计算的结果与实际的应力相比会有所减少，偏于不安全，在滚筒设计时应适当增大滚筒的安全系数。

2)本文考虑了钢丝绳拉力逐圈衰减的实际情况，分析结果显示，应力的大小自最大压力作用点向两端递减，符合力学理论；应力云图的变化均匀，分析结果较为准确，可为滚筒设计提供依据，保证设计的合理性。

3)滚筒的应力和变形主要由钢丝绳对滚筒的紧箍作用力引起，所以在滚筒内部可以通过增加环形筋的方式有效减小滚筒的壁厚，降低滚筒的整体质量，实现滚筒的轻量化设计。

[1]陈如恒，沈家骏．钻井机械的设计计算[M]．北京：石油工业出版社，1995.

[2]刘鸿文.材料力学[M].第三版.北京：高等教育出版社，1992.

[3]成大先．机械设计手册[M].第五版．北京：机械工业出版社，2007.

[4]曹助家，顾占山.欧拉公式在机械设计中的应用[J].机械制造，1994(2)：10-11.

[5]张洪才.ANSYS Workbench 14.5数值模拟工程实例解析[M].北京：石油工业出版社，2013.

[6]王新敏.ANSYS 工程结构数值分析[M].第一版．北京：人民交通出版社，2007.

Strength Analysis of JC90D Drawworks Drum

HU Junwang1，YAO Yinjing2

(1.Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730043，China；2.CollegeofTechnologyandEngineering，LTU，Lanzhou730050，China)

The drum is one of the pivotal parts in the drawworks，and the reliability of which influences the entire drawworks’ reliability.The loads process form is mainly discussed.Attenuation of wire rope tension is analyzed by using Euler’s formula，and the declining press is applied on the rope groove to analyze the drum strength.

drawwork；drum；finite element analysis

1001-3482(2016)10-0025-04

2016-05-26

胡军旺(1982-)，男，工程师，主要从事石油钻采机械的研发工作，E-mail：lshujw@foxmail.com。

TE923

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.006