氣胎離合器設(shè)計報告

1、氣胎離合器設(shè)計報告1 概述氣胎離合器是石油鉆機和石油修井機的重要傳動部件之一。在鉆機和修井機工作的過程中用來傳遞扭矩和分離傳動系統(tǒng)。其主要功用為：a)在動力傳輸系統(tǒng)中傳遞扭矩；b)在泵組中充當(dāng)離合器和傳遞扭矩；c)在特殊工況時可以當(dāng)氣控剎車使用。氣胎離合器的工作原理：當(dāng)離合器的氣胎中注入壓縮空氣后，氣胎膨脹，通過閘瓦推動摩擦塊抱向摩擦轂，摩擦塊與摩擦轂之間產(chǎn)生摩擦力，繼而摩擦塊抱緊摩擦轂，這樣，離合器一端軸的轉(zhuǎn)動帶動離合器轉(zhuǎn)動，離合器的轉(zhuǎn)動通過摩擦塊帶動摩擦轂的轉(zhuǎn)動，將扭矩傳遞過去；當(dāng)氣胎中的壓縮空氣排出后，氣胎收縮，閘瓦中的彈簧片推動閘瓦和摩擦塊退回，摩擦塊和摩擦轂松開，傳遞動力結(jié)束。離合器

2、依照中華人民共和國天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6760-2010石油鉆采設(shè)備用氣胎離合器，按照石油鉆采設(shè)備的相關(guān)要求，并參照EATON公司相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計制造的。其中，鋼圈、扭力桿為主承載件。2 氣胎離合器結(jié)構(gòu)形式及主要參數(shù)圖1 氣胎離合器結(jié)構(gòu)圖2 氣胎離合器的主要參數(shù)如圖2，離合器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有氣胎作用直徑D，氣胎作用寬度B，鼓輪直徑d和鼓輪有效寬度b。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)相互關(guān)系確定如下：以鼓輪直徑為計算目標(biāo)，而將其它參數(shù)用相應(yīng)系數(shù)乘以d來表示。同時，在初步計算時假定氣胎作用寬度和鼓輪有效寬度相等，即B=b。則有 （1）式中 b 鼓輪有效寬度，(m) B氣胎作用寬度，(m) d鼓輪直徑，(m) 比例系數(shù)，

3、取值范圍0.150.5，大規(guī)格取小值，小規(guī)格取大值，此處取0.253 氣胎離合器計算轉(zhuǎn)矩的確定為了使離合器在設(shè)備起動時有一定的起動加速,在運行中有一定的過載能力,以保證可靠運行,在設(shè)計計算時,計算轉(zhuǎn)矩要大于理論轉(zhuǎn)矩，由機械設(shè)計手冊新版第三卷第22篇5.2節(jié)，得計算轉(zhuǎn)矩 (Nm) (2)式中 T 離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩，(Nm)，氣胎離合器設(shè)計額定轉(zhuǎn)矩為61090 Nm，即離合器傳遞的理論轉(zhuǎn)矩。 K離合器的工作情況系數(shù)，查機械設(shè)計手冊，取鉆探機械的工作情況系數(shù)為2； Kp安全系數(shù)，一般取1.21.5，此處取1.3。因此 4 根據(jù)供氣壓力初步確定鼓輪直徑 鼓輪直徑按下式計算 （m） (3)式中 機械

4、效率(由離心力、摩擦力等引起的損失造成)，初步計算時可取=0.860.92，大規(guī)格取大值；此處取0.9； 閘瓦鼓輪摩擦副的摩擦系數(shù)，石棉橡膠摩擦材料對鋼= 0.30.32，此處取0.3；為比例系數(shù)，初步計算可以取=1.33； 壓縮空氣工作壓力(MPa)，取最大1 MPa； 壓力損失，一般取0.03MPa0.07Mpa，此處取0.05 Mpa其他代號同前。因此 d=1065mm1059mm，滿足氣胎離合器額定扭矩傳遞的要求。5 強度分析5.1根據(jù)氣胎強度條件確定離合器許用扭矩 由機械設(shè)計手冊新版第三卷第22篇5.2節(jié)，氣胎離合器許用扭矩須滿足 （4） 式中 R氣胎內(nèi)側(cè)胎面的半徑，600mm； 氣

5、胎內(nèi)側(cè)的寬度，200mm； 氣胎材料的許用切應(yīng)力，(MPa)；查機械設(shè)計手冊，取。所以則 可見，許用轉(zhuǎn)矩滿足氣胎離合器額定扭矩傳遞的要求。5.2閘瓦摩擦面壓力校核閘瓦摩擦面壓力應(yīng)滿足下式 （5）式中 鼓輪對閘瓦摩擦面的壓力，(MPa)；d=1065mm，b=232mm，查機械設(shè)計手冊，對半金屬摩擦基材料可取所以 1.28可見，閘瓦摩擦面可承受工作壓力，滿足要求。5.3扭力桿的強度校核扭力桿作為一個傳遞扭矩的重要部件，它是否能達到強度要求決定著扭矩是否能順利傳遞扭矩。因此對扭力桿的強度校核必不可少。根據(jù)扭力桿和側(cè)板連接方式及其工作原理，每個扭力桿與側(cè)板連接處可簡化為懸臂梁來計算，剪力線性均勻分布

6、在連接端，如圖3。圖3 扭力桿受力簡化圖及剪力圖、彎矩圖由扭力桿圖紙可得，l=12mm；均布載荷 式中 R 扭力桿作用半徑，由圖紙得為675mm； n 扭力桿數(shù)量，20個；則 最大彎矩 最大剪力 最大彎曲正應(yīng)力須滿足公式 (6)式中 W 抗彎截面系數(shù)，對截面直徑為d的圓形，查圖紙，d=15mm； 許用應(yīng)力，扭力桿材料為45號鋼，查GB/T699-1999，得屈服強度為355Mpa，安全系數(shù)為1.3，所以，許用應(yīng)力。則 可見，最大彎曲正應(yīng)力滿足強度條件。最大彎曲切應(yīng)力須滿足公式 （7）式中 對截面直徑為d，半徑為R的圓形，； 剪切許用應(yīng)力，根據(jù)7K 4.7規(guī)定。則 可見，最大彎曲切應(yīng)力滿足強度條

7、件。5.4鋼圈的強度校核 對于鋼圈的受力有來自動力端的扭矩和來自氣胎的內(nèi)壓。由力的疊加原理，將鋼圈的受力簡化為薄壁圓筒的扭矩和圓筒受內(nèi)壓作用的疊加，如下圖。圖4 鋼圈受力簡化圖根據(jù)材料力學(xué)，鋼圈扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)力 （8）式中 扭矩，此處為計算轉(zhuǎn)矩； r 鋼圈平均半徑，由圖紙得r =641mm； 鋼圈厚度，25mm。 則 根據(jù)彈性力學(xué)，鋼圈受1 內(nèi)壓時，鋼圈的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分別為： (9) (10)由以上兩式可知，徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力，且在內(nèi)壁處應(yīng)力的絕對值最大。周向應(yīng)力的符號始終為正，在內(nèi)壁處為最大值。式中 ；從鋼圈圖可看出 ； 647.5mm。則有 = ; = ; 又，鋼圈扭轉(zhuǎn)時的切應(yīng)力方向與鋼

8、圈受內(nèi)壓產(chǎn)生的周向應(yīng)力方向一致。因此 ， ， 根據(jù)第四強度理論，最大當(dāng)量應(yīng)力為 54.3鋼圈材料為Q235B，屈服強度=235 ，許用應(yīng)力，最大當(dāng)量應(yīng)力，所以，鋼圈強度滿足要求。5.5焊縫的強度校核鋼圈中圈自身連接的焊縫為對接焊縫，對接焊縫中的應(yīng)力分布與焊件的應(yīng)力分布情況基本相同，沒有應(yīng)力集中。此焊縫的最大當(dāng)量應(yīng)力和鋼圈的最大當(dāng)量應(yīng)力基本相等。又，焊縫的許用應(yīng)力為可見，對接焊縫滿足強度要求。圈和側(cè)板連接的焊縫為角焊縫，焊接均勻，沒有應(yīng)力集中。構(gòu)件受力平行于焊縫的剪力(A為鋼圈橫截面面積)=， （11）式中 h 角焊縫的計算高度，為0.7倍的焊腳尺寸，14mm； lw角焊縫的實際長度減去10mm

9、，為3.141295-10=4056mm。則 可見，角焊縫滿足強度要求。6結(jié)論經(jīng)過對氣胎離合器結(jié)構(gòu)以及受力分析、計算，證明氣胎離合器的設(shè)計是符合API Spec 7K鉆井和修井設(shè)備要求的，胎離合器是安全可靠的。參考文獻1 機械設(shè)計手冊M 第3卷，王文斌 主編，機械工業(yè)出版社。2 機械設(shè)計手冊M 第2卷，成大先主編，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，1982。3 材料力學(xué)M （上、下冊）第三版，高等教育出版社，1992，113-154。4 鉆井井架、底座的設(shè)計計算 常玉連 編，石油工業(yè)出版社，1994.65 美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 7K 鉆井和修井設(shè)備6 彈性力學(xué)M第3版 徐芝綸北京：人民教育出版社1990

10、第二部分 有限元分析1 引言氣胎離合器有限元分析使用ANSYS軟件進行的。該軟件是ANSYS公司推出的工程仿真技術(shù)集成平臺。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。 它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。氣胎離合器是石油鉆機和石油修井機的重要傳動部件之一。在鉆機和修井機工作的過程中用來傳遞扭矩和分離傳動系，是動力傳遞過程中的關(guān)鍵部件，屬于彈性聯(lián)軸器之類。

11、它主要由摩擦片、銅螺栓、彈簧片、扭力桿、閘瓦、氣胎、鋼圈等零件組成。氣胎離合器的結(jié)構(gòu)相互作用較為復(fù)雜，銅螺栓、彈簧片等結(jié)構(gòu)對氣胎離合器計算結(jié)果的影響不大，而且不對結(jié)構(gòu)進行簡化，會對后續(xù)的計算分析帶來很大困難，不僅是計算的時間會大大延長，一旦超出計算機內(nèi)存容量就會出現(xiàn)錯誤。此次建模，把、銅螺栓、彈簧片等結(jié)構(gòu)忽略掉，僅保留與受力分析相關(guān)的如扭力桿、鋼圈等主要結(jié)構(gòu)，用ANSYS軟件對其進行分析。2 扭力桿的有限元分析2.1扭力桿力學(xué)模型的建立和單元類型的選取在ANSYS中直接建模，如下圖所示2.2 材料性能參數(shù)的設(shè)定扭力桿材質(zhì)為45號鋼，其材料主要參數(shù)設(shè)定為：a) 彈性模量E=2.1×10

12、11Pab) 密度：7850Kg/m3c) 泊松比：0.32.3 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分效果網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)對扭力桿采用四面體主導(dǎo)的方法進行了網(wǎng)格劃分，并對局部區(qū)域進行了局部網(wǎng)格細化。計算后，得模型的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為3600和單元數(shù)為15612。2.4 施加載荷與約束根據(jù)扭力桿和側(cè)板連接方式及其工作原理，每個扭力桿與側(cè)板連接處剪力線性均勻分布在連接端。扭力桿兩個面積較小的矩形面施加垂直于面的約束。扭力桿加載及約束模型見圖2 施加載荷和約束2.5 當(dāng)量應(yīng)力云圖當(dāng)量應(yīng)力云圖臨界應(yīng)力區(qū)域的確定和高應(yīng)力、低應(yīng)力的識別根據(jù)美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 7K 鉆井和修井設(shè)備第8.4.1條，臨界應(yīng)力區(qū)域為不小于下列數(shù)值

13、的所有區(qū)域0.75×=0.75×Mpa =204.8 MpaSY 最小屈服強度。45號鋼，SY=s=355MPa；FDS 設(shè)計安全系數(shù)。FDS=1.3；從受壓狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力圖和受拉狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力圖可看出，最大當(dāng)量應(yīng)力為186.56 Mpa204.8 Mpa，所以沒有高應(yīng)力。低應(yīng)力區(qū)域為應(yīng)力級別為小于下列數(shù)值的區(qū)域：= =27.30 MpaSY 最小屈服強度。45號鋼，SY=s=355MPa；FDS 設(shè)計安全系數(shù)。FDS=1.3；從當(dāng)量應(yīng)力圖可看出，低于27.30 Mpa的區(qū)域為低應(yīng)力區(qū)域。從受剪狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力圖可看出，最大當(dāng)量應(yīng)力為186.56Mpa ，扭力桿材料為45號鋼

14、，屈服強度為355Mpa，許用應(yīng)力為273 Mpa?？梢娮畲螽?dāng)量應(yīng)力 186.56Mpa，所以扭力桿滿足強度要求。 2.6 當(dāng)量應(yīng)變云圖 當(dāng)量應(yīng)變云圖由上圖可看出扭力桿的最大當(dāng)量應(yīng)變?yōu)?.24510-7mm其值微小，幾乎可以忽略不計，所以，最大撓度符合設(shè)計要求。3 鋼圈的有限元分析 3.1 有限元模型的建立 因為需要對其進行靜應(yīng)力強度分析。而進行靜應(yīng)力分析時，結(jié)構(gòu)中一些相對尺寸很小的細節(jié)，如倒角、倒圓等細節(jié)，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力大小和分布影響較大。又由于鋼圈有一個對稱面，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和約束均對稱，故取鋼圈整體的二分之一、并在對稱面上施加對稱約束進行分析。這樣，可以極大地減少運算量。故對鋼圈完全

15、按照圖紙尺寸建立有限元模型如下： 3.2 材料性能 鋼圈材質(zhì)為Q235B，其材料主要參數(shù)設(shè)定為：a) 彈性模量E=2.1×1011Pab) 泊松比：0.3如下圖所示。 3.3 網(wǎng)格劃分鋼圈的網(wǎng)格劃分效果鋼圈的網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)對鋼圈采用、四面體主導(dǎo)的方法進行了網(wǎng)格劃分。計算后，得模型的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為154080和單元數(shù)為88619。3.4施加載荷和約束在對稱面和各個孔的表面上施加對稱約束。鋼圈內(nèi)壁施加1MPa的壓力以及158834 N·m。如下圖施加載荷和約束3.5 當(dāng)量應(yīng)力云圖當(dāng)量應(yīng)力云圖臨界應(yīng)力區(qū)域的確定和高應(yīng)力、低應(yīng)力的識別根據(jù)美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 7K 鉆井和修井

16、設(shè)備第8.4.1條，臨界應(yīng)力區(qū)域為不小于下列數(shù)值的所有區(qū)域0.75×=0.75×Mpa =135.6 MpaSY 最小屈服強度。Q235B，SY=b=235MPa；FDS 設(shè)計安全系數(shù)。FDS=1.3；從受壓狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力圖和受拉狀態(tài)的當(dāng)量應(yīng)力圖可看出，最大當(dāng)量應(yīng)力大于133Mpa的區(qū)域其應(yīng)力大于135.6 Mpa，所以152Mpa、171Mpa應(yīng)力區(qū)域為高應(yīng)力區(qū)域。低應(yīng)力區(qū)域為應(yīng)力級別為小于下列數(shù)值的區(qū)域：= =18.08 MpaSY 最小屈服強度。Q235B，SY=b=235MPa；FDS 設(shè)計安全系數(shù)。FDS=1.3；從當(dāng)量應(yīng)力圖可看出，低于18.08 Mpa的區(qū)域為

17、低應(yīng)力區(qū)域。從當(dāng)量應(yīng)力圖可看出，最大 VonMises 應(yīng)力出現(xiàn)在鋼圈和扭力桿以及螺栓連接處，最大 VonMises 應(yīng)力值為171Mpa ；鋼圈的內(nèi)壁應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力大部分在57.1Mpa。比較符合理論計算結(jié)果。鋼圈最大應(yīng)力的產(chǎn)生是由于連接孔引起的應(yīng)力集中。內(nèi)壁的應(yīng)力是相對較低的。從當(dāng)量應(yīng)力圖和可看出，最大當(dāng)量應(yīng)力為171Mpa，鋼圈的材料為Q235B，屈服強度=235 ，許用應(yīng)力， 最大當(dāng)量應(yīng)力171Mpa小于許用應(yīng)力181Mpa。鋼圈在工況下工作安全。4 閘瓦的有限元分析4.1 有限元模型的建立因為需要對其進行靜應(yīng)力強度分析。而進行靜應(yīng)力分析時，結(jié)構(gòu)中一些相對尺寸很小的細節(jié)，如倒角、

18、倒圓等細節(jié)，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力大小和分布影響較大。故對閘瓦完全按照圖紙尺寸建立有限元模型如下： 4.2 材料性能 閘瓦材料為鋁合金ZL104，材料主要參數(shù)設(shè)定為：c) 彈性模量E=0.7×1011Pad) 泊松比：0.33如下圖所示。4.3 網(wǎng)格劃分閘瓦的網(wǎng)格劃分效果閘瓦的網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)對閘瓦采用四面體主導(dǎo)的方法進行了網(wǎng)格劃分，并對局部區(qū)域進行了局部網(wǎng)格細化。計算后，得模型的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為61358和單元數(shù)為35003。4.4施加載荷和約束根據(jù)閘瓦的裝配情況和實際受力特點，在螺栓孔出施加對稱約束，閘瓦內(nèi)側(cè)表面施加徑向約束，外側(cè)表面施加1MPa的外壓。施加載荷和約束4.5 當(dāng)量應(yīng)力云圖及臨界應(yīng)力區(qū)域的確定和高應(yīng)力的識別當(dāng)量應(yīng)力云圖 臨界應(yīng)力區(qū)域的確定和高應(yīng)力的識別根據(jù)美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 7K 鉆井和修井設(shè)備第8.4.1條，臨界應(yīng)力區(qū)域為不