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絞車是鉆機(jī)、修井機(jī)的核心部件。車裝鉆機(jī)絞車為典型的密閉框架式結(jié)構(gòu)，主要由主(撈砂)滾筒總成、剎車系統(tǒng)、絞車機(jī)架和護(hù)罩總成、天車防碰裝置、剎車?yán)鋮s裝置等組成。
絞車的核心部件是滾筒，能否安全穩(wěn)定地運(yùn)行，在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中處于舉足輕重的地位。如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)、提高工效、延長壽命，一直是研究人員所關(guān)注的課題。國內(nèi)滾筒的設(shè)計(jì)一般是采用近似公式計(jì)算，這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品和工程實(shí)際差距很大，安全性、可靠性難以保證，一旦發(fā)現(xiàn)問題，通常是采用增大尺寸的方法來解決。這樣做并沒有解決實(shí)質(zhì)性的問題，因?yàn)闈L筒是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，各個(gè)部件的強(qiáng)度和剛度都互相影響，單方面地增加尺寸可能會(huì)給其他部件帶來不利的影響，并浪費(fèi)材料，成本增加等。本文以650型修井機(jī)絞車滾筒為例，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立滾筒的整體模型，在其正常下鉆工況下進(jìn)行加載、求解，然后探討每個(gè)零部件(滾筒殼、滾筒軸、剎車毅、輪毅、加強(qiáng)筋等)的應(yīng)力、應(yīng)變。在此分析基礎(chǔ)上，對(duì)滾筒受力較弱的部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到符合實(shí)際要求的滾筒設(shè)計(jì)方案。
建模過程中，對(duì)滾筒軸采用SOLID45單元，滾筒殼、擋板、剎車毅、輪毅、加強(qiáng)筋等采用SHELL63單元。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力分析很復(fù)雜，為了便于計(jì)算，必須進(jìn)行簡化，但是簡化不可避免地會(huì)引起一些計(jì)算誤差。因此，采用假設(shè)時(shí)必須明確所采用的假設(shè)對(duì)于計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有什么影響，應(yīng)盡量避免假設(shè)結(jié)果影響結(jié)構(gòu)的承載力。在該過程中，可對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的部件(如不動(dòng)件)加以簡化。
650型修井機(jī)絞車滾筒由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采用實(shí)體建模方式進(jìn)行建模。
有限元分析的目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在一定載荷條件下的響應(yīng)，因此，在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵。在有限元分析中，廣義的載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)。在本文絞車滾筒的算例中，載荷包括滾筒表面載荷、重力和軸承約束，滾筒表面載荷又包括剎車毅摩擦力和壓力及筒殼壓力。
鋼絲繩在滾筒殼左右端之間來回纏繞，危險(xiǎn)位置可能有左端、中間、右端3個(gè)。因此，分3種情況按照在節(jié)點(diǎn)上施加集中力的方式進(jìn)行施加。本文以鋼絲繩在滾筒殼左端為例進(jìn)行分析。
剎車帶與剎車毅之間的摩擦力使得滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得鉆桿勻速下降，剎車帶與剎車毅之間的摩擦力和壓力并不是均布的，而是沿圓周方向呈指數(shù)遞增，而在ANSYS中，所施加的載荷是均布的或者是線性變化的，因此需對(duì)所要施加的載荷進(jìn)行簡化；另外，剎車帶與剎車毅之間的摩擦力屬于表面切向載荷，ANSYS程序中無法直接加載，只能處理為切向的作用于節(jié)點(diǎn)上的集中力，所以載荷簡化為周向10}以內(nèi)間隔的壓力和摩擦力是沒有變化的，每隔10壓力值就會(huì)變化一次，以離散變化的節(jié)點(diǎn)集中力代替連續(xù)變化的分布力。具體方法是選擇剎車毅表面所有節(jié)點(diǎn)，將其轉(zhuǎn)換到以軸的中心線為軸的圓柱坐標(biāo)系中，然后施加周向力以構(gòu)成摩擦力，施加徑向力以構(gòu)成壓力。
滾筒的重力對(duì)滾筒軸等零部件應(yīng)力的影響比較大，在滾筒的有限元計(jì)算中，需要施加重力載荷，ANSYS中重力載荷施加的具體方法就是在滾筒重二力方向上施加一個(gè)反向加速度。
軸承約束是絞車滾筒模型的唯一邊界條件，因此，只要限制軸與軸承接觸表面節(jié)點(diǎn)的自由度，就能施加整個(gè)滾筒模型的邊界條件。滾筒軸承采用調(diào)心軸承，滾筒軸可以轉(zhuǎn)動(dòng)，所以軸承約束采用球坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)。
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