楊亞， 徐小兵， 張宇航

（長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)石油需求的日益增加，石油鉆機(jī)絞車種類和需求量不斷劇增，它能否安全穩(wěn)定地運(yùn)行直接關(guān)系著整個(gè)石油機(jī)械系統(tǒng)的安全。目前，石油鉆機(jī)絞車滾筒軸與滾筒體之間一般采用平鍵聯(lián)接方式。鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)中性好、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用較廣泛的聯(lián)接方式。然而，平鍵聯(lián)接不能承受軸向力且傳遞扭矩受到較大限制，尤其是應(yīng)用于滾筒軸轂的聯(lián)接上，當(dāng)所受載荷超過(guò)鍵的承受載荷時(shí)，可能會(huì)將滾筒體輪轂毀壞或鍵壓潰，導(dǎo)致滾筒無(wú)法修復(fù)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。脹套聯(lián)接不僅可以承受較大的軸向載荷和傳遞較大的扭矩，而且具有過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是目前軸轂聯(lián)接發(fā)展的新趨勢(shì)。因此，在選擇石油機(jī)械絞車滾筒軸與滾筒體聯(lián)接方式時(shí)，考慮了傳統(tǒng)平鍵聯(lián)接和脹套聯(lián)接兩種方式，并對(duì)這兩種聯(lián)接方式做了對(duì)比分析。

圖1 Z2型脹套的結(jié)構(gòu)形式

1 脹套聯(lián)接與傳統(tǒng)平鍵聯(lián)接的對(duì)比分析

近年來(lái)，脹套聯(lián)接作為一種先進(jìn)的軸轂聯(lián)接方式，已廣泛應(yīng)用于紡織、冶金、機(jī)床和通用機(jī)械等領(lǐng)域。尤其是在美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家，把脹套聯(lián)接應(yīng)用于重負(fù)載下的機(jī)械聯(lián)接中，取得了良好的效果。目前，我國(guó)已有Z1、Z2、Z3、Z4和Z5型等5種脹套類型建立了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中，Z2型脹套主要由一個(gè)開口的雙錐內(nèi)環(huán)、一個(gè)開口的雙錐外環(huán)和兩個(gè)壓緊環(huán)等組成。Z2型脹套的結(jié)構(gòu)如圖1所示，壓緊時(shí)，預(yù)緊螺栓產(chǎn)生軸向壓力，通過(guò)兩個(gè)壓環(huán)將力傳遞到脹套的雙錐內(nèi)外環(huán)上，兩環(huán)相互壓緊，此時(shí)內(nèi)環(huán)受壓，其內(nèi)徑減小緊緊抱住軸，外環(huán)受壓，內(nèi)徑增大膨脹輪轂，形成過(guò)盈配合，并通過(guò)脹套與機(jī)件間的正壓力產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞扭矩和軸向載荷。該脹套采用內(nèi)六角螺釘壓緊脹套的開口雙錐內(nèi)外環(huán)和中間壓環(huán)，且半錐角約為14°，這樣保證了中間壓環(huán)在壓緊時(shí)沒有產(chǎn)生相對(duì)于軸轂的軸向移動(dòng)。

JC30DB-WZ型鉆機(jī)絞車主要參數(shù)為：傳遞最大扭矩為58.8 kN·m，滾筒軸體聯(lián)接部分的尺寸為φ190×250。根據(jù)JC30DB-WZ型鉆機(jī)絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滾筒軸與滾筒體之間的聯(lián)接選用Z2型脹套。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)脹套選用手冊(cè),選擇脹套Z2-190×250。這種脹套中間彈性圈的連接螺栓數(shù)量為28個(gè)，螺栓直徑14 mm，可以承受的軸向力為490 kN，額定扭矩為46.5 kN·m。采用平鍵聯(lián)接時(shí)，平鍵長(zhǎng)度為220 mm，鍵寬度為45 mm，鍵高度為25 mm，可以傳遞的最大扭矩為37.62 kN·m。

滾筒軸轂聯(lián)接部分直徑均為190 mm時(shí)，該鉆機(jī)絞車采用雙脹套聯(lián)接方式和采用傳統(tǒng)雙平鍵聯(lián)接方式的對(duì)比分析如表1所示。從以上對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，該鉆機(jī)絞車軸與筒體之間采用脹套聯(lián)接與采用傳統(tǒng)平鍵聯(lián)接相比，不僅能夠節(jié)約軸及輪轂原材料，降低加工難度和制造成本，提高軸的安全系數(shù)，而且能夠傳遞較大的扭矩和軸向力滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)及使用要求。另外，脹套聯(lián)接還具有可以串聯(lián)使用、拆裝方便、制造加工容易、抗疲勞強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、安全性能高及能夠過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是石油鉆機(jī)絞車滾筒軸體聯(lián)接的新方向。

表1 平鍵聯(lián)接與脹套聯(lián)接的對(duì)比分析

表2 理論計(jì)算與ANSYS分析結(jié)果對(duì)比表

2 脹套聯(lián)接的有限元分析

為了使分析更加接近實(shí)際情況，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。該鉆機(jī)絞車滾筒軸的脹套聯(lián)接是非線性接觸問(wèn)題，需要正確模擬多個(gè)機(jī)體接觸前的相對(duì)移動(dòng)和接觸后的相互作用關(guān)系。

由于脹套的整個(gè)模型結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱，為了減少計(jì)算機(jī)的分析時(shí)間，只建立了脹套連接的1/18模型。根據(jù)Z2-190×250型脹套結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了脹套聯(lián)接的參數(shù)化有限元模型，模型采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元。該模型包括脹套外環(huán)、中間壓環(huán)、脹套內(nèi)環(huán)、滾筒軸、螺栓5個(gè)接觸體，共7個(gè)接觸對(duì)，接觸體之間采用了柔體-柔體接觸類型和面-面接觸方式，并設(shè)置了對(duì)稱面約束、滾筒軸端面位移約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束等。求解脹套聯(lián)接在兩個(gè)工況下的應(yīng)力分布情況。第一個(gè)工況中給六角螺釘施加預(yù)緊力，建立各機(jī)件的接觸關(guān)系；第二個(gè)工況中施加滾筒軸的極限工作載荷，分析脹套的應(yīng)力分布情況，得到極限工況下脹套外環(huán)、脹套內(nèi)環(huán)和滾筒軸的等效應(yīng)力圖分別如圖2～圖4所示。

JC30DB-WZ型鉆機(jī)絞車滾筒軸脹套聯(lián)接采用兩種分析方法得到的結(jié)果，如表2所示。從表2中對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，理論計(jì)算結(jié)果和ANSYS分析結(jié)果都能說(shuō)明脹套滿足極限工況下的強(qiáng)度要求和使用要求，且理論計(jì)算結(jié)果的安全系數(shù)更高，這是由于理論計(jì)算簡(jiǎn)化了脹套內(nèi)外彈性環(huán)間六角螺栓受力情況。然而理論計(jì)算與ANSYS有限元分析結(jié)果不一致，說(shuō)明絞車滾筒軸脹套聯(lián)接中存在接觸邊緣效應(yīng)及連接體接觸面間存在著摩擦等因素的影響，使得基于經(jīng)典彈性力學(xué)中拉梅方程的方法不再適用，對(duì)脹套只使用彈性力學(xué)理論計(jì)算不準(zhǔn)確。

圖2 脹套外環(huán)等效應(yīng)力分布圖

圖3 脹套內(nèi)環(huán)等效應(yīng)力分布圖

圖4 滾筒軸等效應(yīng)力分布圖

3結(jié) 語(yǔ)

1）研究結(jié)果表明，JC30DB-WZ型石油鉆機(jī)絞車滾筒軸采用脹套聯(lián)接與采用傳統(tǒng)平鍵連接相比，不僅可以滿足重負(fù)載絞車的強(qiáng)度要求和使用要求，而且具有節(jié)省材料、降低加工難度、縮短加工周期、提高抗疲勞強(qiáng)度及安全系數(shù)、過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是絞車滾筒軸體聯(lián)接的新趨勢(shì)。

2）使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)絞車滾筒軸脹套聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并對(duì)理論結(jié)果與ANSYS分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出了ANSYS有限元軟件分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，更加符合實(shí)際情況。通過(guò)ANSYS非線性接觸分析，得出了絞車滾筒軸脹套的集中應(yīng)力分布規(guī)律，為以后的脹套結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3）通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了脹套聯(lián)接在石油鉆機(jī)絞車中應(yīng)用的可行性，為脹套聯(lián)接在重負(fù)載機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考和理論基礎(chǔ)，具有一定的工程意義。

［1］ GB/T7934-1999 脹緊連接套型式與基本尺寸［S］.

［2］ 閆相禎，鄧衛(wèi)東，楊秀娟，等.絞車滾筒中脹套聯(lián)接的參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2009，37（8）：63-64.

［3］ 杜靜，程海燕，何玉林，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸脹套聯(lián)接有限元分析［ J］.機(jī)械與電子，2009（1）：68-70.

［4］ 王道臣，王征宇，宋偉，等.擺動(dòng)液壓缸鍵聯(lián)接與脹套聯(lián)接的對(duì)比分析［ J］.液壓與氣動(dòng)，2011（6）：20-22.

［5］ 戴相富.石油系列絞車模塊化設(shè)計(jì)與仿真研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)，2009.