絞車滾筒軸脹套聯(lián)接的強度分析

楊亞， 徐小兵， 張宇航

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會對石油需求的日益增加，石油鉆機絞車種類和需求量不斷劇增，它能否安全穩(wěn)定地運行直接關系著整個石油機械系統(tǒng)的安全。目前，石油鉆機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)接具有結構簡單、對中性好、拆裝方便等優(yōu)點，是一種應用較廣泛的聯(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，尤其是應用于滾筒軸轂的聯(lián)接上，當所受載荷超過鍵的承受載荷時，可能會將滾筒體輪轂毀壞或鍵壓潰，導致滾筒無法修復，造成巨大的經濟損失。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，而且具有過載保護等優(yōu)點，是目前軸轂聯(lián)接發(fā)展的新趨勢。因此，在選擇石油機械絞車滾筒軸與滾筒體聯(lián)接方式時，考慮了傳統(tǒng)平鍵聯(lián)接和脹套聯(lián)接兩種方式，并對這兩種聯(lián)接方式做了對比分析。

圖1 Z2型脹套的結構形式

1 脹套聯(lián)接與傳統(tǒng)平鍵聯(lián)接的對比分析

近年來，脹套聯(lián)接作為一種先進的軸轂聯(lián)接方式，已廣泛應用于紡織、冶金、機床和通用機械等領域。尤其是在美國、德國、日本等國家，把脹套聯(lián)接應用于重負載下的機械聯(lián)接中，取得了良好的效果。目前，我國已有Z1、Z2、Z3、Z4和Z5型等5種脹套類型建立了國家標準。其中，Z2型脹套主要由一個開口的雙錐內環(huán)、一個開口的雙錐外環(huán)和兩個壓緊環(huán)等組成。Z2型脹套的結構如圖1所示，壓緊時，預緊螺栓產生軸向壓力，通過兩個壓環(huán)將力傳遞到脹套的雙錐內外環(huán)上，兩環(huán)相互壓緊，此時內環(huán)受壓，其內徑減小緊緊抱住軸，外環(huán)受壓，內徑增大膨脹輪轂，形成過盈配合，并通過脹套與機件間的正壓力產生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向載荷。該脹套采用內六角螺釘壓緊脹套的開口雙錐內外環(huán)和中間壓環(huán)，且半錐角約為14°，這樣保證了中間壓環(huán)在壓緊時沒有產生相對于軸轂的軸向移動。

JC30DB-WZ型鉆機絞車主要參數(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型鉆機絞車的結構特點，滾筒軸與滾筒體之間的聯(lián)接選用Z2型脹套。參考國家標準脹套選用手冊,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，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，平鍵長度為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，該鉆機絞車采用雙脹套聯(lián)接方式和采用傳統(tǒng)雙平鍵聯(lián)接方式的對比分析如表1所示。從以上對比數(shù)據(jù)可以看出，該鉆機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度設計及使用要求。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、抗疲勞強度高、使用壽命長、安全性能高及能夠過載保護等優(yōu)點，是石油鉆機絞車滾筒軸體聯(lián)接的新方向。

表1 平鍵聯(lián)接與脹套聯(lián)接的對比分析

表2 理論計算與ANSYS分析結果對比表

2 脹套聯(lián)接的有限元分析

為了使分析更加接近實際情況，利用ANSYS有限元分析軟件進行分析計算，并與理論計算結果進行對比分析。該鉆機絞車滾筒軸的脹套聯(lián)接是非線性接觸問題，需要正確模擬多個機體接觸前的相對移動和接觸后的相互作用關系。

由于脹套的整個模型結構為軸對稱，為了減少計算機的分析時間，只建立了脹套連接的1/18模型。根據(jù)Z2-190×250型脹套結構特點，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)點單元。該模型包括脹套外環(huán)、中間壓環(huán)、脹套內環(huán)、滾筒軸、螺栓5個接觸體，共7個接觸對，接觸體之間采用了柔體-柔體接觸類型和面-面接觸方式，并設置了對稱面約束、滾筒軸端面位移約束和轉動約束等。求解脹套聯(lián)接在兩個工況下的應力分布情況。第一個工況中給六角螺釘施加預緊力，建立各機件的接觸關系；第二個工況中施加滾筒軸的極限工作載荷，分析脹套的應力分布情況，得到極限工況下脹套外環(huán)、脹套內環(huán)和滾筒軸的等效應力圖分別如圖2～圖4所示。

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

圖2 脹套外環(huán)等效應力分布圖

圖3 脹套內環(huán)等效應力分布圖

圖4 滾筒軸等效應力分布圖

3結 語

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

2）使用ANSYS有限元分析軟件對絞車滾筒軸脹套聯(lián)接的結構進行了強度分析，并對理論結果與ANSYS分析結果進行對比，提出了ANSYS有限元軟件分析結果更加準確，更加符合實際情況。通過ANSYS非線性接觸分析，得出了絞車滾筒軸脹套的集中應力分布規(guī)律，為以后的脹套結構和尺寸優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

3）通過實例驗證了脹套聯(lián)接在石油鉆機絞車中應用的可行性，為脹套聯(lián)接在重負載機械領域的應用提供了參考和理論基礎，具有一定的工程意義。

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