A型管子鉆塔天輪軸設(shè)計(jì)

王子寒

摘 要：鉆塔是鉆探設(shè)備中的重要組成部分，鉆塔承載能力十分重要，天輪軸的選取也成為鉆塔設(shè)計(jì)的重要部分，本文就天輪軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鉆塔；天車；天輪軸；設(shè)計(jì)

1 鉆塔概述

鉆塔是鉆井設(shè)備的重要組成部分，又被稱為井架、塔架、鉆架等。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為四腳鉆塔、三腳鉆塔、A型鉆塔以及桅桿。鉆塔用于安放天車、懸掛游動(dòng)滑車、大鉤、體引器等，以便提放鉆進(jìn)設(shè)備和工具、起下和存放鉆桿、起下套管等。A型鉆塔由塔身、地梁、起落架、副腿、天車構(gòu)成，鉆塔塔身分段連接可在現(xiàn)場水平安裝，整體起放，拆分運(yùn)輸方便。鉆塔靠兩側(cè)對(duì)稱主塔身受力，且每段塔身都是封閉式結(jié)構(gòu)，載荷分布均勻，副腿支撐鉆塔整體穩(wěn)定性，使得A型鉆塔無論是承載能力還是塔身穩(wěn)定性上都有良好的表現(xiàn)。在鉆塔使用的過程中，游動(dòng)滑車、大鉤以及鉆桿等裝備都會(huì)直接將力作用于天車天輪軸上，天輪軸也直接影響了鉆塔的承載能力，因此，天輪軸的設(shè)計(jì)就十分重要。下面以17米A型管子鉆塔承載20t的天輪軸為實(shí)例進(jìn)行分析。

2 鉆塔天輪軸的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)

2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)鉆塔的承載能力，根據(jù)多年鉆塔的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步確定軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：天車（圖1）采用了3個(gè)滑輪，根據(jù)天輪的寬度，將天輪軸（圖2）的長度定為412mm來進(jìn)行軸徑的計(jì)算，最后材料選定為軸徑90mm的45號(hào)鋼。

2.2 天輪軸的強(qiáng)度計(jì)算 我們一般使用許用切應(yīng)力計(jì)算；許用彎曲應(yīng)力計(jì)算；安全系數(shù)校核計(jì)算這三種方法對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。這三種方法有著各自的特點(diǎn)：a 許用切應(yīng)力計(jì)算應(yīng)用于我們要對(duì)軸徑進(jìn)行估算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們只需要知道轉(zhuǎn)矩的大小，便可初步估算出軸徑的大致范圍，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出鋪墊，許用切應(yīng)力計(jì)算方法簡便，但精度比較低。b 許用彎曲應(yīng)力計(jì)算在預(yù)先知道作用力的大小和作用點(diǎn)的位置、軸承跨距、各段軸徑等參數(shù)時(shí)應(yīng)用居多。因此，常先按轉(zhuǎn)矩估算軸徑并進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，畫出軸的彎扭合成圖，然后計(jì)算危險(xiǎn)截面的最大彎曲應(yīng)力。它主要用于計(jì)算一般重要的軸，計(jì)算精度中等。c 安全系數(shù)校核計(jì)算也要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行，不僅要定出軸的各段直徑，而且要定出過度圓角、軸轂配合、表面粗糙度等細(xì)節(jié)。它主要用于重要的軸，計(jì)算精度較高。安全系數(shù)校核計(jì)算能判斷各危險(xiǎn)截面的安全程度，從而改善各薄弱環(huán)節(jié)，有利于提高軸的疲勞強(qiáng)度。為了確保軸的安全性，本項(xiàng)目對(duì)這三種計(jì)算方法逐個(gè)使用。

2.2.1 許用彎曲應(yīng)力計(jì)算 ①計(jì)算天輪受力。天輪組立與四輪滑車組構(gòu)成了一組動(dòng)定滑輪系統(tǒng)。根據(jù)鉆塔的承載力為20t，可計(jì)算出每個(gè)滑輪的承載力為6.67t。通過對(duì)動(dòng)定滑輪系統(tǒng)進(jìn)行分析可知，天輪的最終受力為6.67t，即： F=m·g=6.67×9.8×1000=65366（N）

畫天輪軸受力圖：

②計(jì)算支承反力。

水平面反力F=F=0N

垂直面反力F=F====98049N

③畫軸彎矩圖。

最大彎矩為Mmax=16741666N·mm。

④校核軸徑。天輪軸材料選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理，查得：σB=647MPa，σS=373MPa，由下列公式可求得疲勞極限：

對(duì)稱循環(huán)疲勞極限σ-1b=0.44σB=0.44×647=284.68MPa

脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限σ0b=1.7σ-1b=1.7×373=634.1MPa

等效系數(shù)ψ===0.176

軸徑為d?==83.8mm

由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σ應(yīng)不超過許用彎曲應(yīng)力σ

，故軸的最小直徑d?83.8mm，則初定的90mm直徑的天輪軸滿足強(qiáng)度要求，故取天輪軸軸徑為d=90mm。

2.2.2 安全系數(shù)校核計(jì)算 ①判斷危險(xiǎn)截面。初步分析較大的應(yīng)力集中在軸肩處，故只需對(duì)軸肩處進(jìn)行安全系數(shù)校核。

②截面應(yīng)力。彎矩M=11270000×=4354768N·mm

彎曲應(yīng)力幅 σ=σ===86.7MPa

③應(yīng)力集中系數(shù)。因在承受最大彎矩的截面處，過度圓角半徑r=2.5mm，由D/d=90/85≈1.12，r/d=2.5/8.5=0.029和σ=647MPa，從圓角、環(huán)槽的有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ值表中查出（用插值法）kσ=1.67。

表面狀態(tài)系數(shù) 由加工表面的表面狀態(tài)系數(shù)β值表中查得β=0.93（Ra=12.6μm，σB=647MPa）

尺寸系數(shù) 由尺寸系數(shù)εσ=0.73（按靠近應(yīng)力集中處的最小直徑Φ85查得）

④安全系數(shù)。彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無限壽命，kN=1，由公式得S===1.44>[S]

注：材料質(zhì)地均勻、載荷與應(yīng)力計(jì)算較精確時(shí)，可取[S]=1.3～1.5。符合要求，設(shè)計(jì)合理。

3 應(yīng)用效果

此天輪軸自應(yīng)用于承載20t的天車上以來，在內(nèi)蒙古、陜西以及新疆等地區(qū)施工作業(yè)十幾萬米，從未出現(xiàn)過問題，該天輪軸以其穩(wěn)定的承載能力，耐用的品質(zhì)，得到了市場的認(rèn)可，同時(shí)也為我單位帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。