基于SolidWorks與Workbench螺桿鉆具傳動軸設(shè)計與模態(tài)分析

王玥 高治理

1.東北大學(xué) 遼寧沈陽 110819；2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司 遼寧沈陽 110167

螺桿鉆具是地質(zhì)開采、地下管道工程的井下動力裝置，大規(guī)模的應(yīng)用于鉆井工程領(lǐng)域中，是一種通過將鉆井流體從壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量動力轉(zhuǎn)換裝置[1]。

螺桿鉆具在運(yùn)轉(zhuǎn)時，因?yàn)槭茌d情況復(fù)雜多變，在旋轉(zhuǎn)幅度較大情況下，載荷變化頻繁，會影響軸的承載能力，所以應(yīng)對其傳動軸進(jìn)行模態(tài)分析，評估是否發(fā)生共振，以驗(yàn)證設(shè)計是否合理。

1 基于SolidWorks 螺桿鉆具傳動軸設(shè)計

傳動軸總長1350mm，最大外徑210mm，結(jié)構(gòu)主體由多段臺階軸構(gòu)成，內(nèi)部為通道，可保證流體通過，結(jié)構(gòu)采用SolidWorks進(jìn)行設(shè)計，設(shè)定其材料為42CrMo，材料具有高強(qiáng)度并能抵抗多次沖擊的能力。彈性模量為212GPa，泊松比0.28。

圖1 傳動軸設(shè)計尺寸

2 螺桿鉆具傳動軸模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是為結(jié)構(gòu)設(shè)計效果提供依據(jù)，為振動特性與故障診斷提供預(yù)報，模態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，在經(jīng)典力學(xué)理論中，動力學(xué)通用方程為[2-3]：

式中{x}為位移矢量，{F}為力矢量，[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度系數(shù)矩陣。

模態(tài)分析由下面的方程求得：

式中[ωi]為振動頻率，[φi]為模態(tài)。

2.2 基于Workbench 的傳動軸模態(tài)分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得出傳動軸受力分析如下[4-5]：

轉(zhuǎn)子軸向力G；

轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩與馬達(dá)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；

側(cè)向力Pa，作用在鉆頭上的實(shí)際鉆壓；

馬達(dá)等其他部件軸向分力。

由于workbench建模能力較弱，將SolidWorks模型導(dǎo)入workbench中進(jìn)行分析

設(shè)定分析條件為：密度ρ=7 8 5 0 k g/m3，屈服極限σs=930MPa。

網(wǎng)格劃分：為提高網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置Relevance為75，定義相關(guān)性中心為Medium。

劃分的單元數(shù)為7114，節(jié)點(diǎn)數(shù)為12345。

邊界條件與載荷設(shè)定，以φ210mm、φ70、φ76mm，φ132mm內(nèi)錐面為約束，對φ60mm圓柱外表面施加扭矩1200N·m與內(nèi)部錐孔施加1000N，對φ160mm圓錐孔表面處施加200MPa軸向壓力。

經(jīng)過workbench運(yùn)算，固有頻率與振型表1

表1 螺桿鉆具傳動軸前六階固有頻率與振型

2.3 模態(tài)分析結(jié)論

因篇幅有限不列出振型云圖，從表1數(shù)據(jù)看出從第一階到第六階的振型類型不同，根據(jù)振動穩(wěn)定性原則，當(dāng)某一零件本身的固有頻率與激振源的頻率重合或成整數(shù)倍關(guān)系時，零件就會發(fā)生共振。螺桿鉆具額定轉(zhuǎn)速在105-265r/min，工頻0-5Hz，一階轉(zhuǎn)速為60×95551=5733.06r/min經(jīng)過比較，固有頻率大于工作頻率5Hz，遠(yuǎn)高于螺桿鉆具額定最高轉(zhuǎn)速265r/min，發(fā)生共振概率很小。

3 結(jié)語

本文通過Solidwork對螺桿鉆具傳動軸進(jìn)行了設(shè)計，通過建立有限元模型，導(dǎo)入workbench中對其進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了傳動軸的6階振型，確認(rèn)了傳動軸在工作中沒有發(fā)生共振，驗(yàn)證了傳動軸的設(shè)計是合理的，對于螺桿鉆具傳動軸的設(shè)計提供了一定的參考。