9000m海洋绞车滚筒轻量化设计分析.pdf

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1、石油机械一88一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第6期技术讨论9000m海洋绞车滚筒轻量化设计分析陈崇曹霞王万宇刘正兵(1．四川宏华石油设备有限公司研发中心2．西南交通大学电气工程学院)摘要现代海洋平台设计，轻量化是一个重要的设计理念。为保证海洋绞车滚筒轻量化设计后的可靠性，利用有限元分析软件ANSYS，对9000in海洋绞车滚筒的3种不同结构形式进行强度和刚度的仿真分析。分析结果表明，在最大钩载时，筒体加周向筋板的强度和刚度较其他2种结构形式好，在滚筒外表面的Von—Mises应力值为120～245MPa，滚筒内

2、表面的Von．Mises应力值为210～320MPa，滚筒的最大变形为1．13461TI1TI。因此，简体可采用增加周向筋板的办法来增加滚筒的强度和刚度，同时减少筒体的壁厚，实现绞车滚筒的轻量化设计。关键词9000m海洋绞车滚筒轻量化筋板强度ANSYS分析型见图1，共有557795个节点，338492个单元。0引言绞车作为钻机的核心部件，在钻机的传动系统中起着举足轻重的作用。如何优化结构、提高效率、延长寿命、减轻质量一直是研发设计人员所关注的问题。对于陆地钻机，绞车滚筒强度设计一般采用经验公式计算，确定滚筒的壁厚，这样偏于不安全¨J。为保证可靠性

3、，一般采用增大结构尺寸，图1滚筒的有限元模型但这样增加了成本和质量。现代海洋平台设计，轻1．2滚筒的边界条件和载荷施加量化是一个重要的设计理念。对于海洋平台钻井包笔者仅计算起升工况。绞车在起升时，滚筒主的设计，如井架、绞车、钻井泵等重要部件均有轻要受到由钢丝绳产生的表面载荷、自身重力、轴的量化的要求，它不仅关系到整个钻井包的质量，同约束、惯性载荷及钢丝绳对轮毂端面的轴向推力。时与平台的承载能力有关。由于滚筒转速较低，惯性载荷和钢丝绳对轮毂端面笔者利用有限元分析软件ANSYS对9000m的轴向推力对滚筒的影响较小，可以忽略。由于钢海洋绞车的滚筒进行

4、仿真分析，提出在滚筒内表面丝绳在滚筒上是往复移动的，钢丝绳在滚筒两端的增加不同形式的筋板，从而增加滚筒的强度和刚工况比较恶劣，所以按照钢丝绳在滚筒最左端度，在不降低绞车滚筒性能的前提下，实现绞车滚计算。筒的轻量化设计。1．2．1边界条件滚筒的轮毂和滚筒轴过盈连接，当滚筒受力变1滚筒的模型及载荷形时，滚筒和滚筒轴将会沿轴向伸缩，因此在过盈连接的柱面上一端施加固定约束，另一端施加沿轴1．1模型的建立向自由和其他方向固定的约束。滚筒主要由滚筒体、左轮毂和右轮毂组成，各1．2．2载荷施加个零件采用铸造加工，最后组焊在一起。建立模型(1)滚筒表面的压力为：

5、时，为了更接近实际情况，采用实体模型Solid1859FP=Ai(1)号单元。9000m海洋绞车滚筒的ANSYS有限元模一90一石油机械2010年第38卷第6期mm。当筒体内表面增加纵向筋板后，筋板两侧同时Von—Mises应力值提取出来，以筒体左端至右端的产生了应力集中，应力值为349．75～437．06MPa，距离为横轴，Von—Mises应力值为纵轴，绘制的曲●■■■■w■qH■■■■■■■Ⅲ■●J，●■■I应力集中值向纵向简体筋板之间扩散。f；i-)4线733如036_l2图r_85135783～0图16所示。70：79l46R13(．L

6、Ⅵ}；j794●94i82509S20_4{622．3简体加周向筋板当滚筒的简体加周向筋板(见图9)时，根据滚筒的受力和边界条件，滚筒的应力和变形分别如图10～图12所示。O1OO2003004O0500600700800距离／Inm图13滚筒外表面轮毂筋板处应力曲线图9筒体加周向筋板示意图距离／mm图14滚筒外表面轮毂筋板中间应力曲线图1O滚图11滚筒内表面的V。n—Mises应力云图图15滚筒内表面轮毂筋板中间应力曲线单侍mm图12滚简的变形距离／mm根据滚筒的应力云图及数据分析，在轮毂筋板图16滚筒内表面轮毂筋板处应力曲线与筒体内表面的接合

7、处产生了应力集中，最大从以上应力曲线可以看出，在滚筒外表面沿轮Von—Mises应力值为527．74MPa，在游动端的最大毂筋板方向，简体无筋板和增加纵向筋板的Von—变形为1．1346mm。当增加周向筋板后，在简体Mises应力变化曲线相似，两端的应力值较低，中内表面靠近轮毂筋板附近产生了应力集中，其应力央的应力值较大但变化平缓，而增加周向筋板的值为301．84～377．14MPa，其他区域应力分布比Von．Mises应力值呈波浪形状变化，两端的应力值较均匀。比中间大，比其他2种形式应力值总体上偏小5～2．4对比分析30MPa；在滚筒外表面轮毂

8、筋板中间时，3种结构根据滚筒3种结构形式的有限元仿真结果，分形式的Von．Mises应力值的变化趋势基本相同，但别在简体的内表面和外表面