风电增速箱箱体有限元分析

钟家宗　龚佳兴　莫江涛　全文贤

[摘 要]顶部驱动钻井装置（TDS，Top Drive System简称顶驱）是钻井系统中一个重要的部件，其中减速机箱体是顶驱最为重要的结构件。本文对顶驱减速机箱体进行了结构有限元分析，计算出在不同工况下，顶驱减速机箱体应力分布和变形状况，为其进一步结构优化与可靠性设计提供依据。

[关键词]有限元 顶驱减速箱体 刚度 变形

[Abstract]Top Drive System is an important part of drilling device. The Gear Box is the most important structure of TDS. The paper carries on finite element analysis to top drive drilling device， analysis the stress distribution situation of case body under different operating modes. The result is useful to evaluate the structure reliability of Gear Box.

[Key words]Top drive Gear Box； Finite element analysis； stiffness； distortion

中图分类号：TM303 ，TB12；7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）04-0287-01

引言

本文分析顶驱减速机箱体结构及计算受力工况，利用Solidworks软件中有限元模块对箱体进行有限元分析计算。建立箱体有限元模型，考虑受力工况分析箱体结构应力及变形情况，为顶驱箱体结构的优化与可靠性提供决策依据[1]。

1.减速箱体结构

顶驱减速机箱体外形见图1， 箱体后支耳通过销轴与滑车相连，左右通过销轴与提环相连，箱体上装有减速机的轴承座与连接减速机的齿轮轴，箱体通过销钉和螺栓与上盖组合成一个封闭体。

2.有限元模型建立

2.1 实体模型的简化

为方便对变速箱体进行网格划分，需对变速箱体实体模型做适当简化。结构上简化不影响有限元分析结果的局部特征，如箱体上的销孔、螺纹孔、过渡圆角等。

2.2 网格划分

箱体材料采用ZG29NiMoA，其壁厚为45mm，主承载箱体下底板厚度达150mm，所以箱体全部采用实体单元进行计算较为合理。整理后减速箱网格模型，见图2。

2.3 约束与加载

箱体与上盖采用螺栓连接，箱体与提环销、箱体与轴承座、轴承座与齿轮轴均采用接触处理；提环销与后支耳销孔只承受反扭矩，销孔径向约束即可。齿轮箱承受钻杆与下方各部件的拉力以及钻进时的扭矩，拉力加载于箱体中间平面上，扭矩分解为各个齿轮轴的切向力与径向力[2]。

减速箱在处理井下卡钻事故时，承受最大拉力；钻进同时承受拉力与扭转；上、卸钻杆扣时需承受最大扭矩[3]。各工况的设置见表1：

3.计算结果评估

计算完成后，取工况Ⅰ的变形与应力云图如图3、4所示，其余工况类似，不再累举。

计算结果见表2，据应力云图分析可知，减速机箱体最大应力发生在工况Ⅰ，位置处于提环销与销孔的接触部位，由于接触应力偏大为正常现象。钻进工况和上、卸钻杆扣工况有更高的安全系数。减速箱体的变形最大也发生在工况Ⅰ，根据相关标准相对变形小于2%，满足要求。因此，该减速箱体的结构设计是可靠的。

4. 结论

本文对石油顶驱减速箱箱体进行有限元分析，该箱体总体结构布局比较合理，箱体最大应力与变形在许可范围。利用有限元数值模拟技术对石油顶驱减速箱箱体进行结构分析，能够为结构设计可靠性评估提供依据。

参考文献

[1] 王龙龙，刘清友，王国荣DQ70顶驱动力水龙头箱体力学分析 机械研究与应用，2006，19（3）.

[2] 肖文生，董维彬，钟毅芳.顶驱钻井装置的计算机仿真[J].机械设计，23（7）.

[3] 陶涛，7000米顶部驱动钻井装置设计计算.中国石油大学，2011.