气胎离合器设计报告解析.docx

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气胎离合器设计报告解析

气胎离合器设计报告

1概述

气胎离合器是石油钻机和石油修井机的重要传动部件之一。

在钻机和修井机工作的过程中用来传递扭矩和分离传动系统。

其主要功用为：

a）在动力传输系统中传递扭矩；

b）在泵组中充当离合器和传递扭矩；

c）在特殊工况时可以当气控刹车使用。

气胎离合器的工作原理：

当离合器的气胎中注入压缩空气后，气胎膨胀，通过闸瓦推动摩擦块抱向摩擦毂，摩擦块与摩擦毂之间产生摩擦力，继而摩擦块抱紧摩擦毂，这样，离合器一端轴的转动带动离合器转动，离合器的转动通过摩擦块带动摩擦毂的转动，将扭矩传递过去；当气胎中的压缩空气排出后，气胎收缩，闸瓦中的弹簧片推动闸瓦和摩擦块退回，摩擦块和摩擦毂松开，传递动力结束。

离合器依照中华人民共和国天然气行业标准SY/T6760-2010《石油钻采设备用气胎离合器》，按照石油钻采设备的相关要求，并参照EATON公司相关结构设计制造的。

其中，钢圈、扭力杆为主承载件。

2气胎离合器结构形式及主要参数

图1气胎离合器结构

图2气胎离合器的主要参数

如图2，离合器的主要结构参数有气胎作用直径D，气胎作用宽度B，鼓轮直径d和鼓轮有效宽度b。

主要结构参数相互关系确定如下：

以鼓轮直径为计算目标，而将其它参数用相应系数乘以d来表示。

同时，在初步计算时假定气胎作用宽度和鼓轮有效宽度相等，即B=b。

则有

（1）

式中b———鼓轮有效宽度，（m）

B———气胎作用宽度，（m）

d———鼓轮直径，（m）

———比例系数，取值范围0.15~0.5，大规格取小值，小规格取大值，此处取0.25

3气胎离合器计算转矩的确定

为了使离合器在设备起动时有一定的起动加速,在运行中有一定的过载能力,以保证可靠运行,在设计计算时,计算转矩要大于理论转矩，由《机械设计手册》新版第三卷第22篇5.2节，得计算转矩

（N﹒m）

（2）

式中T———离合器传递的理论转矩，（N﹒m），气胎离合器设计额定转矩为61090N﹒m，即离合器传递的理论转矩。

K———离合器的工作情况系数，查机械设计手册，取钻探机械的工作情况系数为2；

Kp———安全系数，一般取1.2~1.5，此处取1.3。

因此

4根据供气压力初步确定鼓轮直径

鼓轮直径按下式计算

（m）（3）

式中———机械效率（由离心力、摩擦力等引起的损失造成），初步计算时可取=0.86~0.92，大规格取大值；此处取0.9；

———闸瓦鼓轮摩擦副的摩擦系数，石棉橡胶摩擦材料对钢=0.3~0.32，此处取0.3；为比例系数，初步计算可以取=1.33；

———压缩空气工作压力（MPa），取最大1MPa；

———压力损失，一般取0.03MPa~0.07Mpa，此处取0.05Mpa

其他代号同前。

因此

d=1065mm1059mm，满足气胎离合器额定扭矩传递的要求。

5强度分析

5.1根据气胎强度条件确定离合器许用扭矩

由《机械设计手册》新版第三卷第22篇5.2节，气胎离合器许用扭矩须满足

（4）

式中R———气胎内侧胎面的半径，600mm；

———气胎内侧的宽度，200mm；

———气胎材料的许用切应力，（MPa）；查机械设计手册，取。

所以

则

可见，许用转矩满足气胎离合器额定扭矩传递的要求。

5.2闸瓦摩擦面压力校核

闸瓦摩擦面压力应满足下式

（5）

式中———鼓轮对闸瓦摩擦面的压力，（MPa）；

d=1065mm，b=232mm，，查机械设计手册，对半金属摩擦基材料可取

所以1.28

可见，闸瓦摩擦面可承受工作压力，满足要求。

5.3扭力杆的强度校核

扭力杆作为一个传递扭矩的重要部件，它是否能达到强度要求决定着扭矩是否能顺利传递扭矩。

因此对扭力杆的强度校核必不可少。

根据扭力杆和侧板连接方式及其工作原理，每个扭力杆与侧板连接处可简化为悬臂梁来计算，剪力线性均匀分布在连接端，如图3。

图3扭力杆受力简化图及剪力图、弯矩图

由扭力杆图纸可得，l=12mm；

均布载荷

式中R———扭力杆作用半径，由图纸得为675mm；

n———扭力杆数量，20个；

则

最大弯矩

最大剪力

最大弯曲正应力须满足公式

（6）

式中W———抗弯截面系数，对截面直径为d的圆形，，查图纸，d=15mm；

———许用应力，扭力杆材料为45号钢，查GB/T699-1999，得屈服强度为355Mpa，安全系数为1.3，所以，许用应力。

则

可见，最大弯曲正应力满足强度条件。

最大弯曲切应力须满足公式

（7）

式中———对截面直径为d，半径为R的圆形，；

———剪切许用应力，根据7K4.7规定。

则

可见，最大弯曲切应力满足强度条件。

5.4钢圈的强度校核

对于钢圈的受力有来自动力端的扭矩和来自气胎的内压。

由力的叠加原理，将钢圈的受力简化为薄壁圆筒的扭矩和圆筒受内压作用的叠加，如下图。

图4钢圈受力简化图

根据材料力学，钢圈扭转时的切应力

（8）

式中———扭矩，，此处为计算转矩；

r———钢圈平均半径，由图纸得r=641mm；

———钢圈厚度，25mm。

则

根据弹性力学，钢圈受1内压时，钢圈的径向应力和周向应力分别为：

（9）

（10）

由以上两式可知，径向应力为压应力，且在内壁处应力的绝对值最大。

周向应力的符号始终为正，在内壁处为最大值。

式中；

从钢圈图可看出；647.5mm。

则有=;

=;

又，钢圈扭转时的切应力方向与钢圈受内压产生的周向应力方向一致。

因此，，

根据第四强度理论，最大当量应力为

54.3

钢圈材料为Q235B，屈服强度=235，许用应力，最大当量应力，所以，钢圈强度满足要求。

5.5焊缝的强度校核

钢圈中圈自身连接的焊缝为对接焊缝，对接焊缝中的应力分布与焊件的应力分布情况基本相同，没有应力集中。

此焊缝的最大当量应力和钢圈的最大当量应力基本相等。

又，焊缝的许用应力为

可见，对接焊缝满足强度要求。

圈和侧板连接的焊缝为角焊缝，焊接均匀，没有应力集中。

构件受力平行于焊缝的剪力（A为钢圈横截面面积）=，

（11）

式中h———角焊缝的计算高度，为0.7倍的焊脚尺寸，14mm；

lw———角焊缝的实际长度减去10mm，为3.141295-10=4056mm。

则

可见，角焊缝满足强度要求。

6结论

经过对气胎离合器结构以及受力分析、计算，证明气胎离合器的设计是符合APISpec7K《钻井和修井设备》要求的，胎离合器是安全可靠的。

参考文献

[1]机械设计手册[M]第3卷，王文斌主编，机械工业出版社。

[2]机械设计手册[M]第2卷，成大先主编，北京，化学工业出版社，1982。

[3]材料力学[M]（上、下册）第三版，高等教育出版社，1992，113-154。

[4]《钻井井架、底座的设计计算》常玉连编，石油工业出版社，1994.6

[5]美国石油学会标准API7K《钻井和修井设备》

[6]弹性力学[M]第3版徐芝纶．北京：

人民教育出版社1990．

第二部分有限元分析

1引言

气胎离合器有限元分析使用ANSYS软件进行的。

该软件是ANSYS公司推出的工程仿真技术集成平台。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。

它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

气胎离合器是石油钻机和石油修井机的重要传动部件之一。

在钻机和修井机工作的过程中用来传递扭矩和分离传动系，是动力传递过程中的关键部件，属于弹性联轴器之类。

它主要由摩擦片、铜螺栓、弹簧片、扭力杆、闸瓦、气胎、钢圈等零件组成。

气胎离合器的结构相互作用较为复杂，铜螺栓、弹簧片等结构对气胎离合器计算结果的影响不大，而且不对结构进行简化，会对后续的计算分析带来很大困难，不仅是计算的时间会大大延长，一旦超出计算机内存容量就会出现错误。

此次建模，把、铜螺栓、弹簧片等结构忽略掉，仅保留与受力分析相关的如扭力杆、钢圈等主要结构，用ANSYS软件对其进行分析。

2扭力杆的有限元分析

2.1扭力杆力学模型的建立和单元类型的选取

在ANSYS中直接建模，如下图所示

2.2材料性能参数的设定

扭力杆材质为45号钢，其材料主要参数设定为：

a）弹性模量E=2.1×1011Pa

b）密度：

7850Kg/m3

c）泊松比：

0.3

2.3网格划分

网格划分效果

网格的节点数和单元数

对扭力杆采用四面体主导的方法进行了网格划分，并对局部区域进行了局部网格细化。

计算后，得模型的网格节点数为3600和单元数为15612。

2.4施加载荷与约束

根据扭力杆和侧板连接方式及其工作原理，每个扭力杆与侧板连接处剪力线性均匀分布在连接端。

扭力杆两个面积较小的矩形面施加垂直于面的约束。

扭力杆加载及约束模型见图2

施加载荷和约束

2.5当量应力云图

当量应力云图

临界应力区域的确定和高应力、低应力的识别

根据美国石油学会标准API7K《钻井和修井设备》第8.4.1条，临界应力区域为不小于下列数值的所有区域

≥0.75×

=0.75×Mpa=204.8Mpa

SY最小屈服强度。

45号钢，SY=σs=355MPa；

FDS设计安全系数。

FDS=1.3；

从受压状态的当量应力图和受拉状态的当量应力图可看出，最大当量应力为186.56Mpa＜204.8Mpa，所以没有高应力。

低应力区域为应力级别为小于下列数值的区域：

≤

==27.30Mpa

SY最小屈服强度。

45号钢，SY=σs=355MPa；；

FDS设计安全系数。

FDS=1.3；

从当量应力图可看出，低于27.30Mpa的区域为低应力区域。

从受剪状态的当量应力图可看出，最大当量应力为186.56Mpa，扭力杆材料为45号钢，屈服强度为355Mpa，许用应力为273Mpa。

可见最大当量应力186.56Mpa，所以扭力杆满足强度要求。

2.6当量应变云图

当量应变云图

由上图可看出扭力杆的最大当量应变为0.245

10-7mm其值微小，几乎可以忽略不计，所以，最大挠度符合设计要求。

3钢圈的有限元分析

3.1有限元模型的建立

因为需要对其进行静应力强度分析。

而进行静应力分析时，结构中一些相对尺寸很小的细节，如倒角、倒圆等细节，对结构内部的应力大小和分布影响较大。

又由于钢圈有一个对称面，结构的应力、应变和约束均对称，故取钢圈整体的二分之一、并在对称面上施加对称约束进行分析。

这样，可以极大地减少运算量。

故对钢圈完全按照图纸尺寸建立有限元模型如下：

3.2材料性能

钢圈材质为Q235B，其材料主要参数设定为：

a）弹性模量E=2.1×1011Pa

b）泊松比：

0.3

如下图所示。

3.3网格划分

钢圈的网格划分效果

钢圈的网格的节点数和单元数

对钢圈采用、四面体主导的方法进行了网格划分。

计算后，得模型的网格节点数为154080和单元数为88619。

3.4施加载荷和约束

在对称面和各个孔的表面上施加对称约束。

钢圈内壁施加1MPa的压力以及158834N·m。

如下图

施加载荷和约束

3.5当量应力云图

当量应力云图

临界应力区域的确定和高应力、低应力的识别

根据美国石油学会标准API7K《钻井和修井设备》第8.4.1条，临界应力区域为不小于下列数值的所有区域

≥0.75×

=0.75×Mpa=135.6Mpa

SY最小屈服强度。

Q235B，SY=σb=235MPa；

FDS设计安全系数。

FDS=1.3；

从受压状态的当量应力图和受拉状态的当量应力图可看出，最大当量应力大于133Mpa的区域其应力大于135.6Mpa，所以152Mpa、171Mpa应力区域为高应力区域。

低应力区域为应力级别为小于下列数值的区域：

≤

==18.08Mpa

SY最小屈服强度。

Q235B，SY=σb=235MPa；；

FDS设计安全系数。

FDS=1.3；

从当量应力图可看出，低于18.08Mpa的区域为低应力区域。

从当量应力图可看出，最大VonMises应力出现在钢圈和扭力杆以及螺栓连接处，最大VonMises应力值为171Mpa；钢圈的内壁应力分布较均匀，应力大部分在57.1Mpa。

比较符合理论计算结果。

钢圈最大应力的产生是由于连接孔引起的应力集中。

内壁的应力是相对较低的。

从当量应力图和可看出，最大当量应力为171Mpa，钢圈的材料为Q235B，屈服强度=235，许用应力，最大当量应力171Mpa小于许用应力181Mpa。

钢圈在工况下工作安全。

4闸瓦的有限元分析

4.1有限元模型的建立

因为需要对其进行静应力强度分析。

而进行静应力分析时，结构中一些相对尺寸很小的细节，如倒角、倒圆等细节，对结构内部的应力大小和分布影响较大。

故对闸瓦完全按照图纸尺寸建立有限元模型如下：

4.2材料性能

闸瓦材料为铝合金ZL104，材料主要参数设定为：

c）弹性模量E=0.7×1011Pa

d）泊松比：

0.33

如下图所示。

4.3网格划分

闸瓦的网格划分效果

闸瓦的网格的节点数和单元数

对闸瓦采用四面体主导的方法进行了网格划分，并对局部区域进行了局部网格细化。

计算后，得模型的网格节点数为61358和单元数为35003。

4.4施加载荷和约束

根据闸瓦的装配情况和实际受力特点，在螺栓孔出施加对称约束，闸瓦内侧表面施加径向约束，外侧表面施加1MPa的外压。

施加载荷和约束

4.5当量应力云图及临界应力区域的确定和高应力的识别

当量应力云图

临界应力区域的确定和高应力的识别

根据美国石油学会标准API7K《钻井和修井设备》第8.4.1条，临界应力区域为不小于下列数值的所有区域

≥0.75×

=0.75×Mpa=135.6Mpa

SY最小屈服强度。

铝合金ZL104，SY=σb=235MPa；

FDS设计安全系数。

FDS=1.3；

从受压状态的当量应力图和受拉状态的当量应力图可看出，最大当量应力为54.9Mpa＜135.6Mpa,所以没有高应力。

低应力区域为应力级别为小于下列数值的区域：

≤

==18.08Mpa

SY最小屈服强度。

Q235B，SY=σb=235MPa；；

FDS设计安全系数。

FDS=1.3；

从当量应力图可看出，低于18.08Mpa的区域为低应力区域。

从当量应力图和可看出，最大当量应力为54.9Mpa。

闸瓦的材料选铸铝合金ZL104，由于铝合金没有明显的屈服现象，用抗拉强度235Mpa来验证其强度。

其安全系数为

4.3大于设计安全系数1.3。

所以，离合器闸瓦在工况下工作安全。

4.6当量应变云图

当量应变云图

由上图可看出扭力杆的最大当量应变为0.029mm其值微小，几乎可以忽略不计，所以，最大挠度符合设计要求。

5结论

气胎离合器钢圈、扭力杆、闸瓦等主承载件的有限元仿真分析，证明气胎离合器的，各主承载件是安全可靠的。

参考文献

[1]材料力学[M]（下册）第三版，高等教育出版社，1992。

[2]ANSYS10.0ANSYS机械工程应用精华50例[M]，电子工业出版社，2011。

[3]美国石油学会标准APISpec7K《钻井和修井设备》。