絞車滾筒軸脹套聯接的強度分析

楊亞， 徐小兵， 張宇航

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

0 引 言

隨著現代社會對石油需求的日益增加，石油鉆機絞車種類和需求量不斷劇增，它能否安全穩定地運行直接關系著整個石油機械系統的安全。目前，石油鉆機絞車滾筒軸與滾筒體之間一般采用平鍵聯接方式。鍵聯接具有結構簡單、對中性好、拆裝方便等優點，是一種應用較廣泛的聯接方式。然而，平鍵聯接不能承受軸向力且傳遞扭矩受到較大限制，尤其是應用于滾筒軸轂的聯接上，當所受載荷超過鍵的承受載荷時，可能會將滾筒體輪轂毀壞或鍵壓潰，導致滾筒無法修復，造成巨大的經濟損失。脹套聯接不僅可以承受較大的軸向載荷和傳遞較大的扭矩，而且具有過載保護等優點，是目前軸轂聯接發展的新趨勢。因此，在選擇石油機械絞車滾筒軸與滾筒體聯接方式時，考慮了傳統平鍵聯接和脹套聯接兩種方式，并對這兩種聯接方式做了對比分析。

圖1 Z2型脹套的結構形式

1 脹套聯接與傳統平鍵聯接的對比分析

近年來，脹套聯接作為一種先進的軸轂聯接方式，已廣泛應用于紡織、冶金、機床和通用機械等領域。尤其是在美國、德國、日本等國家，把脹套聯接應用于重負載下的機械聯接中，取得了良好的效果。目前，我國已有Z1、Z2、Z3、Z4和Z5型等5種脹套類型建立了國家標準。其中，Z2型脹套主要由一個開口的雙錐內環、一個開口的雙錐外環和兩個壓緊環等組成。Z2型脹套的結構如圖1所示，壓緊時，預緊螺栓產生軸向壓力，通過兩個壓環將力傳遞到脹套的雙錐內外環上，兩環相互壓緊，此時內環受壓，其內徑減小緊緊抱住軸，外環受壓，內徑增大膨脹輪轂，形成過盈配合，并通過脹套與機件間的正壓力產生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向載荷。該脹套采用內六角螺釘壓緊脹套的開口雙錐內外環和中間壓環，且半錐角約為14°，這樣保證了中間壓環在壓緊時沒有產生相對于軸轂的軸向移動。

JC30DB-WZ型鉆機絞車主要參數為：傳遞最大扭矩為58.8 kN·m，滾筒軸體聯接部分的尺寸為φ190×250。根據JC30DB-WZ型鉆機絞車的結構特點，滾筒軸與滾筒體之間的聯接選用Z2型脹套。參考國家標準脹套選用手冊,選擇脹套Z2-190×250。這種脹套中間彈性圈的連接螺栓數量為28個，螺栓直徑14 mm，可以承受的軸向力為490 kN，額定扭矩為46.5 kN·m。采用平鍵聯接時，平鍵長度為220 mm，鍵寬度為45 mm，鍵高度為25 mm，可以傳遞的最大扭矩為37.62 kN·m。

滾筒軸轂聯接部分直徑均為190 mm時，該鉆機絞車采用雙脹套聯接方式和采用傳統雙平鍵聯接方式的對比分析如表1所示。從以上對比數據可以看出，該鉆機絞車軸與筒體之間采用脹套聯接與采用傳統平鍵聯接相比，不僅能夠節約軸及輪轂原材料，降低加工難度和制造成本，提高軸的安全系數，而且能夠傳遞較大的扭矩和軸向力滿足強度設計及使用要求。另外，脹套聯接還具有可以串聯使用、拆裝方便、制造加工容易、抗疲勞強度高、使用壽命長、安全性能高及能夠過載保護等優點，是石油鉆機絞車滾筒軸體聯接的新方向。

表1 平鍵聯接與脹套聯接的對比分析

表2 理論計算與ANSYS分析結果對比表

2 脹套聯接的有限元分析

為了使分析更加接近實際情況，利用ANSYS有限元分析軟件進行分析計算，并與理論計算結果進行對比分析。該鉆機絞車滾筒軸的脹套聯接是非線性接觸問題，需要正確模擬多個機體接觸前的相對移動和接觸后的相互作用關系。

由于脹套的整個模型結構為軸對稱，為了減少計算機的分析時間，只建立了脹套連接的1/18模型。根據Z2-190×250型脹套結構特點，建立了脹套聯接的參數化有限元模型，模型采用六面體八節點單元。該模型包括脹套外環、中間壓環、脹套內環、滾筒軸、螺栓5個接觸體，共7個接觸對，接觸體之間采用了柔體-柔體接觸類型和面-面接觸方式，并設置了對稱面約束、滾筒軸端面位移約束和轉動約束等。求解脹套聯接在兩個工況下的應力分布情況。第一個工況中給六角螺釘施加預緊力，建立各機件的接觸關系；第二個工況中施加滾筒軸的極限工作載荷，分析脹套的應力分布情況，得到極限工況下脹套外環、脹套內環和滾筒軸的等效應力圖分別如圖2～圖4所示。

JC30DB-WZ型鉆機絞車滾筒軸脹套聯接采用兩種分析方法得到的結果，如表2所示。從表2中對比數據可以看出，理論計算結果和ANSYS分析結果都能說明脹套滿足極限工況下的強度要求和使用要求，且理論計算結果的安全系數更高，這是由于理論計算簡化了脹套內外彈性環間六角螺栓受力情況。然而理論計算與ANSYS有限元分析結果不一致，說明絞車滾筒軸脹套聯接中存在接觸邊緣效應及連接體接觸面間存在著摩擦等因素的影響，使得基于經典彈性力學中拉梅方程的方法不再適用，對脹套只使用彈性力學理論計算不準確。

圖2 脹套外環等效應力分布圖

圖3 脹套內環等效應力分布圖

圖4 滾筒軸等效應力分布圖

3結 語

1）研究結果表明，JC30DB-WZ型石油鉆機絞車滾筒軸采用脹套聯接與采用傳統平鍵連接相比，不僅可以滿足重負載絞車的強度要求和使用要求，而且具有節省材料、降低加工難度、縮短加工周期、提高抗疲勞強度及安全系數、過載保護等優點，是絞車滾筒軸體聯接的新趨勢。

2）使用ANSYS有限元分析軟件對絞車滾筒軸脹套聯接的結構進行了強度分析，并對理論結果與ANSYS分析結果進行對比，提出了ANSYS有限元軟件分析結果更加準確，更加符合實際情況。通過ANSYS非線性接觸分析，得出了絞車滾筒軸脹套的集中應力分布規律，為以后的脹套結構和尺寸優化設計提供了理論依據。

3）通過實例驗證了脹套聯接在石油鉆機絞車中應用的可行性，為脹套聯接在重負載機械領域的應用提供了參考和理論基礎，具有一定的工程意義。

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