A型管子鉆塔天輪軸設計

王子寒

摘 要：鉆塔是鉆探設備中的重要組成部分，鉆塔承載能力十分重要，天輪軸的選取也成為鉆塔設計的重要部分，本文就天輪軸的設計進行了分析。

關鍵詞：鉆塔；天車；天輪軸；設計

1 鉆塔概述

鉆塔是鉆井設備的重要組成部分，又被稱為井架、塔架、鉆架等。按其結構特點可分為四腳鉆塔、三腳鉆塔、A型鉆塔以及桅桿。鉆塔用于安放天車、懸掛游動滑車、大鉤、體引器等，以便提放鉆進設備和工具、起下和存放鉆桿、起下套管等。A型鉆塔由塔身、地梁、起落架、副腿、天車構成，鉆塔塔身分段連接可在現場水平安裝，整體起放，拆分運輸方便。鉆塔靠兩側對稱主塔身受力，且每段塔身都是封閉式結構，載荷分布均勻，副腿支撐鉆塔整體穩定性，使得A型鉆塔無論是承載能力還是塔身穩定性上都有良好的表現。在鉆塔使用的過程中，游動滑車、大鉤以及鉆桿等裝備都會直接將力作用于天車天輪軸上，天輪軸也直接影響了鉆塔的承載能力，因此，天輪軸的設計就十分重要。下面以17米A型管子鉆塔承載20t的天輪軸為實例進行分析。

2 鉆塔天輪軸的設計與校驗

2.1 軸的結構設計 根據鉆塔的承載能力，根據多年鉆塔的設計經驗，初步確定軸的結構設計為：天車（圖1）采用了3個滑輪，根據天輪的寬度，將天輪軸（圖2）的長度定為412mm來進行軸徑的計算，最后材料選定為軸徑90mm的45號鋼。

2.2 天輪軸的強度計算 我們一般使用許用切應力計算；許用彎曲應力計算；安全系數校核計算這三種方法對軸的強度進行計算。這三種方法有著各自的特點：a 許用切應力計算應用于我們要對軸徑進行估算和結構設計的時候，我們只需要知道轉矩的大小，便可初步估算出軸徑的大致范圍，結構設計做出鋪墊，許用切應力計算方法簡便，但精度比較低。b 許用彎曲應力計算在預先知道作用力的大小和作用點的位置、軸承跨距、各段軸徑等參數時應用居多。因此，常先按轉矩估算軸徑并進行軸的結構設計后，畫出軸的彎扭合成圖，然后計算危險截面的最大彎曲應力。它主要用于計算一般重要的軸，計算精度中等。c 安全系數校核計算也要在結構設計后進行，不僅要定出軸的各段直徑，而且要定出過度圓角、軸轂配合、表面粗糙度等細節。它主要用于重要的軸，計算精度較高。安全系數校核計算能判斷各危險截面的安全程度，從而改善各薄弱環節，有利于提高軸的疲勞強度。為了確保軸的安全性，本項目對這三種計算方法逐個使用。

2.2.1 許用彎曲應力計算 ①計算天輪受力。天輪組立與四輪滑車組構成了一組動定滑輪系統。根據鉆塔的承載力為20t，可計算出每個滑輪的承載力為6.67t。通過對動定滑輪系統進行分析可知，天輪的最終受力為6.67t，即： F=m·g=6.67×9.8×1000=65366（N）

畫天輪軸受力圖：

②計算支承反力。

水平面反力F=F=0N

垂直面反力F=F====98049N

③畫軸彎矩圖。

最大彎矩為Mmax=16741666N·mm。

④校核軸徑。天輪軸材料選用45號鋼調質處理，查得：σB=647MPa，σS=373MPa，由下列公式可求得疲勞極限：

對稱循環疲勞極限σ-1b=0.44σB=0.44×647=284.68MPa

脈動循環疲勞極限σ0b=1.7σ-1b=1.7×373=634.1MPa

等效系數ψ===0.176

軸徑為d?==83.8mm

由彎矩所產生的彎曲應力σ應不超過許用彎曲應力σ

，故軸的最小直徑d?83.8mm，則初定的90mm直徑的天輪軸滿足強度要求，故取天輪軸軸徑為d=90mm。

2.2.2 安全系數校核計算 ①判斷危險截面。初步分析較大的應力集中在軸肩處，故只需對軸肩處進行安全系數校核。

②截面應力。彎矩M=11270000×=4354768N·mm

彎曲應力幅 σ=σ===86.7MPa

③應力集中系數。因在承受最大彎矩的截面處，過度圓角半徑r=2.5mm，由D/d=90/85≈1.12，r/d=2.5/8.5=0.029和σ=647MPa，從圓角、環槽的有效應力集中系數kσ值表中查出（用插值法）kσ=1.67。

表面狀態系數 由加工表面的表面狀態系數β值表中查得β=0.93（Ra=12.6μm，σB=647MPa）

尺寸系數 由尺寸系數εσ=0.73（按靠近應力集中處的最小直徑Φ85查得）

④安全系數。彎曲安全系數 設為無限壽命，kN=1，由公式得S===1.44>[S]

注：材料質地均勻、載荷與應力計算較精確時，可取[S]=1.3～1.5。符合要求，設計合理。

3 應用效果

此天輪軸自應用于承載20t的天車上以來，在內蒙古、陜西以及新疆等地區施工作業十幾萬米，從未出現過問題，該天輪軸以其穩定的承載能力，耐用的品質，得到了市場的認可，同時也為我單位帶來了良好的經濟效益。