基于SolidWorks與Workbench螺桿鉆具傳動軸設計與模態分析

王玥 高治理

1.東北大學 遼寧沈陽 110819；2.東軟醫療系統股份有限公司 遼寧沈陽 110167

螺桿鉆具是地質開采、地下管道工程的井下動力裝置，大規模的應用于鉆井工程領域中，是一種通過將鉆井流體從壓力能轉換為機械能的能量動力轉換裝置[1]。

螺桿鉆具在運轉時，因為受載情況復雜多變，在旋轉幅度較大情況下，載荷變化頻繁，會影響軸的承載能力，所以應對其傳動軸進行模態分析，評估是否發生共振，以驗證設計是否合理。

1 基于SolidWorks 螺桿鉆具傳動軸設計

傳動軸總長1350mm，最大外徑210mm，結構主體由多段臺階軸構成，內部為通道，可保證流體通過，結構采用SolidWorks進行設計，設定其材料為42CrMo，材料具有高強度并能抵抗多次沖擊的能力。彈性模量為212GPa，泊松比0.28。

圖1 傳動軸設計尺寸

2 螺桿鉆具傳動軸模態分析

2.1 模態分析理論

模態分析是為結構設計效果提供依據，為振動特性與故障診斷提供預報，模態機械結構的固有振動特性，是研究結構動力特性的一種方法，在經典力學理論中，動力學通用方程為[2-3]：

式中{x}為位移矢量，{F}為力矢量，[M]為質量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度系數矩陣。

模態分析由下面的方程求得：

式中[ωi]為振動頻率，[φi]為模態。

2.2 基于Workbench 的傳動軸模態分析

根據相關文獻得出傳動軸受力分析如下[4-5]：

轉子軸向力G；

轉盤轉矩與馬達驅動轉矩；

側向力Pa，作用在鉆頭上的實際鉆壓；

馬達等其他部件軸向分力。

由于workbench建模能力較弱，將SolidWorks模型導入workbench中進行分析

設定分析條件為：密度ρ=7 8 5 0 k g/m3，屈服極限σs=930MPa。

網格劃分：為提高網格質量，設置Relevance為75，定義相關性中心為Medium。

劃分的單元數為7114，節點數為12345。

邊界條件與載荷設定，以φ210mm、φ70、φ76mm，φ132mm內錐面為約束，對φ60mm圓柱外表面施加扭矩1200N·m與內部錐孔施加1000N，對φ160mm圓錐孔表面處施加200MPa軸向壓力。

經過workbench運算，固有頻率與振型表1

表1 螺桿鉆具傳動軸前六階固有頻率與振型

2.3 模態分析結論

因篇幅有限不列出振型云圖，從表1數據看出從第一階到第六階的振型類型不同，根據振動穩定性原則，當某一零件本身的固有頻率與激振源的頻率重合或成整數倍關系時，零件就會發生共振。螺桿鉆具額定轉速在105-265r/min，工頻0-5Hz，一階轉速為60×95551=5733.06r/min經過比較，固有頻率大于工作頻率5Hz，遠高于螺桿鉆具額定最高轉速265r/min，發生共振概率很小。

3 結語

本文通過Solidwork對螺桿鉆具傳動軸進行了設計，通過建立有限元模型，導入workbench中對其進行了模態分析，得出了傳動軸的6階振型，確認了傳動軸在工作中沒有發生共振，驗證了傳動軸的設計是合理的，對于螺桿鉆具傳動軸的設計提供了一定的參考。