气胎离合器设计报告

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61090 N﹒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1 MPa； ———压力损失，一般取0.03MPa~0.07Mpa，此处取0.05 Mpa 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7K 4.7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API Spec 7K《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API 7K 《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