A型管子钻塔天轮轴设计

王子寒

摘 要：钻塔是钻探设备中的重要组成部分，钻塔承载能力十分重要，天轮轴的选取也成为钻塔设计的重要部分，本文就天轮轴的设计进行了分析。

关键词：钻塔；天车；天轮轴；设计

1 钻塔概述

钻塔是钻井设备的重要组成部分，又被称为井架、塔架、钻架等。按其结构特点可分为四脚钻塔、三脚钻塔、A型钻塔以及桅杆。钻塔用于安放天车、悬挂游动滑车、大钩、体引器等，以便提放钻进设备和工具、起下和存放钻杆、起下套管等。A型钻塔由塔身、地梁、起落架、副腿、天车构成，钻塔塔身分段连接可在现场水平安装，整体起放，拆分运输方便。钻塔靠两侧对称主塔身受力，且每段塔身都是封闭式结构，载荷分布均匀，副腿支撑钻塔整体稳定性，使得A型钻塔无论是承载能力还是塔身稳定性上都有良好的表现。在钻塔使用的过程中，游动滑车、大钩以及钻杆等装备都会直接将力作用于天车天轮轴上，天轮轴也直接影响了钻塔的承载能力，因此，天轮轴的设计就十分重要。下面以17米A型管子钻塔承载20t的天轮轴为实例进行分析。

2 钻塔天轮轴的设计与校验

2.1 轴的结构设计 根据钻塔的承载能力，根据多年钻塔的设计经验，初步确定轴的结构设计为：天车（图1）采用了3個滑轮，根据天轮的宽度，将天轮轴（图2）的长度定为412mm来进行轴径的计算，最后材料选定为轴径90mm的45号钢。

2.2 天轮轴的强度计算 我们一般使用许用切应力计算；许用弯曲应力计算；安全系数校核计算这三种方法对轴的强度进行计算。这三种方法有着各自的特点：a 许用切应力计算应用于我们要对轴径进行估算和结构设计的时候，我们只需要知道转矩的大小，便可初步估算出轴径的大致范围，结构设计做出铺垫，许用切应力计算方法简便，但精度比较低。b 许用弯曲应力计算在预先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数时应用居多。因此，常先按转矩估算轴径并进行轴的结构设计后，画出轴的弯扭合成图，然后计算危险截面的最大弯曲应力。它主要用于计算一般重要的轴，计算精度中等。c 安全系数校核计算也要在结构设计后进行，不仅要定出轴的各段直径，而且要定出过度圆角、轴毂配合、表面粗糙度等细节。它主要用于重要的轴，计算精度较高。安全系数校核计算能判断各危险截面的安全程度，从而改善各薄弱环节，有利于提高轴的疲劳强度。为了确保轴的安全性，本项目对这三种计算方法逐个使用。

2.2.1 许用弯曲应力计算 ①计算天轮受力。天轮组立与四轮滑车组构成了一组动定滑轮系统。根据钻塔的承载力为20t，可计算出每个滑轮的承载力为6.67t。通过对动定滑轮系统进行分析可知，天轮的最终受力为6.67t，即： F=m·g=6.67×9.8×1000=65366（N）

画天轮轴受力图：

②计算支承反力。

水平面反力F=F=0N

垂直面反力F=F====98049N

③画轴弯矩图。

最大弯矩为Mmax=16741666N·mm。

④校核轴径。天轮轴材料选用45号钢调质处理，查得：σB=647MPa，σS=373MPa，由下列公式可求得疲劳极限：

对称循环疲劳极限σ-1b=0.44σB=0.44×647=284.68MPa

脉动循环疲劳极限σ0b=1.7σ-1b=1.7×373=634.1MPa

等效系数ψ===0.176

轴径为d?==83.8mm

由弯矩所产生的弯曲应力σ应不超过许用弯曲应力σ

，故轴的最小直径d?83.8mm，则初定的90mm直径的天轮轴满足强度要求，故取天轮轴轴径为d=90mm。

2.2.2 安全系数校核计算 ①判断危险截面。初步分析较大的应力集中在轴肩处，故只需对轴肩处进行安全系数校核。

②截面应力。弯矩M=11270000×=4354768N·mm

弯曲应力幅 σ=σ===86.7MPa

③应力集中系数。因在承受最大弯矩的截面处，过度圆角半径r=2.5mm，由D/d=90/85≈1.12，r/d=2.5/8.5=0.029和σ=647MPa，从圆角、环槽的有效应力集中系数kσ值表中查出（用插值法）kσ=1.67。

表面状态系数 由加工表面的表面状态系数β值表中查得β=0.93（Ra=12.6μm，σB=647MPa）

尺寸系数 由尺寸系数εσ=0.73（按靠近应力集中处的最小直径Φ85查得）

④安全系数。弯曲安全系数 设为无限寿命，kN=1，由公式得S===1.44>[S]

注：材料质地均匀、载荷与应力计算较精确时，可取[S]=1.3～1.5。符合要求，设计合理。

3 应用效果

此天轮轴自应用于承载20t的天车上以来，在内蒙古、陕西以及新疆等地区施工作业十几万米，从未出现过问题，该天轮轴以其稳定的承载能力，耐用的品质，得到了市场的认可，同时也为我单位带来了良好的经济效益。