基于ANSYS Workbench的捞油车滚筒轴的模态分析

李向阳，任 涛，冯 斌

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

0 引言

捞油车是一种全新的移动式采油设备,主要由运载汽车、装在汽车上面的动力传动机构、液压系统、井架总承、滚筒绞车等组成。滚筒绞车是捞油车的核心部件，为典型的密闭框架式结构，用于作业时下放及提升抽子，完成采油作业[1]。在工作过程中，绞车有时需要在井下以14 400 m/h的速度下放，有时需要以50 m/h的平稳速度提升，并要求在全程速度变化范围内实现无极变速。因而要求绞车滚筒轴具有高精度、大强度、小振动以及低噪声等良好的抵抗受迫振动的能力，以免发生共振[2]。以往对滚筒轴进行设计分析的主要途径是分析轴的结构静力特性，主要考虑轴的刚度和强度是否满足条件。该设计思路没有将整个传动系统看成一个整体，因而存在一些不足。本文利用有限元软件ANSYS Workbench，在对绞车滚筒轴静态特性分析的基础上对绞车进行预应力模态分析，以获取滚筒轴详细的动态特性。

1 绞车整体结构

本文通过Pro/E对绞车传动系统进行建模，绞车结构模型如图1所示。

2 绞车滚筒轴的模态分析

在绞车滚筒轴工作过程中，切削力和激振力是以动载荷的形式作用于其上的。而动载荷中又包括冲击载荷、随机载荷、突然载荷和振动载荷。在这些动载荷中对绞车滚筒轴影响最大的是振动载荷，在振动载荷的作用下，绞车滚筒轴会产生较大的弯曲变形，甚至会与外部载荷产生共振从而影响整个绞车的安全稳定[3]。

模态分析的目的在于确定结构的振动特性以避免结构产生共振或使结构按照特定的频率进行振动。在对前面静态结构分析的基础上，对其进行预应力模态分析。

图1 绞车整体结构模型

2.1 绞车滚筒轴有限元模型与加载

利用Pro/E可快速生成复杂的实体零部件模型，通过建立ANSYS Workbench与Pro/E之间的无缝接口，可以直接从Pro/E界面进入ANSYS Workbench中，其兼容性较好，可认为是无缝连接，基本满足工程精度要求[4]。为了进一步提高模型的分析效率，对模型进行了适当的简化处理，忽略了部分对结果影响甚微的局部特征，简化后的绞车滚筒轴模型如图2所示。

图2 绞车滚筒轴的结构模型

滚筒轴选材为45钢，假设其各向同性、均质。查阅国标与相关技术手册可得其在室温下的基本性能参数如表1所示。

表1 45钢室温性能参数

2.2 模型的网格划分

本文对滚筒轴整体进行自动网格划分。为了生成质量较高的网格，对轴肩部分进行了细化处理，对中间部分进行了映射网格划分[5]。网格生成后的滚筒轴有限元模型如图3所示，其中单元数为37 932个，节点数为60 932个。

图3 绞车滚筒轴的有限元模型

2.3 载荷工况分析与约束加载

绞车滚筒轴在实际工作中的工况较为复杂，变化较大，主要表现在以下两个方面：①在提捞采油过程中，由于井深以及提捞载荷的复杂多变而引起的钢丝绳拉力和扭矩的变化；②在绞车工作中，由于滚筒缠绳半径即钢丝绳所在缠绳层位的变化会引起滚筒轴弯矩、扭矩的变化[6]。

该滚筒属于多层缠绕滚筒，轴上的部件、钢绳载荷较大，因此不仅需要校核其扭转强度，还要考虑径向载荷，校核其弯扭结合强度。此时滚筒轴上受到三个载荷的作用，即联轴器驱动力矩和两个轴承支反力。驱动力矩按力偶加在滚筒轴与联轴器配合段；轴承支反力添加在轴承配合段。具体工况参数见表2。

表2 基本工况参数

对于滚筒轴的约束如下：①在轴的右端通过联轴器与轴相连，因而在联轴器与轴端连接处建立周向约束;②在这里绞车采用调心滚子轴承，左端轴向固定，右端沿轴向自由;③考虑到滚筒轴在刹车时的扭转情况，因而在轴的左端建立端面固定约束[7]。滚筒轴施加约束及载荷后状况如图4所示。

2.4 静力分析结果

进入求解器求解，得到滚筒轴的静力学特性。图5、图6分别为绞车滚筒轴的位移云图和应力云图，表3为滚筒轴静力分析结果。

图4绞车滚筒轴的所有约束与载荷分布图5绞车滚筒轴位移云图图6绞车滚筒轴综合应力云图

表3 滚筒轴静力分析结果

2.5 模态分析

根据有限元计算结果，滚筒轴的前6阶模态分析结果汇总见表4，频率树状图如图7所示。

表4 模态分析结果汇总

滚筒轴的前6阶模态振型分别如图8～图13所示。

模态分析结果表明：滚筒轴的频率范围为190.13 Hz～1 010.2 Hz，因而在选择电机时应避开此区域，以免发生共振。滚筒轴的前两阶固有频率在200 Hz以下，振型以中间弯曲为主，变形量为2.529 6 mm～2.531 mm；第3、第4阶的固有频率略高于500 Hz，振型以中间弯曲为主，变形量为2.658 4 mm～2.647 1 mm，第3阶到第4阶变形量还有适当减少；第5阶固有频率达到640 Hz，振型以扭转为主，变形量为3.715 7 mm，相较于其他阶振形有突变但是总体变形不大，对绞车的性能影响不大；第6阶固有频率为1 010 Hz，变形量为2.880 1 mm，相较于第5阶固有频率有适当增大。分析可知，滚筒轴的结构设计较为合理，满足绞车的正常工作需要[8]。

图7 模态结果树状图

3 结束语

本文通过ANSYS Workbench对绞车滚筒轴进行了有限元分析，得到了其静力分析结果，得出其强度满足要求。通过模态分析结果，得到传动轴的前6阶固有频率和振型。根据分析结果，可规避步进电机的频率选择误区，同时也为步进电机的控制提供了参考和依据。

图8 滚筒轴第1阶振型 图9 滚筒轴第2阶振型 图10 滚筒轴第3阶振型

图11 滚筒轴第4阶振型 图12 滚筒轴第5阶振型 图13 滚筒轴第6阶振型

参考文献：

[1] 刘洋.移动式多功能测井捞油车研制与应用[J].石油矿场机械,2013,42(1):80-82.

[2] 赖笑辉,牟新明,李鹏.绞车滚筒的结构强度分析[J].现代制造技术与装备,2009(2):70-72.

[3] 杜平安,甘娥忠,于娅婷.有限元法：原理、建模与应用[M].北京：国防工业出版社,2004.

[4] 韩玉强.JC-40绞车滚筒轴的有限元分析与优化[J].新技术新工艺，2011(8):84-86.

[5] 严明霞,肖靖凯,刘光亚.基于ANSYS的摩擦式提升机主轴有限元分析[J].煤矿机械，2010,31(10)：94-96.

[6] 文怀兴,崔康.基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能分析[J].组合机床与自动化加工技术，2012(12)：49-52.

[7] 王迪迪,宋新旺,陈福洋,等.基于ANSYS Workbench传动轴模态分析[J].煤炭技术,2015(9):287-289.

[8] 周海领.JC50DB型绞车传动系统结构的设计研究[D].兰州：兰州理工大学,2011：26-32.