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摘要：转盘，是钻井工作中不可或缺的重要工具。它不仅需要传递必要的扭矩和转速，还承载着套管和钻柱的全部重量。转盘的设计与质量，直接关系到钻机的运行稳定性。不过，随着工业步伐的加快，常规转盘显得力不从心，难以应对超深井钻井的挑战。基于机械自动化技术，本文研发了一种大口径转盘，经过严谨的有限元分析，确保其符合钻井生产的各项参数标准，这种转盘可提升钻井生产效率，有助于提高油气资源的开采质量。

关键词：有限元分析；机械设计制造；自动化；创新应用

传统的转盘钻机在转矩传输方面受到限制，这直接影响了钻井的深度。为了深入挖掘石油和天然气资源，研究人员致力于革新转盘的锥齿轮副传动方式，他们以高效直齿圆柱齿轮作为替代品，展现出更为卓越的性能。为了赋予齿轮更强大的驱动力，采用液压电机成功取代了传统电机。本研究尝试实现大口径转盘方案，旨在实现上述各项优化目标，同时通过专业的有限元分析三维模型予以评估。这样，才能确保新转盘在满足钻探需求的同时，更好地适应各种复杂的作业环境。

一、大口径转盘的设计与选型

（一）设计概述

为高效开采石油、天然气，转盘的通孔直径至少需要达到1790.8mm，并且能够以最高300r/min的转速稳定运转。不仅如此，它还要能够承受高达1112kN的静荷载。为了确保钻机的高效传动，齿轮传动比i应控制在3～6的范围内。经过综合权衡，为协调设备制造与养护成本，决定将直齿齿轮的最优传动比i设为4，以实现更高效、经济的运行效果。

在确定转盘通孔尺寸后，转台的内部直径设定为1790.8mm。以此为依据，可以进一步计算出转台的外部直径以及主轴承的内部直径（1900mm）。为了确保转盘的密封性，特设计了两个环形凹槽。在油气资源开采中，在转盘的转动中，传动轴发挥着至关重要的作用，它确保了转盘平稳运行。为了满足实际应用需求，需要对直齿圆柱齿轮的参数进行精确调整。双头螺柱则以其稳定性，确保了各部件之间的牢固连接，为设备运行提供了坚实支撑。

（二）设备选型

以此次设计情况为依据，已知条件如下：转盘扭矩T3为75kN·m，转机的转速n3约为20r/min，齿轮传动比i=4。

1.电机选型

为计算减速装置输入端的转矩（T1），可用如下公式获得：

其中，i2表示大小直齿圆柱齿轮最佳转速比，i3表示一级减速器最佳齿轮比。结合计算可知，T1为1561.5N·m。结合相关参数进行综合分析后，决定选用YCM6-700型液压电机。

2.减速器选型

为计算转盘工作效率P3，可下式获得：

结合该式可得，P3为157.0692kW，综合多方面因素进行考虑后，决定选择ZDY208型减速器。

3.超大口径转盘密封

由于钻机的操作条件相当艰苦，为避免外界杂物侵蚀，导致其使用年限缩短，必须对其壳体和钻台实施严格的密封处理，因此，本次研究决定采取两道环形槽的封密封。

二、有限元分析

有限元分析是一种数值分析方法，用于解决复杂工程结构或其他连续物体的力学问题。它通过将连续物体离散化为有限个单元，并将问题转化为一系列简单的数学问题来求解。有限元分析将一个连续物体离散化为有限个单元，每个单元都有其自身的特性，如形状、尺寸和材料属性等。然后，通过将力学问题转化为一系列简单的数学问题，如线性代数方程组，求解每个单元的响应，从而得到整个物体的响应。这种方法可以处理复杂的几何形状和边界条件，并能够进行优化设计、结构分析和可靠性评估等。

（一）有限元分析的作用

第一，提升安全性。通过有限元分析，可以提前发现机械设计中的安全隐患，避免在实际生产中出现安全事故。第二，优化结构设计。有限元分析能帮助设计师优化机械结构的设计，通过模拟分析，可以发现结构中的薄弱环节，从而进行针对性的改进，提升机械的强度和刚度。第三，预测机械性能。通过有限元分析，可以在产品设计阶段就对机械的性能有更深入的了解，如强度、刚度、振动、应力分布等，进而指导设计优化和材料选择。第四，提高生产效率。有限元分析能帮助制造工程师提高生产效率，通过模拟制造过程，可以提前发现和解决可能出现的问题，避免实际制造过程中的返工和浪费。总的来说，有限元分析在机械设计制造中起着至关重要的作用，它不仅有助于提高产品的质量和性能，还能降低生产成本和风险。

（二）大小齿轮有限元分析

大小齿轮的啮合状态并非一成不变，因此，在进行各种规格齿轮的有限元分析时，我们需要借助瞬态动力学来深入探索它们的动态特性。具体的齿轮参数已在表1中详细列出。

借助表1的信息，使用UG软件来构造大小齿轮的模型，然后将其导入ANSYS Workbench软件进行进一步处理。（1）在网格划分时，应考虑将全部的齿轮副划分为网格。但当齿轮副的单元和节点数量过多时，会对计算机运算造成压力， 这会对计算结果的准确性产生影响。为了解决这个问题，需要对大齿轮和小齿轮进行科学划分。可以采用交叉网格划分的方法，只针对大齿轮的某些关键部分和小齿轮进行划分。（2）在配置负载参数时，为小齿轮设定扭矩为6250N·m，并将大齿轮的转速调至20r/min。（3）在时间t=0.02s的设定条件下，齿轮的步长设定在1和200之间。通过软件模拟齿轮的运动，可以了解到大小齿轮的啮合接触状况。在0.02s的传动过程中，大小齿轮的啮合接触应力值高达1.1346e-4mm/mm，实际应力值为232.35MPa，而根据赫兹理论得到的应力值为225.863MPa。二者相差约6.487MPa。尽管赫兹理论在计算应力值过程中存在一些误差，但这些误差并不影响我们设计的齿轮满足转盘的应用需求。

三、总结

综上所述，本文主要针对大口径转盘进行优化设计，重点利用有限元分析方法对大小齿轮和转盘主轴承进行了相关探究，以确保达到设计要求，整个过程旨在提高油气采集的效率，具有实际应用价值。

参考文献：

[1]陆叶星.自动化设备中有关机械结构设计的几点体会[J].科技创新与应用.2021（21）.

[2]潘朗.机械设计中有限元分析的几个关键问题[J].时代汽车.2021（20）.

[3]王君.农业机械设计中有限元分析软件的应用研究[J].南方农机.2021（18）.

作者简介：汪明镜 （1984-2-）男， 汉族，安徽省桐城， 本科学历， 技术中心机械工程师。