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絞車是鉆機、修井機的核心部件。車裝鉆機絞車為典型的密閉框架式結(jié)構(gòu)，主要由主(撈砂)滾筒總成、剎車系統(tǒng)、絞車機架和護罩總成、天車防碰裝置、剎車?yán)鋮s裝置等組成。
絞車的核心部件是滾筒，能否安全穩(wěn)定地運行，在整個傳動系統(tǒng)中處于舉足輕重的地位。如何改進結(jié)構(gòu)、提高工效、延長壽命，一直是研究人員所關(guān)注的課題。國內(nèi)滾筒的設(shè)計一般是采用近似公式計算，這樣設(shè)計出來的產(chǎn)品和工程實際差距很大，安全性、可靠性難以保證，一旦發(fā)現(xiàn)問題，通常是采用增大尺寸的方法來解決。這樣做并沒有解決實質(zhì)性的問題，因為滾筒是一個復(fù)雜系統(tǒng)，各個部件的強度和剛度都互相影響，單方面地增加尺寸可能會給其他部件帶來不利的影響，并浪費材料，成本增加等。本文以650型修井機絞車滾筒為例，運用有限元分析軟件ANSYS建立滾筒的整體模型，在其正常下鉆工況下進行加載、求解，然后探討每個零部件(滾筒殼、滾筒軸、剎車毅、輪毅、加強筋等)的應(yīng)力、應(yīng)變。在此分析基礎(chǔ)上，對滾筒受力較弱的部件進行優(yōu)化設(shè)計，得到符合實際要求的滾筒設(shè)計方案。
建模過程中，對滾筒軸采用SOLID45單元，滾筒殼、擋板、剎車毅、輪毅、加強筋等采用SHELL63單元。由于實際結(jié)構(gòu)的受力分析很復(fù)雜，為了便于計算，必須進行簡化，但是簡化不可避免地會引起一些計算誤差。因此，采用假設(shè)時必須明確所采用的假設(shè)對于計算結(jié)果可能會有什么影響，應(yīng)盡量避免假設(shè)結(jié)果影響結(jié)構(gòu)的承載力。在該過程中，可對計算結(jié)果影響較小的部件(如不動件)加以簡化。
650型修井機絞車滾筒由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此采用實體建模方式進行建模。
有限元分析的目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在一定載荷條件下的響應(yīng)，因此，在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵。在有限元分析中，廣義的載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)。在本文絞車滾筒的算例中，載荷包括滾筒表面載荷、重力和軸承約束，滾筒表面載荷又包括剎車毅摩擦力和壓力及筒殼壓力。
鋼絲繩在滾筒殼左右端之間來回纏繞，危險位置可能有左端、中間、右端3個。因此，分3種情況按照在節(jié)點上施加集中力的方式進行施加。本文以鋼絲繩在滾筒殼左端為例進行分析。
剎車帶與剎車毅之間的摩擦力使得滾筒勻速轉(zhuǎn)動，從而使得鉆桿勻速下降，剎車帶與剎車毅之間的摩擦力和壓力并不是均布的，而是沿圓周方向呈指數(shù)遞增，而在ANSYS中，所施加的載荷是均布的或者是線性變化的，因此需對所要施加的載荷進行簡化；另外，剎車帶與剎車毅之間的摩擦力屬于表面切向載荷，ANSYS程序中無法直接加載，只能處理為切向的作用于節(jié)點上的集中力，所以載荷簡化為周向10}以內(nèi)間隔的壓力和摩擦力是沒有變化的，每隔10壓力值就會變化一次，以離散變化的節(jié)點集中力代替連續(xù)變化的分布力。具體方法是選擇剎車毅表面所有節(jié)點，將其轉(zhuǎn)換到以軸的中心線為軸的圓柱坐標(biāo)系中，然后施加周向力以構(gòu)成摩擦力，施加徑向力以構(gòu)成壓力。
滾筒的重力對滾筒軸等零部件應(yīng)力的影響比較大，在滾筒的有限元計算中，需要施加重力載荷，ANSYS中重力載荷施加的具體方法就是在滾筒重二力方向上施加一個反向加速度。
軸承約束是絞車滾筒模型的唯一邊界條件，因此，只要限制軸與軸承接觸表面節(jié)點的自由度，就能施加整個滾筒模型的邊界條件。滾筒軸承采用調(diào)心軸承，滾筒軸可以轉(zhuǎn)動，所以軸承約束采用球坐標(biāo)系來實現(xiàn)。
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