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轉(zhuǎn)盤是鉆機(jī)最重要的設(shè)備之一，針對石油鉆井工藝的發(fā)展，超深井、水平井和定向井對轉(zhuǎn)盤性能的要求日漸嚴(yán)格。轉(zhuǎn)盤的性能直接決定著鉆機(jī)鉆進(jìn)能力，轉(zhuǎn)盤的研究生產(chǎn)直接關(guān)乎我國是否有能力自主研制萬米以上的鉆機(jī)設(shè)備。而錐齒輪作為轉(zhuǎn)盤中的主要部件之一，它直接決定了轉(zhuǎn)盤性能的好壞。錐齒輪失效的主要原因之一受載輪齒齒根圓角處的彎曲應(yīng)力過大造成的，這些應(yīng)力往往使齒輪的總壽命縮短，甚至使齒輪突然發(fā)生斷裂。
通過Pro/E軟件建立轉(zhuǎn)盤錐齒輪三維實(shí)體模型，采用ANSYS軟件建立相應(yīng)的有限元模型，實(shí)行加載求解，進(jìn)行齒輪應(yīng)力有限元分析，并與傳統(tǒng)計(jì)算方法比較，這種方法為圓錐齒輪的精確設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)和方法。以轉(zhuǎn)盤中小錐齒輪為例，首先在Pro/E中創(chuàng)建精確模型，為了便于在有限元分析中劃分網(wǎng)格，應(yīng)當(dāng)忽略掉那些在三維實(shí)體中不重要的小線，小面，因此，在Pro/E界面下，建立錐齒輪的三維實(shí)體模型的過程中，忽略了齒頂和齒根處的倒角。
由于只需分析一個(gè)齒廓的受力情況，同時(shí)減少劃分單元和運(yùn)算時(shí)間，所以采用1/4齒輪建立有限元模型。選用SOLID187單元類型，彈性模量E=2.06 GPa，泊松比P = 0.3，材料密度7900 kg /m。采用24 mm固定尺寸自由網(wǎng)格劃分整體網(wǎng)格，并對所分析齒的齒面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，劃分結(jié)果得：7526個(gè)單元，12117個(gè)節(jié)點(diǎn)。
研究詳細(xì)地介紹了鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤錐齒輪的實(shí)體建模及齒輪應(yīng)力靜態(tài)分析有限元方法。將Pro/E與ANSYS兩種軟件相結(jié)合，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，并且，將結(jié)論與常規(guī)計(jì)算應(yīng)力方法比較，相互驗(yàn)證。完成計(jì)算后，通過ANSYS通用后處理器觀察齒根彎曲應(yīng)力等值圖。表示載荷步終止時(shí)間1，子步數(shù)1，時(shí)間1的等效應(yīng)力圖，圖中顯示最大位移為0.469e-2mm，最小應(yīng)力為0.01063MPa，在齒根位置處的彎曲應(yīng)力最大，為150.758MPa，這與常規(guī)計(jì)算150.86MPa基本吻合，這說明在分析轉(zhuǎn)盤大直徑錐齒輪中所使用的傳統(tǒng)計(jì)算方法是可用的，只是結(jié)果略顯偏大于有限元法。
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