交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体的结构优化
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石 油 机 械 — 26 —
CHINA PETROLEUM MACHINERY
2017年 第 4 5 卷 第 8 期
◄ 钻井技术与装备►
交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体的结构优化
李春生
(中国石油集团长城钻探工程有限公司顶驱技术分公司）
摘 要 ：现有文献鲜有基于顶部驱动钻井装置的齿轮箱结构优化研究。鉴于 此 ，利 用 A P D L 参 数化语言对下齿轮箱体进行了有限元计算，在指定的设计工况下对下齿轮箱体进行强度和刚度校 核 ，并在此基础上研究侧壁壁厚和底部壁厚对下齿轮箱体结构刚度的影响。研究结果表明：下齿 轮箱体提环销轴处最大应力为628 MPa，选 用 35 CrMo材料可以满足结构强度安全设计要求；在垂 直载荷作用下，法向变形为主要变形，最大变形位置为箱体与承载法兰接触面，从各个刚度参数 来 看 ，满足下齿轮箱体结构刚度的安全设计要求；侧壁壁厚与底部壁厚对下齿轮箱体结构强度和 刚度均有影响，通过优化变量与状态变量之间的对应关系可以获得最下齿轮箱体的最优结构参数。 所得结论可为下齿轮箱体结构优化设计方案提供数值依据。 关键词 ： 顶驱 ；下齿轮箱体；参数化；APDL ; 优化设计 中图分类号：TE921 文献标识码：A
eterized language, so as to check the strength and stiffness of the lower gear box under the specified design condi tions. On this basis, the side and the bottom wall thickness effects on the stiffness of lower gear box structure have been studied. The results show that the maximum stress at the hinge pin of the lifting ring of the lower gear box is
load, the normal deformation is the main deformation, and the maximum deformation locates at the contact surface of lower gear box and the loading bearing flange, which meets the safety requirements of the design of the lower gear box structure under the perspective of every stiffness parameters. The side and bottom wall thickness could influence the structure strength and stiffness of the lower gear box. The optimal structural parameters could be attained by op timizing the correspondence relation of the variables and the state variables. The study results could provide numeri cal bases for the optimum design of the lower gear box structure.
构 ，越来越多的陆地石油钻机也逐步采用了顶驱技 术 [1]。笔者对交流变频顶驱系统的关键零部件齿 轮箱箱体进行了系统分析。齿轮箱实现了电机髙速
2017年 第 4 5 卷 第 8 期
李 春 生 ：交 流 变 频 电 动 顶 驱 系 统 下 齿 轮 箱 体 的 结 构 优 化
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参数化语言对下齿轮箱体开发了完全参数化的有限 元计算模型脚本程序，在指定的设计工况下对下齿 轮箱体进行强度和刚度的校核，并在此基础上研究 侧壁壁厚和底部壁厚对下齿轮箱体结构刚度的影 响 ，所得结论可为下齿轮箱体结构优化设计方案提 供数值依据。
Keywords：top drive；lower gear box；parameterization；APDL；optimal design
旋转输入低速旋转输出，其中下齿轮箱体是顶驱最
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引言
目前，浅 海 钻 井 平 台 几 乎 全 部 采 用 了 顶 驱 结
重要的承载部件之一，它承受所有钻具的重力及法 向载荷，并通过销轴与提环连接[2_4]。程自力等[ 5 ] 采 用 COSMOSWorks软 件 对 50 D J 型号的 顶 驱 悬 挂 体进行了强度分析；张 洪 生 等 [6]对顶部驱动钻井 装置结构选型进行了研究。然而鲜有基于顶部驱动 钻井装置的齿轮箱结构优化研究。笔 者 利 用 APDL
doi: 10. 16082/j . cnki.issn. 1001-4578.2017.08.006
Structure Optimization of Lower Gear Box of AC Variable Frequency Electric Top Drive System
Abstract ：The finite element calculation of the lower gear box has been carried out by using the APDL param
(Top Drive Technology Company, CNPC Great Wall Drilling Company)
Li Chunsheng
628 MPa, and the 35 CrMo material can meet the safety requirements of structure strength design. Under the vertical
CHINA PETROLEUM MACHINERY
2017年 第 4 5 卷 第 8 期
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交流变频电动顶驱系统下齿轮箱体的结构优化
李春生
(中国石油集团长城钻探工程有限公司顶驱技术分公司）
摘 要 ：现有文献鲜有基于顶部驱动钻井装置的齿轮箱结构优化研究。鉴于 此 ，利 用 A P D L 参 数化语言对下齿轮箱体进行了有限元计算，在指定的设计工况下对下齿轮箱体进行强度和刚度校 核 ，并在此基础上研究侧壁壁厚和底部壁厚对下齿轮箱体结构刚度的影响。研究结果表明：下齿 轮箱体提环销轴处最大应力为628 MPa，选 用 35 CrMo材料可以满足结构强度安全设计要求；在垂 直载荷作用下，法向变形为主要变形，最大变形位置为箱体与承载法兰接触面，从各个刚度参数 来 看 ，满足下齿轮箱体结构刚度的安全设计要求；侧壁壁厚与底部壁厚对下齿轮箱体结构强度和 刚度均有影响，通过优化变量与状态变量之间的对应关系可以获得最下齿轮箱体的最优结构参数。 所得结论可为下齿轮箱体结构优化设计方案提供数值依据。 关键词 ： 顶驱 ；下齿轮箱体；参数化；APDL ; 优化设计 中图分类号：TE921 文献标识码：A
eterized language, so as to check the strength and stiffness of the lower gear box under the specified design condi tions. On this basis, the side and the bottom wall thickness effects on the stiffness of lower gear box structure have been studied. The results show that the maximum stress at the hinge pin of the lifting ring of the lower gear box is
load, the normal deformation is the main deformation, and the maximum deformation locates at the contact surface of lower gear box and the loading bearing flange, which meets the safety requirements of the design of the lower gear box structure under the perspective of every stiffness parameters. The side and bottom wall thickness could influence the structure strength and stiffness of the lower gear box. The optimal structural parameters could be attained by op timizing the correspondence relation of the variables and the state variables. The study results could provide numeri cal bases for the optimum design of the lower gear box structure.
构 ，越来越多的陆地石油钻机也逐步采用了顶驱技 术 [1]。笔者对交流变频顶驱系统的关键零部件齿 轮箱箱体进行了系统分析。齿轮箱实现了电机髙速
2017年 第 4 5 卷 第 8 期
李 春 生 ：交 流 变 频 电 动 顶 驱 系 统 下 齿 轮 箱 体 的 结 构 优 化
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参数化语言对下齿轮箱体开发了完全参数化的有限 元计算模型脚本程序，在指定的设计工况下对下齿 轮箱体进行强度和刚度的校核，并在此基础上研究 侧壁壁厚和底部壁厚对下齿轮箱体结构刚度的影 响 ，所得结论可为下齿轮箱体结构优化设计方案提 供数值依据。
Keywords：top drive；lower gear box；parameterization；APDL；optimal design
旋转输入低速旋转输出，其中下齿轮箱体是顶驱最
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引言
目前，浅 海 钻 井 平 台 几 乎 全 部 采 用 了 顶 驱 结
重要的承载部件之一，它承受所有钻具的重力及法 向载荷，并通过销轴与提环连接[2_4]。程自力等[ 5 ] 采 用 COSMOSWorks软 件 对 50 D J 型号的 顶 驱 悬 挂 体进行了强度分析；张 洪 生 等 [6]对顶部驱动钻井 装置结构选型进行了研究。然而鲜有基于顶部驱动 钻井装置的齿轮箱结构优化研究。笔 者 利 用 APDL
doi: 10. 16082/j . cnki.issn. 1001-4578.2017.08.006
Structure Optimization of Lower Gear Box of AC Variable Frequency Electric Top Drive System
Abstract ：The finite element calculation of the lower gear box has been carried out by using the APDL param
(Top Drive Technology Company, CNPC Great Wall Drilling Company)
Li Chunsheng
628 MPa, and the 35 CrMo material can meet the safety requirements of structure strength design. Under the vertical