一种偏心非等厚肋筋板组合的绳轮增强方案及死绳固定器

技术领域

本发明属于石油钻机和修井机技术领域，尤其涉及一种偏心非等厚肋板和筋板组的绳轮增强方法及死绳固定器。

背景技术

石油钻井指重表是钻井和修井必配的仪表之一，用于指示和记录钻井和修井过程中钻具的悬重和钻压变化的仪器，为司钻掌握钻机在钻井时的工作参数及判断钻具的工作状态提供技术参数，是属于国家依法管理的强制性计量器具，是石油天然气钻探过程中监测井下压力波动、钻头卡钻等异常状况唯一的监测手段，对钻井工程的质量控制和安全生产有着极为重要的作用。死绳固定器作为指重表一次仪表的重要组成部分，直接影响二次仪表的使用，对开展高效的钻井工作尤为重要。现有死绳固定器主要由绳轮﹑底座﹑传感器、轮芯、绳卡和其他辅助件组成，由于死绳固定器的底座和绳轮形状比较复杂，所以目前大多数生产厂家使用整体铸造的方法对其进行加工制造，由于在铸造过程中铸造缺陷的控制以及检测存在一定的问题，铸件会存在不同程度的缺陷，因而会导致死绳固定器的安全系数下降，以及产品检测成本增加和产品的合格率下降。在实际的工况中，死绳固定器的受力情况比较复杂，因此研究死绳固定器的力学性能对进行高效钻井工作非常重要，运用ANSYSWorkbench有限元分析软件，对现有的JZG41型死绳固定器的绳轮进行静力学分析，计算得出最大等效应力值为351MPa,明显大于材料Q345E的屈服强度345MPa，不满足材料的强度要求。

因此需要利用材料力学和有限元分析方法，找出JZG41型死绳固定器中偏心距、绳轮肋板、筋板参数对绳轮结构力学性能的影响，改变绳轮的结构参数，确定一组最优的参数，降低JZG41型死绳固定器的工作载荷，从而保证JZG41型死绳固定器具有满足材料屈服强度的强度储备。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种偏心非等厚肋板和筋板组的绳轮增强方法及死绳固定器，利用有限元分析的方法，找出JZG41死绳固定器中绳轮轴孔偏心距、绳轮肋板、筋板参数对绳轮结构力学性能的影响，解决JZG41型死绳固定器现有的安全系数下降等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种偏心非等厚肋板和筋板组的死绳固定器，包括绳轮、传感器支臂、绳卡支臂和轮芯：

绳轮的中心设置有轮芯，绳轮的轴孔偏心距为0-40mm；

轮芯的圆周面设置有筋板，筋板的厚度为40-50mm；

筋板和绳轮的内壁通过多个肋板固定连接，多个肋板均匀设置于筋板的圆周面，肋板的厚度为55-75mm；

死绳固定器采用Q345E钢铸成。

进一步地，绳轮的轴孔偏心距为40,筋板的厚度为50，肋板的厚度为55mm。

进一步地，死绳固定器的安全系数不小于1.2。

另一方面，本发明还公开了一种偏心非等厚肋板和筋板组的绳轮增强方法，包括：

利用有限元分析方法，分析死绳固定器中绳轮轴孔偏心距、肋板、筋板参数对绳轮结构力学性能的影响，得到死绳固定器的等效应力最小值对应的绳轮轴孔偏心距、肋板、筋板优化参数；

通过选取优化参数的附近值进行正交试验，得到优化参数的优选值本发明的技术效果和优点：

本发明利用有限元分析的方法，对原有的JZG41型死绳固定器绳轮偏心距、绳轮肋板和绳轮筋板结构参数进行优选，确定一组最佳的结构参数，有效地降低了JZG41型死绳固定器的工作载荷，以保证该JZG41型死绳固定器具有充足的强度储备；

本发明能够有效地解决死绳固定器安全系数下降的问题，并提高其力学性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明死绳固定器的结构示意图；

图2为一种死绳固定器的增强方法流程图。

附图标记：1绳轮；2绳卡支臂；3传感器支臂；4轮芯；5肋板；6筋板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明死绳固定器的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种偏心非等厚肋板和筋板组的死绳固定器，包括绳轮1、传感器支臂3、绳卡支臂2和轮芯4，绳轮1的中心设置有轮芯4，绳轮1的轴孔偏心距为0-40mm；轮芯4的圆周面设置有筋板6，筋板6的厚度为40-50mm；筋板6和绳轮1的内壁通过多个肋板5固定连接，多个肋板5均匀设置于筋板6的圆周面，肋板5的厚度为55-75mm；死绳固定器采用Q345E钢铸成。

优选地，绳轮1的轴孔偏心距为20mm；筋板6的厚度为45mm；肋板5的厚度为65mm。

另一方面，图2为本发明一种偏心非等厚肋板和筋板组的绳轮增强方法的流程图，如图2所示，本发明公开了一种偏心非等厚肋板和筋板组的绳轮增强方法，包括：利用有限元分析方法，分析死绳固定器中绳轮1轴孔偏心距、肋板5、筋板6参数对绳轮结构力学性能的影响，得到死绳固定器的等效应力最小值对应的绳轮1轴孔偏心距、肋板5、筋板6的优化参数；通过选取优化参数的附近值进行正交试验，得到优化参数的优选值。

实施例

本实施例运用ANSYS Workbench有限元分析软件，对现有的JZG41型死绳固定器的绳轮1进行静力学分析，计算得出最大等效应力值为351MPa,明显大于材料Q345E的屈服强度345MPa，不满足材料的强度要求，需要对绳轮1的结构进行增强或者改变结构参数。

通过对现有的JZG41型死绳固定器支臂总成焊接件进行有限元计算，得到死绳固定器绳轮1的应力与变形分布云图。

在绳轮肋板5厚度与筋板6厚度保持初始值不变的条件下，死绳固定器的最大应力值随着偏心距的增大，呈现先减小后增大的趋势，不同绳轮1偏心距下绳轮1的最大应力值、最大变形量如表1所示：

表1

从表1可以看出，绳轮1偏心距的改变对提高死绳固定器力学性能均有显著影响，在选定绳轮1偏心距中，死绳固定器绳轮1的最大应力值随着偏心距的增大，呈现先减小后增大的趋势，最大应力值分别为222.42MPa、214.53MPa、254.29MPa、258.07MPa、322.76MPa、351.39MPa和365.58MPa。绳轮1轴孔偏心距的增加，直接影响绳轮1等效应力。绳轮1轴孔偏心距为20mm时，最大等效应力最小，此时最大等效应力为214.53MPa，符合材料Q345E的屈服强度。因此，优化后的绳轮1偏心距取值为20mm。

在绳轮1轴孔偏心距与筋板6厚度保持初始值不变的条件下，死绳固定器绳轮的最大应力值随着肋板5厚度的增大，呈现先减小后增大的趋势，不同肋板5厚度下绳轮的最大应力值、最大变形量如表2所示：

表2

从表2可以看出，肋板5厚度的改变对提高死绳固定器力学性能均有显著影响，在选定肋板5厚度中，死绳固定器绳轮的最大应力值随着肋板5厚度的增大，呈现先减小后增大的趋势，最大应力值分别为332.77Mpa、300.19Mpa、258.35Mpa、240.60Mpa、236.80Mpa、和241.34Mpa。肋板5厚度的增加，直接影响绳轮1等效应力。肋板5厚度为65mm时，最大等效应力最小，此时最大等效应力为236.80Mpa，符合材料Q345E的屈服强度。因此，优化后的肋板5厚度取值为65mm。

在绳轮1轴孔偏心距与肋板5厚度保持初始值不变的条件下，死绳固定器绳轮的最大应力值随着筋板6厚度的增大，呈现增大的趋势，不同绳轮筋板6厚度下绳轮的最大应力值、最大变形量如表3所示：

表3

从表3可以看出，筋板6厚度的改变对提高死绳固定器力学性能均有显著影响，在选定筋板6厚度中，死绳固定器的最大应力值随着筋板6厚度的增大，呈现增大的趋势，最大应力值分别为344.16MPa、344.24MPa、347.83MPa、351.21MPa、352.88MPa、355.77MPa和358.45MPa。筋板6厚度的增加，直接影响绳轮1等效应力。随着筋板6厚度的增加，最大等效应力逐渐增大，从节约材料角度考虑选取筋板6厚度为45mm，此时最大等效应力为344.16MPa，符合材料Q345E的屈服强度。因此，优化后的筋板6厚度取值为45mm。

然后分别选取绳轮1偏心距20mm、肋板5厚度65mm、筋板6厚度45mm的附近值，通过正交优化，进一步减小死绳固定器受力薄弱位置的等效应力，当选用绳轮1偏心距为20mm、绳轮肋板厚度为65mm、筋板厚度为45mm参数组合时对应的最大等效应力为219.98MPa，绳轮1的等效应力由原来未优化的最大应力351MPa减小到219.98MPa，最大等效应力值减小37.3％。绳轮1偏心距、肋板5和筋板6的参数优化后JZG41型死绳固定器的力学性能增强效果明显，安全系数不小于1.2。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。