0引言
JC90DB绞车是我公司自行研制的新产品，该绞车为单滚筒轴结构，滚筒为整体开槽式，为确保滚筒使用的可靠性，对其进行设计与分析。
1设计参数
滚筒最大快绳拉力640kN
滚筒钢丝绳直径ϕ45mm
2设计原则
根据API7K的要求，绞车的主载荷路径零部件应仅限于主滚筒刹车工作时承受快绳载荷的零部件。
3滚筒的参数确定
3.1滚筒的结构类型选择
滚筒结构采用三部分焊接结构，即滚筒体、左轮毂、右轮毂，右轮毂外侧铸有钢丝绳固定装置，并在其对侧轮毂焊接有平衡块，轮毂与滚筒轴的联结采用键装静配合。滚筒体和轮毂的材料分别为35CrMo
、ZG35CrMo，按照先进的焊接工艺，这两种材质焊接在一起时，母材与选定焊条的熔合性强，根据力学性能实验显示，焊缝的抗拉、弯曲等强度高，其焊接成品率可达100%。
3.2滚筒直径D1与滚筒长度L的计算
D1主要是根据钢丝绳的结构和直径的大小来决定，总的原则是在不使钢丝绳过分弯曲的前提下，将D1设计的偏小一点，这对减轻绞车的重量，减小绞车的启动载荷都有好处。对于钻井绞车
D1=（20~30）d d———钢丝绳直径，mm
则D1=（20~30）×45=（900~1350）mm
按照上述原则及经验，取D1=1060mm。
对于绞车长度的设计，一般满足API要求缠绳不超过4层的前提下，越小越好。
根据美国绞车设计经验：
L=（1.26~2）D1，mm
=（1135~2120）mm
通过比较分析及经验，L取1830mm，确定L后，再计算快绳的倾斜角，验算L设计的合理性。
L=2Htanλ（1）式（1）中：
H———滚筒轴中心到天车快绳轮中心的距离；λ———快绳的倾斜角，λ=1.25°~1.5°
通过计算，λ=1.92°，因为此滚筒为开槽滚筒，允许λ⩽2°。
所以滚筒长度符合要求。
4滚筒强度校核
由于滚筒上的里巴斯绳槽为双折线绳槽，钢丝绳对滚筒体的挤压力作用在绳槽上，考虑到绳槽是均布的，且绳槽间间隙较小，在滚筒建模时，精确建立里巴斯绳槽是非常麻烦且没有必要的，因此有必要对滚筒进行模型简化。在模型简化时对滚筒做如下假设：
①滚筒厚壁筒服从弹性力学胡克定律，材料均质且各向同性。
②绕在滚筒上的里巴斯螺旋绳槽简化为圆环。
③同一圆环上钢丝绳的张力为常数，压力均匀分布，忽略钢丝绳与滚筒绳槽间的摩擦。
④忽略出绳口、刹车盘与轮毂连接螺栓孔、键槽等对滚筒应力影响较小的因素。
⑤钢丝绳对滚筒侧板的挤压力视为均布载荷。
由于滚筒结构具有对称性，在建模时，取滚筒的二分之一结构简化模型，这样既节省计算资源又能够真实反映实际情况。
4.1滚筒的理论强度校核
JC90DB绞车滚筒的设计与分析
Design and Analysis of JC90DB Drawworks Drum
于艳花YU Yan-hua
（胜利油田高原石油装备有限责任公司钻机制造厂，东营257513）
（Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co.，Ltd.Drilling Machine Factory，Dongying257513，China）摘要：滚筒是绞车的重要承载部件，它的强度对绞车乃至整个钻机的安全可靠性都至关重要。由于滚筒通过钢丝绳多层缠绕传递拉力，滚筒的受力情况比较复杂，通过理论计
算对滚筒进行设计与分析，再与滚筒ANSYS综合分析的结果进行比较，准确地把握滚筒工作时的应力分布状态以及危险情况，分析各因素对滚筒应力的影响，为滚筒的改进设计提供参考。
Abstract:Drawworks drum is an important load-bearing part.Its strength is critical to the safety and reliability of the drawworks and the entire rig.Because the drum transmits the pulling force through the multi-layer winding of the wire rope,the stress on the drum is complicated.The drum is designed and analyzed through theoretical calculation,and then compared with the results of the comprehensive analysis of the drum ANSYS.We need ti accurately grasp the stress distribution state of the drum during operation and the dangerous situation,analyze the influence of various factors on the drum stress,and provide reference for the improved design of the drum.
关键词：滚筒；设计；强度；ANSYS
Key words:drum；design；strength；ANSYS
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作者简介：于艳花（1984-），女，本科，中级工程师，从事石油钻机
传动部件设计研发工作。
滚筒是一个厚壁筒，在工作过程中主要承受如下作用力：由快绳拉力P 对滚筒体产生的载荷有弯矩M 、转矩T 、钢丝绳对滚筒壁的径向压力p l 以及钢丝绳对侧板的轴向挤压力F N 。在较短的厚壁筒中，弯曲应力可以不予考虑。而径向压力p l 在筒壁产生的压应力却很大，是强度计算的侧重点。对于多层缠绕的绞车，钢丝绳对侧板的挤压力
分析也是很有必要的。
滚筒载荷计算：
①筒壁径向压力的计算。
根据滚筒单元
的力的平衡方
程式[1]
（2）得：
（3）
该式为滚筒上缠绕一层钢丝绳时钢丝绳对滚筒体的
径向压力。式中D 筒为筒体外径，S 为绳槽节距。
图1
滚筒单元体的力的平衡
JC90DB 绞车，
筒体外径D 筒=1060mm ，节距S=47mm ，最大钩载下的
快绳拉力P=640kN 带入式（3）得：p l =25.692MPa 多层钢丝绳对
滚筒体的径向压力计算公式为：（4）式中，A 为滚筒钢绳多层缠绕系数（见表1）表1滚筒钢绳多层缠绕系数
缠绳层数12345多层缠绕系数  1.0  1.4  1.82  2.15JC90DB 绞车最大缠绳层数为4层，根据式（4）得到滚
筒缠绳4层时对滚筒的径向压力为p 4=Ap l =2×25.692=
51.384MPa 此时，快绳拉力对滚筒产生的压力最大。②轮毂侧板轴向挤压力的计算。钢丝绳多层缠绕时，每当钢丝绳缠绕至滚筒端部最后
一圈，并向新的一层过渡时，由于钢丝绳对滚筒轮毂侧板
的楔入，对侧板产生了轴向压力。多层缠绕时钢丝绳对侧板产生的轴向挤压力可参考《层间过渡时钢绳对滚筒轮缘的挤压力》中的推导方法[3]进行计算。参考中的推导算法适用于钢丝绳自然爬坡过渡情况，JC90DB 绞车第三四层缠绳对侧板的挤压力可直接采用该算法进行计算；而左轮毂在第二层钢丝
绳爬坡处焊有反转楔，用以改善钢绳的运动状态和受力情况，减小钢绳对轮毂的挤压和磨损。根据《层间过渡时钢绳对滚
筒轮缘的挤压力》推导出第二层焊有
反转楔处的爬坡公式：
（5）
而钢丝绳第三四层则引用
（6）
图2层间过渡时钢丝绳位置图
1-左轮毂侧板2-反转楔3-第二层钢丝绳4-第一层钢丝绳
式中：
ω为两钢丝绳截面中心线与水平线夹角；φ为滚筒转角。
从最终考虑摩擦影响时钢丝绳对滚筒侧板挤压力公式看，在最大快绳拉力及滚筒结构确定情况下，挤压力仅与ω有关。
实际上，第二层钢丝绳在第二次爬坡时对滚筒侧板的挤压力在该段转角内（即0~27.5°）逐渐减小至一较小值（可忽略不计）。为计算简便，考虑挤压力的压力分布曲线，取φ=π/12时的压力中间值估算。将挤压力简化为沿0~360°圆周方向作用的均布集中力，将φ=π/12分别带入公式（5）、（6）中，则
第2层钢丝绳：tan ω=4.22
第3、4层钢丝绳：tan ω
=0.3
（7）
式中，F Ni 为钢丝绳对侧板的轴向挤压分布力；P=
640kN 为最大快绳拉力；R i 为第i 圈钢丝绳缠绕下的绳圈
半径；
R 2=593mm ，R 3=633.5mm ，R 4=674mm ；
f P 为钢丝绳与侧板间的摩擦系数，取f P =0.15。
f F 为钢丝绳与钢丝绳间的摩擦系数，根据润滑情况的
不同，钢丝绳间的摩擦系数f F 一般在间取值。本文取f F =
0.12。
带入式（7）得：
F N2=0.12kN/mm ，F N3=1.73kN/mm ，F N4=1.62kN/mm 。
由于多层缠绕时，被覆盖的钢丝绳的张力会降低，但
考虑到钢丝绳对侧板的轴向挤压分布力在钢丝绳开始爬
坡时非常大，因此上述计算将钢丝绳张力视作定值简化计算是可取的。4.2滚筒有限元分析4.2.1载荷计算滚筒转矩
T （8）
式中：D 平为滚筒缠绳的平均直径计算得：T=393kN ·m
4.2.2滚筒有限元模型的建立对滚筒建模及划分网格如图3。4.2.3载荷加载与边界条件①载荷加载。1）钢丝绳缠满时滚筒体的径向压力p 4，该压力均匀分布在绳槽上。
2）最大快绳拉力作用在滚筒体上的转矩T ：将转矩加载在钢丝绳出绳圈的绳槽上。
3）钢丝绳对侧板的轴向挤压力F N ：将轴向挤压力简化为沿0~π/4圆周方向作用的均布力，即钢丝绳的爬坡阶段。滚筒缠绳为4层，在钢丝绳的3个爬坡过程中，第
1次和第3次爬坡在滚筒同一侧侧板，第2次在滚筒另一侧侧板。
②边界条件。
1）轮毂与轴接触的部位刚固。2）轮毂与轴接触的部位为铰接，轮毂与轴套接触面无
轴向移动。
3）滚筒体剖面处施加对称约束。
4.2.4计算结果
由于绞车滚筒为厚壁筒，厚壁筒的应力可分为一次
薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和应力集中引起的
峰值应力叠加而成。危险截面为过最大应力点、沿破坏
趋势最明显的截面。此截面的薄膜应力（P m ）、薄膜应力+
弯曲应力（P b ）和总应力（P m +P b +Q ）应分别满足下列各式
要求：
（9）其中，S m =σb /3.0。
滚筒在最大钩载工况下静力计算结果如图4、图5所示。其中，图4为Von Mises 等效应力，图5为总位移。从图中可以看出，滚筒筒体在离侧板约1/4处出现了
最大等效应力，说明这两个截面为危险截面。本文选取在
该截面上过最大应力点，沿破坏趋势最明线的直线定义路径。图6和图7分别为危险截面过最大应力点的两条路径上的应力分布曲线。
截面处滚筒体材质为35CrMo ，σb =980MPa ，σs =835MPa 。
S m =σb =/3.0=980/3.0=326.67。
由表2可以看出，除P m 值外路径1上各项应力值均较路径2大，说明筒体危险截面出现在了距左端约1/4处。将各应力最大值带入式（9）中得到应力校核式如下
：
（10）
图3滚筒网格
图
图4Von
Mises 等效应力
图5总位移
图6路径1
应力分布
90设计网图7路径2应力分布
表2滚筒路径各应力值(MPa )
路径薄膜应力弯曲应力薄膜应力+弯曲应力
总应力12
P m 325.6326.98
P b 393.22307.09
P m +P b 360.53356.8
P m +P b +Q 361.88359.44
此应力值是根据最大快绳拉力计算而得的结果，则滚筒安全系数⩾1即满足要求。但考虑到即使滚筒内壁缠绳局部塑性变形时，滚筒仍能正常工作以及减轻重量，安全系数可以取小些。
故由式（10）可以看出，筒体满足强度要求。5结果分析
①理论计算与有限元计算比较可以看出，常规校核计算应力比有限元计算结果小，这主要是由于常规校核将滚筒体简化为光筒结构，没有考虑绳槽对整个滚筒受力的影响。常规校核往往只考虑挤压应力，忽略了钢丝绳对滚筒侧板的挤压力。
②由分析结果可以看出，滚筒受载时筒体受较大的压应力，但其内壁最大压应力并不出现在滚筒中间
位置，而是出现在距离侧板约1/4的位置上，一般的，该位置距离轮毂与筒体焊接部位较近，因此应格外注意焊接质量，提高此部位的力学性能。
③滚筒的最大应力出现在了轮毂内侧与筒体接合部位，说明在钢丝绳径向压力作用下，该部位出现了应力集中。通过改变滚筒结构重新分析得知，增大该处的铸造圆角，有助于减小应力集中现象。而通过在轮毂内部增加筋板的方法则不能改善应力集中问题，反而会在筋板处产生更大的应力集中问题。
④从计算结果看，未缠绕到滚筒上的钢丝绳的拉力造成的弯矩和转矩对结果的影响不大，而缠绕在滚筒上的钢丝绳拉力对筒体产生的径向压力对滚筒的应力起决定性作用。钢丝绳爬坡楔入处对侧板的挤压力对滚筒的应力有较大影响，考虑钢丝绳挤压力时滚筒该处应力是不考虑该挤压力时的3.1倍。而且，考虑到钢丝绳刚楔入时对侧板的压力非常大，因此，有必要加强侧板尤其是爬坡处的侧板的机械性能。这也同时说明了反转楔的作用，不仅是对钢丝绳走向的引导，同时，非常有效地减小了钢丝绳爬坡过程中对侧板产生的挤压力，增强了滚筒的强度。建议钢丝绳的楔入位置包括反转楔位及其相对应的绳槽处局部
0引言
转向架是列车的关键组成部件，负责支撑车体，承受和传递列车运行所需的转矩及载荷，保证列车具有良好的运行品质以及足够的安全可靠性[1]。动力转向架主要由构架、动力设备、弹簧支撑及减振装
置、轮对、制动减速装置、轴箱体等组成。齿轮箱是动力转向架的重要组成部分，负责对动力设备提供的转矩降速增扭，并传递给车轴，带动列车运行。齿轮箱的从动齿轮通过过盈配合的方式连接在车轴上。过盈量过小时，其不能为列车前进传递足够的动力；过盈量过大时，导致零件材料局部发生大面积屈服以致零部件破坏。高铁车轴与齿轮的过盈配合选择是典型的非线性接触问题，有限元在处理这类问题上具有明显的优势[2-6]。
该文以某高铁齿轮箱为例，运用经典力学与非线性有限元对车轴齿轮与的过盈配合选择做了计算和分析。
1经典力学分析
在齿轮与车轴的过盈配合中，当需要传递的转矩为T 时，则应保证在此转矩的作用下轮轴不发生滑移[7]。配合面间的径向压强产生的摩擦阻力矩M f，如公式（1）所示。
（1）
式中：i—齿轮箱的传动比。
此时，配合面的径向接触压强P，计算方法见公式（2）
。
（2）式中：K—安全系数；
F a—齿轮承受的轴向力；
d—轮轴配合平均直径；
f—配合面的摩擦系数；
l—过盈配合接触宽度。
以某高铁齿轮箱为例，联轴器最大滑移扭矩为8000Nm，传动比为5.389，齿轮承受的轴向力为50669N，配合平均直径为219mm，配合宽度为120mm，摩擦系数为0.125，安全系数为1.5。经计算，配合面的径向接触压强P≥57.70MPa。
因齿轮的外缘结构不规则，将其假设成型心在同一条直线上的若干圆柱的集合体。其直径与宽度的对应关系如表1所示。
表1齿轮外缘与宽度对应关系/mm
外缘直径241262619262241
宽度1911701119
经计算，齿轮的当量外缘直径d A为335mm。又因车轴内部直径d0为0。根据DIN7190标准[8]，齿轮与轴的直径
高铁车轴与齿轮过盈配合计算与分析
Interference Fit Calculation and Analysis of Axle and Gear in a High-speed Gearbox
高旺GAO Wang；付赟秋FU Yun-qiu；张辙远ZHANG Zhe-yuan
（中车北京南口机械有限公司轨道传动研究所，北京102202）
（Rail Drive Research Institute，CRRC Beijing Nankou Co.，Ltd.，Beijing102202，China）摘要：高铁齿轮箱具有降速增扭的作用，其齿轮与车轴间的过盈配合非常关键。运用DIN7190标准和有限元方法对高铁车轴与齿轮过盈配合进行力学分析计算，得到了在极限配合尺寸下的各部件接触压强与应
力分布规律。计算结果表明，该配合设计在足够的安全裕度下保证了动力传递且不发生滑移。该研究为高铁齿轮箱过盈配合的设计提供了一定的理论基础和技术支撑。
Abstract:High-speed gearbox increases torque and decreases velocity,so the interference fit between the gear and axle is very critical.The mechanics analysis and calculation of the interference fit is done according to DIN7190standard and finite element method (FEM),and the distribution law of the contact pressure and stresses under the limit dimension is found.The results indicated that the fit design can transmit the torque without slip under the enough safety coefficient.This study provides a certain theoretical basis and technical support for interference fit determining of high-speed gearbox.
关键词：高铁齿轮箱；过盈配合；接触压强；应力
Key words:high-speed gearbox；interference fit；contact pressure；stress
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作者简介：高旺（1992-），男，河北保定人，硕士，助理工程师，主
要研究方向为轨道交通齿轮箱设计与仿真；付赟秋
（通讯作者）（1984-），男，硕士，工程师，主要研究方向
为轨道交通齿轮箱仿真与可靠性分析。
强度和硬度加强处理。
⑤从应力分布来看，滚筒筒体的应力水平较高，材料充分利用，厚度方面减小的空间不大；侧板的应力水平较低，但考虑到钢丝绳对侧板的轴向挤压力对侧板局部造成的破坏较严重，对侧板厚度的缩减应慎重。
参考文献:
[1]赵怀文，陈智喜.钻井机械[M].北京：石油工业出版社，1995，88-90.
[2]杨厚华.层间过渡时钢绳对滚筒轮缘的挤压力[J].现代机械，2000（1）：73-75.