基于SolidWorks与Workbench螺杆钻具传动轴设计与模态分析

王玥 高治理

1.东北大学 辽宁沈阳 110819；2.东软医疗系统股份有限公司 辽宁沈阳 110167

螺杆钻具是地质开采、地下管道工程的井下动力装置，大规模的应用于钻井工程领域中，是一种通过将钻井流体从压力能转换为机械能的能量动力转换装置[1]。

螺杆钻具在运转时，因为受载情况复杂多变，在旋转幅度较大情况下，载荷变化频繁，会影响轴的承载能力，所以应对其传动轴进行模态分析，评估是否发生共振，以验证设计是否合理。

1 基于SolidWorks 螺杆钻具传动轴设计

传动轴总长1350mm，最大外径210mm，结构主体由多段台阶轴构成，内部为通道，可保证流体通过，结构采用SolidWorks进行设计，设定其材料为42CrMo，材料具有高强度并能抵抗多次冲击的能力。弹性模量为212GPa，泊松比0.28。

图1 传动轴设计尺寸

2 螺杆钻具传动轴模态分析

2.1 模态分析理论

模态分析是为结构设计效果提供依据，为振动特性与故障诊断提供预报，模态机械结构的固有振动特性，是研究结构动力特性的一种方法，在经典力学理论中，动力学通用方程为[2-3]：

式中{x}为位移矢量，{F}为力矢量，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度系数矩阵。

模态分析由下面的方程求得：

式中[ωi]为振动频率，[φi]为模态。

2.2 基于Workbench 的传动轴模态分析

根据相关文献得出传动轴受力分析如下[4-5]：

转子轴向力G；

转盘转矩与马达驱动转矩；

侧向力Pa，作用在钻头上的实际钻压；

马达等其他部件轴向分力。

由于workbench建模能力较弱，将SolidWorks模型导入workbench中进行分析

设定分析条件为：密度ρ=7 8 5 0 k g/m3，屈服极限σs=930MPa。

网格划分：为提高网格质量，设置Relevance为75，定义相关性中心为Medium。

划分的单元数为7114，节点数为12345。

边界条件与载荷设定，以φ210mm、φ70、φ76mm，φ132mm内锥面为约束，对φ60mm圆柱外表面施加扭矩1200N·m与内部锥孔施加1000N，对φ160mm圆锥孔表面处施加200MPa轴向压力。

经过workbench运算，固有频率与振型表1

表1 螺杆钻具传动轴前六阶固有频率与振型

2.3 模态分析结论

因篇幅有限不列出振型云图，从表1数据看出从第一阶到第六阶的振型类型不同，根据振动稳定性原则，当某一零件本身的固有频率与激振源的频率重合或成整数倍关系时，零件就会发生共振。螺杆钻具额定转速在105-265r/min，工频0-5Hz，一阶转速为60×95551=5733.06r/min经过比较，固有频率大于工作频率5Hz，远高于螺杆钻具额定最高转速265r/min，发生共振概率很小。

3 结语

本文通过Solidwork对螺杆钻具传动轴进行了设计，通过建立有限元模型，导入workbench中对其进行了模态分析，得出了传动轴的6阶振型，确认了传动轴在工作中没有发生共振，验证了传动轴的设计是合理的，对于螺杆钻具传动轴的设计提供了一定的参考。