唐 劍，張 強(qiáng)，吳志超

（長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 黃岡 438300）

螺桿鉆具是目前在鉆井行業(yè)被廣泛使用的一種液壓機(jī)械。隨著油田開發(fā)深度不斷加大，鉆井難度越來越大，對螺桿鉆具的性能要求也越來越高。對螺桿鉆具的性能要求不斷提高，致使螺桿鉆具性能試驗(yàn)的頻次不斷增大，對螺桿鉆具試驗(yàn)臺的安全性要求也越來越高。為了提高試驗(yàn)安全性，本文對螺桿鉆具試驗(yàn)臺卡鉗進(jìn)行了設(shè)計研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用液壓卡緊方式設(shè)計的螺桿鉆具試驗(yàn)臺卡鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)臺工作時，利用左右兩個V型鉗座卡緊待測鉆具殼體；通過液壓油缸驅(qū)動鉗座在支撐軸上左右移動；通過牙板實(shí)現(xiàn)對待測螺桿鉆具殼體周向和軸向的卡持定位；通過螺釘將卡鉗的主要工作部件牙板固定在鉗座上，可定期檢查并更換損壞的牙板?？ㄣQ的夾持范圍可滿足Φ73～ Φ286 mm鉆具。

2 卡鉗的力學(xué)分析計算

當(dāng)V型卡鉗上的鉗牙夾緊螺桿鉆具殼體時，由于螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭力。根據(jù)卡緊的管柱力學(xué)條件可知：扭力與夾緊力產(chǎn)生的扭矩相等，受力情況如圖2所示。夾緊后，兩V型塊的表面產(chǎn)生徑向支反力FN1和FN2，F(xiàn)M和FM1分別為液壓油缸對左右V型塊產(chǎn)生的推力，且FM=FM1。

由左邊V型塊的力平衡方程可求出徑向支反力FN1

同理，由右邊V型塊的力平衡，可求出FN2

對于整個受力系統(tǒng)來講，根據(jù)卡緊管柱的平衡條件可得∑Mxy(F)=0

式中：D為被卡緊管柱直徑；F1為左V型塊與管柱表面之間的摩擦力，F(xiàn)1=FN1f；F2為右V型塊與管柱表面之間的摩擦力，F(xiàn)2=FN2f；F為鉗牙與管柱表面之間的“咬合系數(shù)”。

結(jié)合上式，施加在螺桿泵殼體的總徑向夾緊力為：

考慮動載荷系數(shù)K，實(shí)際的徑向夾緊力為：

取試驗(yàn)的最大扭矩M=15 kN·m，螺桿鉆具的最大直徑 D=286 mm，f=0.7，K=1.5，求得 FM=97.33 kN，F(xiàn)N1=FN2=56.18 kN。

求解單個夾緊鉗的夾緊力Fs：由于是用3組液壓夾緊鉗來卡持，則每臺卡鉗所分配的夾緊力。

3 卡鉗的有限元分析

3.1 液壓卡鉗受反扭矩作用時有限元分析

將卡鉗的三維模型導(dǎo)出格式為Parasoild(*，x_t)，導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，并創(chuàng)建靜態(tài)分析算例，選擇Sweep劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為10 mm?？ㄣQ材料為Q235鋼，性能指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺卡鉗材料的性能指標(biāo)

約束條件：將卡鉗與試驗(yàn)臺設(shè)置為6個螺栓連接的固定約束，將卡鉗承受扭矩作用時計算的卡緊力32.44 kN施加在卡鉗的鉗臂徑向接觸面上，將徑向反作用力施加在卡鉗的牙板上。

對卡鉗進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，單元大小為10 mm，總單元數(shù)為298926。根據(jù)約束及加載情況，對卡鉗進(jìn)行有限元分析，得到總體變形云圖、等效應(yīng)變云圖、等效應(yīng)力云圖，如圖3所示。

由總體變形云圖可知，在液壓卡鉗承受扭矩作用時，其變形最大的位置是牙板的上側(cè)，最大的變形量為0.311 83 mm。因此，在卡鉗被使用一段時間后，應(yīng)定期檢查卡鉗的牙板，及時更換損壞的牙板。由等效應(yīng)變云圖可知，最大的應(yīng)變值為0.001 43，其位置在卡鉗內(nèi)部兩根滑動軸上。由應(yīng)力云圖可知，卡鉗滑動軸產(chǎn)生了彎曲應(yīng)變，在與卡鉗兩側(cè)側(cè)板的接觸處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為185.75 MPa。

3.2 液壓卡鉗受軸向載荷時有限元分析

卡鉗受軸向載荷時，將卡鉗底部通過6個螺栓固定在試驗(yàn)臺底座上，將軸向載荷施加在卡鉗的牙板軸向方向上，將計算得出受軸向載荷時的卡緊力37.12 kN添加到鉗臂接觸面上，然后對卡鉗進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，單元大小為10 mm，總單元數(shù)為196 089。根據(jù)約束及加載情況，對卡鉗進(jìn)行有限元分析，得到總體變形云圖、等效應(yīng)變云圖、等效應(yīng)力云圖，如4所示。

由總體變形云圖可知，在液壓卡鉗承受軸向載荷時，其變形最大的位置是牙板的上側(cè)，且卡鉗整體向內(nèi)側(cè)偏移，最大的變形量為0.360 95 mm。同樣，卡鉗在使用一段時間后，應(yīng)定期檢查牙板的磨損情況，及時更換損壞的牙板。由等效應(yīng)變云圖可知，最大的應(yīng)變值為0.001 5，其位置在鉗座底部與試驗(yàn)臺底座的螺栓孔處。由應(yīng)力云圖可知，鉗座底部產(chǎn)生了彎曲應(yīng)變，且在試驗(yàn)臺底座螺栓孔處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為298.83 MPa。

4 結(jié)論

筆者設(shè)計了一種螺桿鉆具試驗(yàn)臺卡鉗，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行了力學(xué)分析及相關(guān)計算。設(shè)計的螺桿鉆具試驗(yàn)臺卡鉗對提高試驗(yàn)的安全性具有積極的意義，有助于相關(guān)新產(chǎn)品的研究開發(fā)和市場應(yīng)用。