摘 要：注水管內(nèi)壁切削除垢技術(shù)是一種機(jī)械除垢方式，能有效地增大注水管工作內(nèi)徑，從而提高注水效率。相對于化學(xué)除垢以及高壓水射流除垢，機(jī)械除垢更加環(huán)保、操作更加方便，除垢效果也更加顯著。根據(jù)垢物切削機(jī)理模型的特點(diǎn)，對所設(shè)計的刀具進(jìn)行有限元分析。對注水管結(jié)垢試件進(jìn)行了切削除垢試驗(yàn)，為進(jìn)一步改進(jìn)刀具提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工注水；切削除垢；脆性材料；刀具；應(yīng)力分布

引言

在石油開采過程中，為提高原油采收率常常利用人工注水或注氣的方法，增補(bǔ)油藏能量使原油得到連續(xù)開采，所采用的人工注水方法會使注水管內(nèi)壁形成垢物，導(dǎo)致工作管徑縮小，影響注水效率。國內(nèi)外對管內(nèi)壁除垢技術(shù)展開了大量研究，這些研究主要集中在化學(xué)除垢和高壓水噴射除垢方面，而在機(jī)械除垢方法研究相對較少，故通過對脆性材料切削機(jī)理的研究及設(shè)計合適的切削裝置，對注水管內(nèi)壁切削除垢技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究，進(jìn)而提高注水管除垢的效率和可靠性，這對于注水管內(nèi)壁除垢技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義[1]。

1 注水管內(nèi)壁切削除垢刀具設(shè)計

除垢器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由切削裝置、磨銑裝置、傳動裝置、密封扶正裝置組成。這里將針對切削裝置的刀具進(jìn)行研究分析，提高刀具切削性能。刀具是切削除垢系統(tǒng)的核心部分，刀具結(jié)構(gòu)決定了切削除垢過程應(yīng)力、應(yīng)變的變化效果，以及除垢能力的強(qiáng)弱等因素[1、2]。考慮到切削除垢對象為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，垢物粘接在注水管內(nèi)壁，呈凹凸起伏，不均勻狀，適合于深孔鏜削作業(yè)，因此除垢刀具設(shè)計參照深孔加工刀具來進(jìn)行設(shè)計。

本除垢器內(nèi)部安裝的渦輪轉(zhuǎn)子在動力液的作用下轉(zhuǎn)動，并產(chǎn)生扭矩，帶動主軸轉(zhuǎn)動。主軸端部與除垢刀具連接，帶動其旋轉(zhuǎn)，對注水管結(jié)垢進(jìn)行清除。

2 刀片材料的選擇

考慮到被加工材料為脆性材料，即其主要成分為CaCO3，結(jié)構(gòu)分布不均勻，大部分呈致密分布，同時伴隨有明顯氣孔產(chǎn)生[3]。根據(jù)砂巖力學(xué)性能分析，其抗拉強(qiáng)度為4～25MPa，該材料為脆性材料，切屑形態(tài)為蹦碎切屑，因此，對于除垢刀具的刀片材料應(yīng)選擇強(qiáng)度高的硬質(zhì)合金材料，這里選擇刀具材料為YG8。該材料抗彎強(qiáng)度不低于20MPa，因此，可以滿足被加工材料的要求[4、5]。

3 刀具結(jié)構(gòu)靜力分析

3.1 切削力分析

以所設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)為依據(jù)進(jìn)行受力分析。由于刀具結(jié)構(gòu)完全對稱，兩個刀齒上所受的切削力Fz和Fy理論上完全抵消，此時刀具上只有兩個刀齒所承受的軸向切削力Fx，F(xiàn)z和Fy產(chǎn)生的導(dǎo)向塊軸向摩擦力和摩擦扭矩，以及Fz產(chǎn)生的切削扭矩MF，其受力簡圖如圖2所示。

依據(jù)空間一般力系的平衡條件列X軸的平衡方程，得：

依據(jù)空間一般扭矩的平衡條件列圓周方向的平衡方程，得：

由摩擦力公式可以得到：

式中：Fx總-總支軸向力；M總-總支扭矩；Fx-軸向切削力分量；Ff1、Ff2-導(dǎo)向塊1和2上的軸向摩擦力；Ffx1、Ffx2-導(dǎo)向塊1和2上的正壓力；Fn1、Fn2-導(dǎo)向塊1和2上的周向摩擦力；μ1、μ2-導(dǎo)向塊1和2與孔壁的摩擦系數(shù)

3.2刀具網(wǎng)格劃分

首先，對模型材料進(jìn)行參數(shù)的定義，其包括單元類型、單位制、材料的特性等。在單位制的制定中，在保證單位統(tǒng)一的前提下，可以使用任一種單位制。材料的性質(zhì)參數(shù)被稱作材料特性，進(jìn)行分析前，首先要定義材料的彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)。除垢刀具使用的材料是高速工具鋼，材料參數(shù)特性如表1所示。

表1 高速工具鋼材料特性

選取合適的單元類型是有限元分析的前提，文章選取solid45單元，該單元用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，單元由8個節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成，每個節(jié)點(diǎn)有x、y、z 3個方向的自由度。具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變的特征，可以獲得簡化的綜合的微控選項(xiàng)，滿足刀具的分析要求。考慮到刀具在切削過程中刀片與試樣直接接觸，預(yù)期接觸面上應(yīng)力達(dá)到最大值，故網(wǎng)格劃分時對刀片處加密，劃分網(wǎng)格后的效果如圖3所示。

3.3 加載及求解

結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域，用于求解外加載荷引起的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。當(dāng)有限元模型建立后，各單元的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可根據(jù)塑性力學(xué)的應(yīng)變增量理論寫為：

式中；ε-應(yīng)變，Pa；dε-以張量表示的應(yīng)變增量，Pa；σ-應(yīng)力，Pa；dσ-應(yīng)力增量，Pa；σ'ij-應(yīng)力導(dǎo)數(shù)；P-平均主應(yīng)力，Pa；δ-質(zhì)點(diǎn)位移，μm；E、G、μ-分別為彈性模量、剛性模量和泊松比

用矩陣表達(dá)式，各元素結(jié)點(diǎn)的力增量{dF}與結(jié)點(diǎn)的位移增量{dδ}之間的關(guān)系即剛度方程，可表示為：

式中：[B]-應(yīng)變-位移矩陣，定義為： ；[D]-應(yīng)力-

應(yīng)變矩陣，定義為： ；Δ、aw-微元素元面積和厚度；

[KG]-圖形非線性修正項(xiàng)。

整體應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)是根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的位移增量和應(yīng)力增量，以及每個單元上的平均應(yīng)變和應(yīng)力而得到的，通過考慮特定的邊界條件解方程求解得到，根據(jù)以上分析方法，當(dāng)前處理合適時，就可以得到較為理想的數(shù)值解。

3.4 約束及求解

根據(jù)刀具工作時的裝夾方式，即在刀具柄部外表面的軸向圓柱面上施加全位移約束，使得刀具不能在軸向和徑向發(fā)生竄動和跳動。另外，簡化刀具受力情況，施加載荷時假設(shè)切削力作用在主切削刃上，給一定切削力大小，通過有限元求解得到對刀具工作過程中的應(yīng)力變化情況，如圖4所示。

從應(yīng)力結(jié)果圖可以看出，刀具應(yīng)力由外到內(nèi)逐漸減小分布，最大應(yīng)力集中在刀具主切削刃處。通過對刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，一方面可以得到刀具受力時，其應(yīng)力分布情況，以及其最大受力點(diǎn)；另一方面，當(dāng)?shù)弥毒呔唧w受力大小時，可以通過加載相應(yīng)載荷以得到其是否超過刀具彎曲強(qiáng)度，使刀具變形。

4 結(jié)束語

（1）結(jié)合物相分析理論針對垢樣成分進(jìn)行分析，從結(jié)垢管線解剖情況來看，管線結(jié)垢呈現(xiàn)兩種形式：一種是堅(jiān)硬致密的結(jié)垢物，其主要成分為CaCO3；另一種是與致密結(jié)垢物混合附著在注水管內(nèi)壁的雜質(zhì)，其成分為砂土、松軟油泥等。（2）通過對刀具結(jié)構(gòu)的靜力分析可以得出，刀具在靜態(tài)條件下受指定載荷作用時的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，即刀具應(yīng)力由外到內(nèi)逐漸減小分布，最大應(yīng)力集中在刀具主切削刃處。（3）通過對帶垢注水管進(jìn)行建模，用ANSYS軟件對注水管內(nèi)壁進(jìn)行應(yīng)力分析，從應(yīng)力云圖可以看出垢物受力由里向外逐漸減小，并且最大應(yīng)力出現(xiàn)在與刀具接觸的接觸面內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉德，研究方向：機(jī)械制造及其自動化。