程馨冉

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安,710065;2.山西北方風(fēng)雷工業(yè)集團(tuán)有限公司,山西侯馬,043013）

淺談螺桿鉆具傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

程馨冉1,2

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安,710065;2.山西北方風(fēng)雷工業(yè)集團(tuán)有限公司,山西侯馬,043013）

螺桿鉆具中最為關(guān)鍵的部件便是傳動(dòng)軸，文章中利用有限元技術(shù)分析了傳動(dòng)軸在扭矩狀態(tài)下的應(yīng)力、變形狀態(tài)，指出了其存在的危險(xiǎn)部位，且在結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，得到了隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的應(yīng)力及變形曲線，為傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)提供了更多的參考依據(jù)。

螺桿鉆具；傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)；改進(jìn)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)對石油機(jī)械能及可靠性提出了更高要求。作為石油機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備，螺桿鉆具的傳動(dòng)軸卻經(jīng)常出現(xiàn)失效問題，影響了工作進(jìn)度，為此，優(yōu)化設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸具備十分重要的意義。

1 靜力學(xué)分析

傳動(dòng)軸存在動(dòng)力扭矩、軸向力以及側(cè)向力，受力情況較為復(fù)雜。且傳遞動(dòng)力扭矩很容易導(dǎo)致傳動(dòng)軸小徑出現(xiàn)斷裂問題，為此，生產(chǎn)期間應(yīng)利用大型有限元分析軟件與三維建模軟件進(jìn)行建模，并對傳動(dòng)軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

1.1 建立傳動(dòng)軸三維模型

傳動(dòng)軸主要承受繞旋轉(zhuǎn)軸方向的扭矩載荷，其結(jié)構(gòu)具備軸對稱特點(diǎn)，因此研究對象主要為整體模型的十分之一。為了提升萬向軸與傳動(dòng)軸動(dòng)力傳遞模擬的準(zhǔn)確性，可以引入部分水帽模型，并通過螺紋將其與傳動(dòng)軸進(jìn)行有效連接，并進(jìn)行有限元分析，之后簡化整件處理，且簡化后的傳動(dòng)軸三維實(shí)體幾何模型如下圖1所示。

圖1 傳動(dòng)軸有限元模型

1.2 有限元網(wǎng)絡(luò)劃分

傳動(dòng)軸幾何模型較為復(fù)雜，因此應(yīng)采用自動(dòng)生成的四面體單元模型，利用剛性單元模擬馬達(dá)傳遞至傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩動(dòng)力載荷，并劃分單元數(shù)與點(diǎn)數(shù)。

1.3 邊界條件與材料屬性

利用40C1N1M0A材料制作傳動(dòng)軸，設(shè)置835千帕的屈服極限。由金屬材料特點(diǎn)以及上述基本假設(shè)可知，此制作材料屬于各向同性材料，具備線彈性。對此，應(yīng)在大型有限元分析軟件設(shè)置材料的基本屬性，比如密度為7850千克每立方米；泊松比為0.3。

根據(jù)企業(yè)所給參數(shù)可知，5LZ95A×7.0LL型號的螺桿鉆具的輸出扭矩為833牛，且最大扭矩為1180牛。對此，應(yīng)對模型水帽端施加扭矩為1180牛的力，且固定傳動(dòng)軸的大頭端面，最終的物理模型為圖2所示。

圖2 傳動(dòng)軸物理模型

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

在大型有限元分析軟件中提交傳動(dòng)軸的物理模型，水帽與傳動(dòng)軸連接處的最大應(yīng)力為628兆帕，且實(shí)際調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，螺桿鉆具經(jīng)常在此處出現(xiàn)問題，由此可見計(jì)算結(jié)果的正確性。除了此處存在較大應(yīng)力，傳動(dòng)軸直徑較小的區(qū)域應(yīng)力也較大[1]。上述結(jié)果產(chǎn)生的條件是傳動(dòng)軸處于理想的運(yùn)行狀態(tài)，且載荷力作用均勻，而考慮到集中應(yīng)力、交變載荷等影響因素，則還需要確定傳動(dòng)軸的疲勞失效安全系數(shù)，將相關(guān)參數(shù)信息帶入疲勞失效安全系數(shù)計(jì)算公式中得到其安全系數(shù)為2.5，這表明傳動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度符合基本的生產(chǎn)需求。這些結(jié)果分析基于近似條件下，在實(shí)際工作過程中，傳動(dòng)軸運(yùn)行期間所受載荷十分復(fù)雜，既受到軸向力與側(cè)向力的影響，也存在扭矩作用，因此載荷力存在較大不確定性。同時(shí)，傳動(dòng)軸的運(yùn)行環(huán)境也十分惡劣，且實(shí)際制造與使用過程中，很可能受各種因素的影響而出現(xiàn)缺陷與損壞，因此分析結(jié)果也并非完全理想。而實(shí)際調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，螺桿鉆具廠傳動(dòng)軸經(jīng)常發(fā)生斷裂問題，尤其在兩螺紋交口處更為嚴(yán)重，為此，應(yīng)有效改善其結(jié)構(gòu)體系。

2 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

在結(jié)合上述分析結(jié)果的情況下，結(jié)合螺桿鉆具實(shí)際運(yùn)行情況，對傳動(dòng)軸提出了三種改進(jìn)方案。

2.1 改進(jìn)方案

螺桿鉆具屬于井下動(dòng)力鉆具，主要用于中曲率造斜方面，為了確保足夠的造斜率，應(yīng)有效壓縮萬向軸客體彎點(diǎn)，直至其接近鉆頭，且還需要設(shè)計(jì)軸向尺寸較小的傳動(dòng)軸總成?；诖?，方案1應(yīng)縮短傳動(dòng)軸長度。由傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，縮短傳動(dòng)軸長度只可以用于小徑段方面，且受外殼尺寸等限制因素的影響，總體的縮短距離不得超過20毫米。

在不改變傳動(dòng)軸整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，縮短小徑段長度，其最大應(yīng)力與變形變化曲線呈現(xiàn)一定規(guī)律性。對于應(yīng)力曲線，縮短長度在5毫米內(nèi)，曲線呈上升趨勢，而在5至15毫米內(nèi)，曲線保持不變，大于15毫米后，曲線依然呈上升趨勢，但斜率小于5毫米內(nèi)的曲線斜率。對于變形變化曲線，縮短長度在5毫米內(nèi)，其曲線呈下降趨勢，縮短長度大于5毫米后，曲線保持不變。這說明縮短傳動(dòng)軸小徑長度，在增大傳動(dòng)軸抗扭性方面存在利弊，雖然可以減小變形但也增大了應(yīng)力。

2.2 改進(jìn)方案

方案2主要增強(qiáng)傳動(dòng)軸的靜剛度，且提升其抗疲勞強(qiáng)度，因此應(yīng)適當(dāng)增大小徑半徑。與上述情況相同，受傳動(dòng)軸總成外殼尺寸的限制，現(xiàn)有的小徑直徑最大增加量也只是5毫米。在減小傳動(dòng)軸小徑長度20毫米的基礎(chǔ)上，增大小徑半徑時(shí)，最大應(yīng)力與變形變化曲線也呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。對于傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力，隨著小徑半徑的增大，最大應(yīng)力呈現(xiàn)出下降趨勢。對于變形變化曲線，隨著小徑半徑的增大，曲線也呈下降趨勢，且下降幅度大于最大應(yīng)力曲線。綜合改進(jìn)方案1與方案2可以發(fā)現(xiàn)，在不改變傳動(dòng)軸基本條件的前提下，傳動(dòng)軸小徑半徑越長，半徑越大，且最大應(yīng)力越小，傳動(dòng)軸的安全系數(shù)越高，使用壽命也越長。

2.3 改進(jìn)方案

方案3主要分析傳動(dòng)軸的危險(xiǎn)處，分析傳動(dòng)軸的靜力扭矩可以看出，其小徑兩溝槽處的應(yīng)力更為集中。而其零件受到周期性的變化應(yīng)力以及沖擊載荷力的影響時(shí)，無論塑性或脆性的結(jié)構(gòu)材料，集中應(yīng)力都會(huì)影響傳動(dòng)軸強(qiáng)度，從而破壞零件，而解決此問題可以有效緩解傳動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度，提升運(yùn)作的安全性。

分析傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)與工作原理可以發(fā)現(xiàn)，其水帽與軸承動(dòng)圈處于同步運(yùn)行狀態(tài)，將水帽與軸承動(dòng)圈作為一個(gè)運(yùn)行整體也不會(huì)影響其本來的功能性。利用此種設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)后傳動(dòng)軸承的最大應(yīng)力由之前的62.8兆帕降低至45.3兆帕，且在改進(jìn)前傳動(dòng)軸承的兩螺紋交接處存在明顯的應(yīng)力集中問題，而在改進(jìn)后，此問題得到了有效緩解，這也說明溝槽引起的應(yīng)力集中問題會(huì)為傳動(dòng)軸的部件帶來較大危害[2]。

綜上三種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案可以看出，完善后的傳動(dòng)軸消除了小徑的兩個(gè)溝槽，在其他幾何尺寸不變的情況下，其長度保持不變，半徑增大了5毫米。最終得到應(yīng)力及變形結(jié)果，改進(jìn)后的傳動(dòng)軸消除了應(yīng)力集中問題，且最大應(yīng)力與最大變形得到了有效降低，傳動(dòng)軸的強(qiáng)度與剛度得到了大幅度提升。

3 結(jié)束語

實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)軸小徑端越長、半徑越大，且最大應(yīng)力越小的情況下，傳動(dòng)軸的使用壽命越長，且安全性較高。而相較小徑段長度而言，小徑半徑變化更容易影響傳動(dòng)軸的應(yīng)力。同時(shí)，充分結(jié)合軸承動(dòng)圈與水帽可以有效緩解應(yīng)力集中問題，降低了最大應(yīng)力。實(shí)際生產(chǎn)過程中充分結(jié)合上述建議，則不必改變傳動(dòng)軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料便可以獲得最佳的尺寸與結(jié)構(gòu)。

[1]陳思,郭東濤,孫玉龍.螺桿鉆具的研究進(jìn)展及變化趨勢[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)理工卷.2010(03).

[2]王俊濤,譚春飛,王莉萍,李幫軍.螺桿鉆具傳動(dòng)軸失效分析與提高壽命措施探討[J].西部探礦工程.2010(05).

Structural analysis and improvement design of driving shaft for screw drilling tools

Cheng Xinran1,2
(1.Xi’an Petroleum University,Xi’an Shaanxi,710065;2.North Shanxi Fenglei Industrial Group Co. Ltd,Houma Shanxi,043013)

Screw drill is the most important part is the drive shaft by using the finite element method based on the analysis of drive shaft stress in torque under the condition of deformation, points out the dangerous parts of its existence, and in combination with the actual production requirements, put forward the corresponding improvement scheme, are analyzed. With the structure parameters of stress and deformation curve, and provide more reference basis for the design of drive shaft.

screw drilling tool; drive shaft structure; improved design