唐 劍，張 強(qiáng)，吳志超

（長(zhǎng)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(kāi)發(fā)深度不斷加大，鉆井難度越來(lái)越大，對(duì)螺桿鉆具的性能要求也越來(lái)越高。對(duì)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(duì)螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)的安全性要求也越來(lái)越高。為了提高試驗(yàn)安全性，本文對(duì)螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)卡鉗進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用液壓卡緊方式設(shè)計(jì)的螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)卡鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，利用左右兩個(gè)V型鉗座卡緊待測(cè)鉆具殼體；通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)鉗座在支撐軸上左右移動(dòng)；通過(guò)牙板實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)螺桿鉆具殼體周向和軸向的卡持定位；通過(guò)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(jì)算

當(dāng)V型卡鉗上的鉗牙夾緊螺桿鉆具殼體時(shí)，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(duì)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(duì)于整個(gè)受力系統(tǒng)來(lái)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(dòng)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(gè)夾緊鉗的夾緊力Fs：由于是用3組液壓夾緊鉗來(lái)卡持，則每臺(tái)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(shí)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(tái)卡鉗材料的性能指標(biāo)

約束條件：將卡鉗與試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置為6個(gè)螺栓連接的固定約束，將卡鉗承受扭矩作用時(shí)計(jì)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(duì)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(duì)卡鉗進(jìn)行有限元分析，得到總體變形云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D、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(shí)，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(shí)間后，應(yīng)定期檢查卡鉗的牙板，及時(shí)更換損壞的牙板。由等效應(yīng)變?cè)茍D可知，最大的應(yīng)變值為0.001 43，其位置在卡鉗內(nèi)部?jī)筛瑒?dòng)軸上。由應(yīng)力云圖可知，卡鉗滑動(dòng)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(shí)有限元分析

卡鉗受軸向載荷時(shí)，將卡鉗底部通過(guò)6個(gè)螺栓固定在試驗(yàn)臺(tái)底座上，將軸向載荷施加在卡鉗的牙板軸向方向上，將計(jì)算得出受軸向載荷時(shí)的卡緊力37.12 kN添加到鉗臂接觸面上，然后對(duì)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(duì)卡鉗進(jìn)行有限元分析，得到總體變形云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D、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(shí)，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(shí)間后，應(yīng)定期檢查牙板的磨損情況，及時(shí)更換損壞的牙板。由等效應(yīng)變?cè)茍D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(tái)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(tái)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(jì)了一種螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)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(jì)算。設(shè)計(jì)的螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)卡鉗對(duì)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(kāi)發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用。