脫接器彈簧爪大變形分析

李 楓，孫 江，孫雪鋒

（1．東北石油大學，黑龍江大慶163318；2．大慶油田有限責任公司第四采油廠，黑龍江大慶163414）

脫接器彈簧爪大變形分析

李 楓1，孫 江1，孫雪鋒2

（1．東北石油大學，黑龍江大慶163318；2．大慶油田有限責任公司第四采油廠，黑龍江大慶163414）

脫接器是油田機采井重要的井下工具。以前對脫接器的研究大多集中在彈簧爪功能方面，而對彈簧爪的連接方面，即裝配過程的研究較少。彈簧爪的裝配過程是一個動態大變形過程，其應力分布和各部位變形隨時間而變化，難以獲得解析解。使用CAD／CAE／CAM一體化軟件UG對彈簧爪的裝配過程進行模擬，得到裝配過程中每一時刻的應力分布和變形情況，對優化設計彈簧爪的結構具有指導意義。

脫接器；彈簧爪；裝配過程；變形

脫接器是在泵徑大于油管直徑的抽油井內配套使用的井下工具［1－2］。大多數脫接器主要是依靠彈簧爪結構來實現對接和承受軸向載荷［3－5］。目前對脫接器彈簧爪強度的研究主要是針對在對接完成后正常工作條件下。裝配時彈簧爪的工作過程是一個非線性動態大變形過程，彈簧爪上的應力分布和變形情況隨時間而變化，很難得到彈簧爪強度的解析解。因此，目前設計彈簧爪結構時，僅能根據試驗或經驗判斷其裝配時是否可靠，而部分彈簧爪是在裝配操作過程中就造成了爪的損壞。

脫接器通常是在千米深的井下工作，一旦損壞，更換將費時、費力，還影響油井生產［6－7］。所以，彈簧爪強度的研究對提高脫接器的對接成功率、使用可靠性和壽命具有重要意義。本文以用于井下旋流分離系統的脫接器為例，該脫接器適用于承受較大扭矩載荷的場合，利用中心桿承受扭矩載荷。彈簧爪在工作中承受的軸向載荷很小，所以與該脫接器彈簧爪強度直接相關的是其裝配過程。利用CAD／CAE一體化軟件UG和其集成的NX Nastran解算器對該脫接器彈簧爪在裝配過程中的非線性大變形行為進行模擬，得到彈簧爪裝配過程中每一時刻的應力分布和變形情況，確定應力最大部位及最大位移量，為彈簧爪的結構設計及改進和彈簧爪鎖套的尺寸設計提供依據。

1 脫接器結構

具有彈簧爪的脫接器主要由彈簧爪、中心桿、鎖套、彈簧、鎖緊螺母等組成，另配1個釋放接頭，如圖1所示。對接時，脫接器上接頭下行撐開彈簧爪，同時壓迫鎖套下行，彈簧爪卡住中心桿的臺肩后，鎖套上行鎖住彈簧爪，完成對接。這種脫接器結構簡單，易加工，互換性好［8］。但是，彈簧爪的疲勞壽命較低，易出現斷脫事故［9］。

圖1 具有彈簧爪的脫接器結構

2 有限元模型

2．1 實體模型

利用UG軟件建立脫接器實體模型，如圖2。脫接器主要由上體和下體組成：上體由彈簧爪和上接頭組成，聯接在抽油桿最下端；下體由彈簧、鎖套和中心桿組成，聯接在螺桿泵轉子上部，隨定子、轉子和與定子相連接的油管一起下入井中。該脫接器用于傳遞扭矩和承受一定軸向載荷。

圖2 脫接器實體模型

由于實際模型過于復雜，需要對模型進行合理簡化。這里只想得到彈簧爪在裝配過程中的變化情況，所以將模型中與分析無關的零部件去掉，只保留彈簧爪和中心桿（如圖3所示）。由于本例分析只存在彈簧爪的軸向運動，中心桿不承受扭矩載荷，所以將中心桿進一步簡化，只保留中心桿在軸向運動過程中與彈簧爪接觸部分（如圖4所示）。為便于后續的分析，預先將模型的彈簧爪和中心桿沿軸向分離45mm，使二者處于對接前的狀態。

圖3 簡化的脫接器模型

圖4 簡化的中心桿

2．2 網格劃分

網格的劃分方式和質量會直接影響非線性問題的求解能否收斂，為了以較小的代價獲得較高的計算精度，采用20節點的二階四面體單元對模型進行離散（如圖5所示）。由于彈簧爪是主要研究對象，而且中心桿相對于彈簧爪的剛度較大，所以對彈簧爪采用較密的網格劃分方式，中心桿采用較稀疏的網格劃分方式，這樣既減小了計算規模又保證了計算結果的精度。共劃分了26 501個單元。

圖5 網格劃分

2．3 邊界條件

實際工作時，彈簧爪位于上接頭處，中心桿位于下接頭處，對接時彈簧爪沿軸向下行，中心桿不動。這與彈簧爪不動、中心桿相對于彈簧爪沿軸向運動等效。在模型中建立圓柱坐標系，z方向為軸向，彈簧爪與中心桿接觸端為z軸正向。約束彈簧爪R、θ、z軸的3個移動自由度和繞R、θ、z軸的3個旋轉自由度。在中心桿上加沿z軸的強制位移約束，讓中心桿在計算時沿z軸負向移動45mm，同時約束其他5個自由度。中心桿沿軸向運動過程中，外表面和彈簧爪的內表面是相互接觸的，通過前處理的高級非線性接觸選項定義接觸面（如圖6所示）。

圖6 邊界條件設置

3 求解設置

選用NX Nastran提供的ADVNL601，106非線性計算模塊，該模塊用于求解高級非線性靜態問題，采用隱式求解方式［11］。時間步定義中，設置時間步數為20，時間增量為0．05s，兩者的乘積即是中心桿運動時間1s。自動增量方式采用ATS（自動時間步長控制方案）方式，每個時間步的最大迭代次數為150。其他控制參數采用NX Nastran默認設置。

4 計算結果分析

4．1 應力

經過112步迭代計算收斂，進入后處理，共有20個時間步的非線性計算結果。查看每個時間步取平均后單元節點的Von Mises應力云圖，發現每一時刻彈簧爪上的最大應力均出現在彈簧爪根內表面的棱邊處，彈簧爪根部應力隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可以得出：應力值在初始階段變化比較劇烈，短時間內由66MPa迅速增大為256．49 MPa，其后應力值變化比較平穩，最后階段由347．02 MPa迅速減小為0．55MPa。這是由于在中心桿端部切有一個很短的過渡錐面，彈簧爪在與中心桿發生接觸后，沿中心桿端部的錐面發生沿徑向的迅速擴張，彈簧爪根部應力值迅速變大，這個過程容易使彈簧爪根部產生裂紋，造成失效；然后彈簧爪內表面沿中心桿臺肩外表面軸向滑動，彈簧爪根部應力值變化很緩慢，在中心桿臺肩邊緣處彈簧爪根部應力值達到最大（如圖8所示），此時彈簧爪單體根部中間區域產生沿徑向內凹的變形，根部內表面棱邊處應力值較大，使根部產生開裂的趨勢（如圖9所示）；最后彈簧爪頭部劃過中心桿臺肩卡住中心桿，彈簧爪恢復變形前狀態，根部應力值迅速減小為零。

圖7 應力變化

圖8 彈簧爪應力分布云圖

圖9 彈簧爪根部應力分布云圖

4．2 變形

查看每個時間步彈簧爪徑向位移云圖，每一時刻彈簧爪上的最大徑向位移均出現在彈簧爪端部外表面，彈簧爪端部外表面徑向位移隨時間變化曲線如圖10所示。由圖10可以得出：彈簧爪端部外表面的徑向位移在初始階段變化比較劇烈，短時間內由0．409mm迅速增大為1．690mm，其后位移變化比較平穩，最后階段由2．199mm迅速減小為0。這是由于在中心桿端部切有一個很短的過渡錐面，彈簧爪在與中心桿發生接觸后，沿中心桿端部的錐面發生沿徑向的迅速擴張，彈簧爪端部迅速擴張；然后彈簧爪內表面沿中心桿臺肩外表面軸向滑動，彈簧爪端部徑向位移量變化很緩慢，在中心桿臺肩邊緣處彈簧爪端部位移量達到最大（如圖11所示）；然后彈簧爪頭部劃過中心桿臺肩卡住中心桿，彈簧爪恢復變形前狀態，端部位移值迅速減小為零。

圖10 位移變化

圖11 彈簧爪徑向位移云圖

設計鎖套尺寸時，需要考慮彈簧爪端部內表面徑向位移量變化。當彈簧爪端部內表面徑向位移量達到最大值時，鎖套內徑不應大于此時的彈簧爪端部外表面變形后的最大直徑，否則實現不了彈簧爪沿徑向移動時壓迫鎖套沿徑向下移。彈簧爪端部內表面徑向位移隨時間變化如圖12所示，曲線形狀與圖10基本相同，最大徑向位移量為2．195mm。

圖12 彈簧爪端部內表面位移變化

5 結論

1） 采用有限元方法對脫接器彈簧爪裝配過程中的動態大變形進行分析，得到常規設計方式很難計算出的彈簧爪在整個裝配過程中每一時刻的應力和變形分布情況。

2） 在彈簧爪與中心桿對接的過程中，初始階段為彈簧爪端部內表面接觸中心桿端部錐面產生徑向擴張，此時彈簧爪條體根部內表面各個棱邊處應力值迅速達到很大，由于條體橫截面形狀為圓環的一部分，各條體根部靠近中間部分外表面產生向內凹的變形，根部內表面棱邊處產生拉伸變形；然后彈簧爪內表面沿中心桿端部臺肩外表面沿軸向滑動，此時條體根部內表面棱邊處應力值逐漸變大，但是變化較緩慢，且變化的幅度較小；最后彈簧爪裝配到位，條體迅速恢復到變形前的狀態，各處應力值減小為零。根據這個裝配過程，可以對中心桿錐段的尺寸進行改進，使彈簧爪裝配時應力變化更緩慢，避免因條體根部應力在短時間劇烈變化造成的開裂。同時可以根據條體變形情況，對條體的橫截面尺寸進行優化，即確定條體內、外徑和開槽數目及形狀等。

3） 彈簧爪端部外表面的徑向位移在初始階段變化比較劇烈，其后位移變化比較平穩，最后迅速減小為零。位移隨時間變化曲線與應力隨時間變化曲線形狀是一致的。彈簧爪內外表面徑向位移變化曲線形狀相似，根據彈簧爪端部內表面徑向位移量變化可以更準確設計鎖套尺寸，當彈簧爪端部內表面徑向位移量達到最大值時，為實現擴張的彈簧爪端部壓迫鎖套沿軸向移動，鎖套內徑不應大于此時的彈簧爪端部外表面變形后的最大直徑。

4） 彈簧爪裝配時的大變形分析，對合理設計改進用于井下旋流分離系統脫接器各個零部件形狀尺寸，提高脫接器對接成功率和使用壽命及井下旋流分離系統的可靠性具有重要意義。

5） 現有的有限元程序僅能對彈簧爪裝配過程的非線性行為進行應力和變形分析，不能建立彈簧爪的參數化模型和優化問題的模型，對彈簧爪各部位結構進行形狀優化，這也是今后研究的方向。

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Large Deformation Analysis of Spring Claw of On－off Connector

LI Feng1，SUN Jiang1，SUN Xue－feng2
（1．Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；
2．No．4 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Co．，Ltd．，Daqing163414，China）

The on－off connector is an important downhole tool of the artificial lift well．In the past，the research on the on－off connector was mostly concentrated on the function of the spring claw，and gave little attention to the assembly process．The assembly process of the spring claw is a dynamic process with large deformation，the stress distribution and the deformation of each part in every moment is changing，it is hard to acquire the analytical solution．In this paper，the spring claw assembly process was simulated by using the CAD／CAE／CAM integration software UG，the stress distribution and deformation condition of the assembly process in every moment was acquired，it has instructive meanings to the optimization design of the spring claw structure．

on－off connector；spring claw；large deformation；assembly process

book=41,ebook=41

TE931．202

：A

1001－3482（2012）06－0050－05

2011－12－12

李 楓（1969－），男，山東濰坊人，教授，博士，主要從事機械制造及自動專業的教學和油氣田地面工程方向的科研工作，E－mail：nusy01＠163．com。