一種新型螺桿鉆具拆裝架定心裝置研究

許陽雙，陳波

(西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500)

一種新型螺桿鉆具拆裝架定心裝置研究

許陽雙，陳波

(西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500)

拆裝架是生產裝配螺桿鉆具重要的生產設備，目前采用的多缸液壓驅動固定鉗裝置存在各缸不同步問題，導致工件軸心定位不準從而影響產品的質量，是行業中亟待解決的問題。在對國內外同類產品調研分析及現場深入調查的基礎上，針對固定鉗定心裝置提出了一種新型兩缸驅動6個牙塊聯動機構，該結構可以使得6個牙塊同時轉動，從而實現工件準確定心功能。通過理論與仿真分析驗證了該新型裝置牙塊結構可以滿足工作所需強度需求。

螺桿鉆具;拆裝架;定心裝置

螺桿鉆具是石油開采中重要的井下動力工具，目前國外螺桿鉆具在品種和規格上已有很大發展，不少廠商將其產品系列化和規格化［1］。在裝配螺桿鉆具過程中，因其尺寸較大必須采用液壓拆裝架進行拆卸、裝配。長期以來我國一直采用液壓拆裝架對大型零部件進行裝配，拆裝架起著定心、固定零部件以及上卸扣的作用。其中，固定鉗多采用6個液壓同步驅動機構［2］，每缸采用節流閥調整流量。由于該裝置存在定心、同步精度較低等問題，有時前、后、主、副鉗口不同心度達到2～20 mm不等，雖可以通過補償間隙進行調節，卻仍容易造成螺扣損傷，甚至扭斷管件。

因此，為了提高拆裝質量和效率，有必要從工作原理上對固定鉗定心裝置進行重新設計。文中從工作機構工作原理以及仿真分析方面闡述了兩缸驅動6個牙塊聯動機構，新型結構可以使得6個牙塊同時轉動，從而實現工件準確定心功能。同時，通過理論分析得到牙塊與液壓裝置的結構關系;根據最危險工況推算出牙塊與工件的受力關系;最后通過仿真分析驗證了該新型定心裝置牙塊結構可以滿足工作所需強度需求。

1 工作原理與結構

通過對定心夾具與裝置的調研，根據夾具設計技術發展方向及新型夾具設計方法［3］，針對以上問題分析，結合某公司生產的螺桿鉆具裝配拆裝架進行重新設計。

新型螺桿鉆具拆裝架固定鉗定心裝置結構主要是由固定板、傳動板、2個液壓缸、6個牙塊等組成的聯動機構，其示意圖如圖1所示。其中，固定板與機架采用螺栓連接，固定板作為軸套，傳動板為軸進行間隙配合。固定板上的6個定位銷穿過傳動板6個滑槽，套在牙塊的定位孔中作為牙塊轉動中心，傳動板上制作6個相同的曲線槽孔。液壓缸中活塞桿與傳動板通過鉸鏈連接在一起的，液壓缸與機架采用鉸鏈相連。

圖1 固定鉗定心裝置結構示意圖

新型螺桿鉆具拆裝架固定鉗定心裝置結構的工作原理如圖2所示，當螺桿鉆具工件被送入固定鉗中時，液壓油驅動活塞桿外伸使傳動板逆時針旋轉，傳動板邊緣6個槽驅動牙塊端部銷，使牙塊繞固定板上定位銷逆時針轉動夾緊工件。當活塞桿處于反行程時，傳動板反向旋轉帶動牙塊張開。根據液壓傳動資料分析，液壓缸系統選用節流閥的同步回路［4］，將比例調速閥各自裝在由單向閥組成的橋式節流油路中，分別控制兩個液壓缸的運動，通過調節速度的方式控制液壓缸同步，其原理圖如圖3所示。

圖2 固定鉗定心裝置工作狀態示意圖

圖3 液壓缸同步回路原理圖

2 載荷分析

從螺桿鉆液壓拆裝架文獻 ［5］中可以了解到近幾年拆裝架有關技術參數改進與發展。參考現有QEX-1000型鉆具快速液壓拆裝架拆裝螺桿鉆具需要的額定扭矩為295 kN·m，此時擰緊螺桿鉆具工件時需要最大扭矩正是裝配螺桿鉆具設計中最為關鍵的因素，所以文中針對這一最危險工況進行仿真分析。圖4為工件受力簡圖，通過機械原理方法［6］導出牙塊夾緊力與夾緊扭矩關系式:

式中:M為實際夾緊扭矩，M=KM理論，K為安全系數;P0為牙塊夾緊力;fn為摩擦因數;r1為工件外半徑。

圖4 牙塊克服扭矩示意圖

圖5是液壓缸與一個牙塊之間的受力簡圖，通過分析液壓缸推動傳動板的推動力得出的牙塊與液壓缸受力關系，計算出液壓缸所需推動力為系統設計提供依據。根據平面力系平衡公式，求得牙塊夾緊力與液壓缸推動力之間關系的公式:

式中:F為液壓缸夾緊工件后的推力;r為傳動板短半徑;l為傳動板長半徑;a為牙塊偏心孔到底端長度;b為牙塊偏心孔位置到牙塊頂端的長度;P0為牙塊夾緊工件的夾緊力;θ為牙塊加緊工件轉動角度。

通過計算得出理論液壓缸推力約為71 kN。

圖5 牙塊與液壓缸受力示意圖

3 仿真分析

根據ANSYS分析流程分析結構設計可預測仿真計算結構的性能，從而提高性能質量，降低設計成本［7］。現有計算方法都是建立在假定接觸區形狀的基礎上，按赫茲的接觸理論進行求解［8］，這與實際情況不符。文中研究的夾具接觸與齒輪接觸情況類似，其瞬間接觸形狀與壓力分布是典型的接觸非線性問題，有限元法可以更好地解決。

由有限元分析軟件ANSYS根據工況建立幾何模型，在柱坐標中設定有限元模型以及建立接觸副，此受力模型為對稱模型，故可取一半模型進行簡化，簡化后的有限元模型如圖6所示。牙塊材料選擇為20CrMnTi，其材料屈服強度 835 MPa，泊松比為0.25，彈性模量為207 GPa。添加約束時考慮到工件的整體性，在工件表面添加對稱約束;其余根據實際工況添加約束與面力載荷。結合工況，通過式 (1)可得到每個牙塊對工件的面壓力約為20 MPa。

圖6 牙塊與工件接觸副有限元模型

通過ANSYS仿真分析，可以得到以下結果:

(1)圖7所示為牙塊與工件接觸應力云圖，可以看出:牙塊Mises應力分布比較均勻，較大應力主要分布在壓塊與工件薄壁接觸附近，與真實工況相符;最大應力約為174.124 MPa，通過*get命令可以查到最大應力值節點編號為805，位于與工件接觸位置牙塊上。材料20CrMnTi的屈服強度為835 MPa，由此可見牙塊夾緊工件時受到的應力遠小于材料的屈服強度，所以不會造成牙塊的損壞。

圖7 牙塊與工件接觸Von Mises應力云圖

(2)圖8所示為牙塊與工件接觸應力仿真結果云圖，可以看到:牙塊與工件之最大接觸應力約為287.223 MPa，接觸力均勻地分布在工件與牙塊接觸的3個位置上，說明這3處在裝配中是主要摩擦力產生的地方，在后續設計時會針對減少牙塊磨損進行改良。

圖8 牙塊與工件接觸應力分析結果云圖

(3)圖9所示為牙塊位移云圖，可以看出:每個工件的位移分布均勻，梯度分布均勻。這說明了工件的變形較為均勻，最大位移出現在靠近工件與牙塊接觸位置，最大位移約為0.19 mm。遠離工件位置的變形逐漸變小。

圖9 牙塊位移云圖

4 結論

通過上述分析可以得出:

(1)提出的兩個液壓缸推動轉盤帶動6個牙塊夾緊工件、通過6個滑槽結構能夠達到定心作用，從而解決夾緊工件時定心不準的問題。

(2)通過仿真分析可以確定該結構的螺桿鉆具拆裝架能滿足拆裝工作要求。

最后結合上述工作原理，采用“以人為本”的設計概念，對整個拆裝架進行整合設計，最終的改進后的螺桿鉆具拆裝架如圖10所示。該結構大大提高了工作效率和作業質量，也提升了拆裝架產品本身的價值，具有很廣闊的市場應用前景。

圖10 改進后固定鉗整體概念圖

【1】符達良.國外螺桿鉆具發展近況［J］.石油礦場機械，1985，14(3):36－46.

【2】林紹東，思謙.JZY_I型多用途鉆具拆裝架［J］.石油機械，1996，18(1):34－35.

【3】蔡瑾，段國林，李翠玉，等.夾具設計技術發展綜述［J］.河北工業大學學報，2002，31(5):35－40.

【4】成大先.機械設計手冊液壓傳動［M］.北京:化學工業出版社，2009:57－89.

【5】曹鈞，王寶貴，顧愛中.螺桿鉆具拆裝架液壓系統設計［J］.液壓氣動與密封，2001(3):15－17.

【6】孫恒，陳作模.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.

【7】于佳，孫榮國.ANSYS在機械結構設計中的應用［J］.網絡與信息，2011(6):32.

【8】龐曉琛.基于ANSYS的齒輪接觸問題研究［J］.起重運輸機械，2008(8):23－27.

Research on a New Type of Centering Device of Screw Drill Makeup and Breakout Stand Frame

XU Yangshuang，CHEN Bo
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)

Screw drill makeup and breakout stand is a significant production facility for producing and assembling screw drill.Currently，the multi cylinder hydraulic drive locking device has a problem that the its cylinders are non-synchronous.It causes the problem of inaccurate positioning of workpiece，which eventually affects product quality.On the basis of investigation and analysis，a new structure of mechanism applying dual cylinder to drive the six teeth blocks was proposed.The six teeth blocks could be rotated at the same time，so as to solve the problem of inaccurate positioning of workpiece.Through theoretical and simulation analysis，it is confirmed that the new device of the teeth block structure can meet the strength demands in operation process.

Screw drill;Makeup and breakout stand frame;Centering device

TH122

A

1001－3881(2014)8－023－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.008

2013－02－20

許陽雙 (1988—)，女，碩士研究生，主要從事機械產品設計。E－mail:824479190@qq.com。