井下?tīng)恳髅涢l結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析

高勝 李叢波 孫文

摘 要：本文介紹了井下?tīng)恳鞯拿涢l結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用柔性支臂的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其進(jìn)行原理設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)大型有限元通用軟件ANSYS，對(duì)彈簧鋼片等關(guān)鍵承載構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，彈簧鋼片等構(gòu)件滿足強(qiáng)度要求，符合設(shè)計(jì)的條件。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 柔性 承載結(jié)構(gòu) 力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TE92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0092-03

井下?tīng)恳髅涢l結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的保障，脹閘結(jié)構(gòu)要提供足夠的脹緊力，同時(shí)要保證與井壁的接觸力足夠大，這樣才可以保證牽引器達(dá)到需要的牽引力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為四桿結(jié)構(gòu)[1～2]，采用平行四邊形的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)脹閘機(jī)構(gòu)的脹緊和收縮，使得機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，但是四桿結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間較大。所以在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案上提出一種全新的設(shè)計(jì)方案，即柔性支臂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只是由彈簧片構(gòu)成支撐臂，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保證牽引器始終處于正中位置時(shí)，由于具有柔性，在脹緊時(shí)，彈簧片與井壁充分接觸，防止相對(duì)井壁產(chǎn)生滑動(dòng)。所以綜合以上所述，本設(shè)計(jì)選擇柔性的脹閘結(jié)構(gòu)。

1 脹閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 牽引器原理設(shè)計(jì)

該牽引器基于伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要包括：前后兩個(gè)脹閘機(jī)構(gòu)和中間的一個(gè)伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示。（圖1）a為初始狀態(tài)，兩個(gè)脹閘模塊的支撐臂撐開(kāi)壓緊管壁。開(kāi)始工作之后脹閘模塊1工作鎖止，同時(shí)脹閘模塊2收回。然后伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)展開(kāi)，如（圖1）b所示直到最大行程，之后脹閘模塊1收回，脹閘模塊2工作鎖止，拖動(dòng)后面裝置向前運(yùn)動(dòng)如圖1c所示，繼而恢復(fù)到（圖1）a狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)向前運(yùn)行了一段距離，反復(fù)進(jìn)行從（圖1）a到（圖1）c運(yùn)動(dòng)過(guò)程，牽引器就能夠不斷前進(jìn)，直到到達(dá)目的地。

1.2 脹閘模塊設(shè)計(jì)

柔性的脹閘結(jié)構(gòu)就是采用具有一定彎曲性能的柔性臂[3]，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由彈簧片、液壓缸、滑套、連桿等組成。開(kāi)始工作時(shí)，柔性臂處于收縮狀態(tài)，一旦受到壓力時(shí)，柔性臂會(huì)產(chǎn)生彎曲，像燈籠一樣脹滿井內(nèi)，與井壁緊緊地接觸。由于柔性臂與井壁接觸的端面有自鎖裝置，或者經(jīng)過(guò)特殊的處理，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，使得牽引器整體被鎖住。這種脹閘機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源與四桿機(jī)構(gòu)脹閘是類似的，通過(guò)液力裝置提供驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而通過(guò)滑套帶動(dòng)柔性臂兩端靠近或者遠(yuǎn)離實(shí)現(xiàn)脹閘的脹緊和收縮。

2 脹閘結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析

根據(jù)脹閘結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中承載的特點(diǎn)，將井壁簡(jiǎn)化成一個(gè)長(zhǎng)方體。彈簧片的柔性行走機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型（如圖3）。在井壁的簡(jiǎn)化實(shí)體下端面施加全位移約束，彈簧片一端固定，施加全位移約束，彈簧片另一端鉸支，施加Y方向和Z方向的約束。將液壓缸的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為等效面載荷，均勻施加到彈簧片鉸支一端的截面上，然后進(jìn)行求解運(yùn)算。

彈簧片的尺寸參數(shù)（見(jiàn)表1），力學(xué)性能參數(shù)（見(jiàn)表2）。

彈簧片與井壁接觸所產(chǎn)生的應(yīng)力云圖（圖4a、c、e），可以看出開(kāi)始接觸時(shí)，是一個(gè)區(qū)域與井壁接觸，隨著載荷的增加，接觸應(yīng)力隨之增大，彈簧片與井壁的接觸面積增加，接觸面積逐漸由一個(gè)區(qū)域變成兩個(gè)區(qū)域，并由中間向兩邊進(jìn)行擴(kuò)散，同時(shí)接觸應(yīng)力大小也有短暫的趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)，是一個(gè)區(qū)域接觸，當(dāng)分散成兩個(gè)區(qū)域時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域就分擔(dān)了總的接觸應(yīng)力，所以接觸應(yīng)力數(shù)值會(huì)維持在50 MPa，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域接觸處趨于平穩(wěn)時(shí)，接觸應(yīng)力也隨之增加。從接觸面所產(chǎn)生的應(yīng)力云圖（圖4b、d、f），可以看出井壁所受的應(yīng)力開(kāi)始也是集中在一個(gè)區(qū)域，后來(lái)逐漸由一個(gè)區(qū)域變成兩個(gè)區(qū)域，并且接觸應(yīng)力也是隨著載荷的增加而增大，在變化的過(guò)程中所受的接觸應(yīng)力維持在30 MPa，彈簧片的接觸應(yīng)力值與井壁所受的應(yīng)力數(shù)值不相等，主要是因?yàn)閮烧咴诓牧蠈傩赃x擇上不同造成的。

接觸應(yīng)力隨載荷變化的圖像（圖5）顯示載荷小于650 N時(shí)接觸應(yīng)力為0 MPa，這是因?yàn)楦鶕?jù)井下?tīng)恳鲗?shí)際運(yùn)行的情況，彈簧片與井壁有一定的間隙，載荷小于650 N時(shí)，兩者還沒(méi)有接觸，當(dāng)載荷達(dá)到650 N時(shí)，彈簧片與井壁開(kāi)始接觸，接觸應(yīng)力隨載荷的增加而增大。

接觸壓力隨載荷變化的圖像如圖6所示，接觸壓力隨載荷的增大呈非線性的增加。根據(jù)該設(shè)計(jì)的要求，彈簧片與井壁之間的接觸壓力應(yīng)該為5000 N，依據(jù)（圖5）與（圖6）知，當(dāng)載荷為5300 N時(shí)，接觸壓力為5000 N，接觸應(yīng)力為189.25 MPa，彈簧片的材料為65 Mn，屈服強(qiáng)度為690 MPa，彈簧片的接觸應(yīng)力小于65 Mn的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

本文對(duì)井下?tīng)恳髅涢l結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，在支撐臂構(gòu)件上，采用彈簧片創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS分析軟件，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立仿真模型，正確施加荷載與約束的情況下，進(jìn)行求解分析，滿足實(shí)際要求，由以上分析可知，在設(shè)計(jì)要求下，載荷加載到最大值時(shí)，彈簧片等關(guān)鍵性構(gòu)件滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

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