SBT扇區水泥膠結測井儀傳動軸斷裂分析

任曉寧

(西安威盛電子科技股份有限公司 陜西 西安 710304)

·經驗交流·

SBT扇區水泥膠結測井儀傳動軸斷裂分析

任曉寧

(西安威盛電子科技股份有限公司 陜西 西安 710304)

SBT扇區水泥膠結測井儀是一種高精度固井質量評價儀器，在測井過程中常發生傳動軸斷裂故障。從力學角度分析了傳動軸斷裂故障原因，并提出了解決斷軸問題的思路和具體方法。

水泥膠結測井儀；傳動軸；斷裂故障

0 引 言

SBT扇區水泥膠結測井儀作為一種高精度固井質量評價儀器，在測井過程中常發生斷軸事故，給正常測井帶來很大影響。解決斷軸事故，變得日益迫切。

經過對傳動軸熱處理工藝以及機械加工工藝調整，結果均不理想。從力學角度對傳動軸進行了受力分析，并對傳動軸結構進行了設計改進，經過實際測井驗證取得了滿意的效果。

1 斷裂情況介紹

SBT扇區水泥膠結測井儀的傳動軸零件工作圖如圖1所示。傳動工作時沿軸向受拉力作用，裂紋產生均發生在軸頸Φ19與Φ9.5過渡圓角R1處。傳動軸R1處斷裂截面形貌如圖2所示。

傳動軸材料為沉淀硬化不銹鋼17-4PH，熱處理硬度HRC35～38，最小屈服強度σS=930 MPa，軸向負載13 000N，那么Φ6.5和R1(計算直徑Φ(9.5+2)=Φ11.5)處，理論拉應力計算分別為392 MPa和125 MPa[1]。遠遠小于材料屈服強度930 MPa。

是否傳動軸熱處理硬度、熱處理工藝和機械加工工藝存在問題，造成R1處產生熱處理裂紋或應力集中？經過多次試驗，如降低熱處理硬度增加韌性、調整機械加工工藝，降低零件表面粗糙度等，均未解決斷軸故障。

圖1 傳動軸零件工作圖

圖2 傳動軸 R1處斷裂截面形貌圖

2 斷裂原因分析

2.1 連接裝配結構介紹

SBT儀器使用一個連接套和一個錐端緊定螺釘將傳動軸與連接筒連接在一起，來傳遞軸向拉力。傳動軸連接裝配圖如圖3所示[2]。連接套內孔根部加工有退刀槽，在緊定螺釘作用下，連接筒與連接套在退刀槽B處，以及緊定螺釘A處掛接，來承擔軸向拉力載荷F。

圖3 傳動軸連接裝配圖

2.2 傳動軸受力分析

由圖3可知，由于A處為線接觸，受軸向載荷力F后，材料若出現彈塑性變形，那么連接套相對于連接筒會發生α角旋轉，使得傳動軸受力由面接觸變成C點的點接觸，產生了附加彎矩M。于是在傳動軸R1處，除了有拉應力σb外，還有附加彎曲應力σw的作用。下面對傳動軸R1處實際最大應力σ進行計算。

傳動軸R1處的計算直徑

d=9.5+2=11.5(mm)

拉應力

σb=4F/πd2=4×13 000/π(9.5+2)2=125.2(MPa)

彎矩

M=F×d/2=13 000×(9.5+2)/2=74 750(Nmm)

抗彎截面模量

W=πd3/32=π×(9.5+2)3/32=149.236(mm3)

彎曲應力

σw=M/W=74750/149.236=500.9(MPa)

也就是直徑d(9.5+2)mm截面處最大應力為：

σ=σb+σw=125.2+500.9 =626.1(MPa) <930 MPa

從以上計算結果可以看出，附加彎曲應力σw遠遠大于拉應力σb，軸的斷裂和附加彎曲應力σw關系很大，但總應力σ小于軸材料屈服極限σs。由此可以推斷，造成傳動軸斷裂一定是彎曲應力σw引起的疲勞應力斷裂。

3 解決問題的辦法

解決軸斷裂有兩個途徑，一是更換強度更高的材料，二是減小或消除彎曲應力σw[3]。更換強度更高的材料將使材料成本增加，而且使得細長軸的加工工藝變得很難保證，綜合成本急劇升高，不宜采用。

在軸的結構上想辦法，使得在拉力F作用下，傳動軸的受力接觸不是某個點，而是軸R1處的整個臺階面，從而消除附加彎曲應力σw的作用。經過設計改進后的軸結構如圖4所示。

圖4 傳動軸改進后結構圖

將傳動軸做成分體球鉸結構，當連接套相對連接筒旋轉α角度時，傳動桿球鉸部分也相應傳動桿轉動α角，使得傳動軸的受力軸肩始終與連接套傳力面保持面接觸，而非圖3中C處的點接觸，從而彎矩力臂消失，彎應力σw=0。傳動軸最大拉應力σb=125.2 MPa。

4 結束語

通過對SBT扇區水泥膠結測井儀的傳動軸的受力分析，找到了斷軸事故的原因。并采用最經濟合理的方法，重新對傳動軸結構進行了設計和改進，優化了軸的受力狀態。經理論計算和測井實驗驗證，徹底解決了斷軸缺陷，滿足了儀器設計高可靠性要求。

[1] 中國航空材料編輯委員會.中國航空材料手冊[M]第一卷 結構鋼和不銹鋼.北京：中國標準出版社出版,1988：748-780.

[2] ATLAS公司. 1424XA/XB Segmented Bond Tool—Detailed Description of Service[Z].1998.

[3] 喬孝純，牛錫傳，羋振南，等.機械零件[M].西安：西安交通大學出版社，1986：164-203.

Fracture Failure Analysis of the Transmission Shaft in the Segmented Bond Tool

REN Xiaoning

(Xi′anWell-sunElectronicTechnologyPLC，Xi′an,Shaanxi710065,China)

The segmented bond tool (SBT) is a high-accuracy well cement bond evaluation tool. Its transmission shaft is often broken in the logging process. This article analyses the causes of the fracture failure of the transmission shaft in view of mechanics, and proposes the solution to the failure.

segmented bond tool; transmission shaft; fracture failure

任曉寧，男，1970年生，工程師，1993年畢業于西安交通大學鍛壓工藝及設備專業，現從事石油測井儀器的技術研發工作，擔任研發中心經理以及首席機械工程師職務。E-mail:rxn_110@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)02-0091-02

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.021

2016-09-18 編輯：姜 婷)