淺談螺桿鉆具傳動軸的結構分析與改進設計

程馨冉

（1.西安石油大學，陜西西安,710065;2.山西北方風雷工業集團有限公司,山西侯馬,043013）

淺談螺桿鉆具傳動軸的結構分析與改進設計

程馨冉1,2

（1.西安石油大學，陜西西安,710065;2.山西北方風雷工業集團有限公司,山西侯馬,043013）

螺桿鉆具中最為關鍵的部件便是傳動軸，文章中利用有限元技術分析了傳動軸在扭矩狀態下的應力、變形狀態，指出了其存在的危險部位，且在結合實際生產需求的基礎上，提出了相應的改進方案，得到了隨結構參數變化的應力及變形曲線，為傳動軸的設計提供了更多的參考依據。

螺桿鉆具；傳動軸結構；改進設計

0 引言

隨著石油工業的快速發展，企業對石油機械能及可靠性提出了更高要求。作為石油機械的關鍵設備，螺桿鉆具的傳動軸卻經常出現失效問題，影響了工作進度，為此，優化設計傳動軸具備十分重要的意義。

1 靜力學分析

傳動軸存在動力扭矩、軸向力以及側向力，受力情況較為復雜。且傳遞動力扭矩很容易導致傳動軸小徑出現斷裂問題，為此，生產期間應利用大型有限元分析軟件與三維建模軟件進行建模，并對傳動軸進行結構分析，從而實現進一步優化。

1.1 建立傳動軸三維模型

傳動軸主要承受繞旋轉軸方向的扭矩載荷，其結構具備軸對稱特點，因此研究對象主要為整體模型的十分之一。為了提升萬向軸與傳動軸動力傳遞模擬的準確性，可以引入部分水帽模型，并通過螺紋將其與傳動軸進行有效連接，并進行有限元分析，之后簡化整件處理，且簡化后的傳動軸三維實體幾何模型如下圖1所示。

圖1 傳動軸有限元模型

1.2 有限元網絡劃分

傳動軸幾何模型較為復雜，因此應采用自動生成的四面體單元模型，利用剛性單元模擬馬達傳遞至傳動軸的轉矩動力載荷，并劃分單元數與點數。

1.3 邊界條件與材料屬性

利用40C1N1M0A材料制作傳動軸，設置835千帕的屈服極限。由金屬材料特點以及上述基本假設可知，此制作材料屬于各向同性材料，具備線彈性。對此，應在大型有限元分析軟件設置材料的基本屬性，比如密度為7850千克每立方米；泊松比為0.3。

根據企業所給參數可知，5LZ95A×7.0LL型號的螺桿鉆具的輸出扭矩為833牛，且最大扭矩為1180牛。對此，應對模型水帽端施加扭矩為1180牛的力，且固定傳動軸的大頭端面，最終的物理模型為圖2所示。

圖2 傳動軸物理模型

1.4 計算結果分析

在大型有限元分析軟件中提交傳動軸的物理模型，水帽與傳動軸連接處的最大應力為628兆帕，且實際調查后發現，螺桿鉆具經常在此處出現問題，由此可見計算結果的正確性。除了此處存在較大應力，傳動軸直徑較小的區域應力也較大[1]。上述結果產生的條件是傳動軸處于理想的運行狀態，且載荷力作用均勻，而考慮到集中應力、交變載荷等影響因素，則還需要確定傳動軸的疲勞失效安全系數，將相關參數信息帶入疲勞失效安全系數計算公式中得到其安全系數為2.5，這表明傳動軸的疲勞強度符合基本的生產需求。這些結果分析基于近似條件下，在實際工作過程中，傳動軸運行期間所受載荷十分復雜，既受到軸向力與側向力的影響，也存在扭矩作用，因此載荷力存在較大不確定性。同時，傳動軸的運行環境也十分惡劣，且實際制造與使用過程中，很可能受各種因素的影響而出現缺陷與損壞，因此分析結果也并非完全理想。而實際調查后發現，螺桿鉆具廠傳動軸經常發生斷裂問題，尤其在兩螺紋交口處更為嚴重，為此，應有效改善其結構體系。

2 傳動軸結構改進方案

在結合上述分析結果的情況下，結合螺桿鉆具實際運行情況，對傳動軸提出了三種改進方案。

2.1 改進方案

螺桿鉆具屬于井下動力鉆具，主要用于中曲率造斜方面，為了確保足夠的造斜率，應有效壓縮萬向軸客體彎點，直至其接近鉆頭，且還需要設計軸向尺寸較小的傳動軸總成。基于此，方案1應縮短傳動軸長度。由傳動軸的結構分析可以發現，縮短傳動軸長度只可以用于小徑段方面，且受外殼尺寸等限制因素的影響，總體的縮短距離不得超過20毫米。

在不改變傳動軸整體結構的基礎上，縮短小徑段長度，其最大應力與變形變化曲線呈現一定規律性。對于應力曲線，縮短長度在5毫米內，曲線呈上升趨勢，而在5至15毫米內，曲線保持不變，大于15毫米后，曲線依然呈上升趨勢，但斜率小于5毫米內的曲線斜率。對于變形變化曲線，縮短長度在5毫米內，其曲線呈下降趨勢，縮短長度大于5毫米后，曲線保持不變。這說明縮短傳動軸小徑長度，在增大傳動軸抗扭性方面存在利弊，雖然可以減小變形但也增大了應力。

2.2 改進方案

方案2主要增強傳動軸的靜剛度，且提升其抗疲勞強度，因此應適當增大小徑半徑。與上述情況相同，受傳動軸總成外殼尺寸的限制，現有的小徑直徑最大增加量也只是5毫米。在減小傳動軸小徑長度20毫米的基礎上，增大小徑半徑時，最大應力與變形變化曲線也呈現出一定規律性。對于傳動軸的最大應力，隨著小徑半徑的增大，最大應力呈現出下降趨勢。對于變形變化曲線，隨著小徑半徑的增大，曲線也呈下降趨勢，且下降幅度大于最大應力曲線。綜合改進方案1與方案2可以發現，在不改變傳動軸基本條件的前提下，傳動軸小徑半徑越長，半徑越大，且最大應力越小，傳動軸的安全系數越高，使用壽命也越長。

2.3 改進方案

方案3主要分析傳動軸的危險處，分析傳動軸的靜力扭矩可以看出，其小徑兩溝槽處的應力更為集中。而其零件受到周期性的變化應力以及沖擊載荷力的影響時，無論塑性或脆性的結構材料，集中應力都會影響傳動軸強度，從而破壞零件，而解決此問題可以有效緩解傳動軸的疲勞強度，提升運作的安全性。

分析傳動軸總成結構與工作原理可以發現，其水帽與軸承動圈處于同步運行狀態，將水帽與軸承動圈作為一個運行整體也不會影響其本來的功能性。利用此種設計方案，改進后傳動軸承的最大應力由之前的62.8兆帕降低至45.3兆帕，且在改進前傳動軸承的兩螺紋交接處存在明顯的應力集中問題，而在改進后，此問題得到了有效緩解，這也說明溝槽引起的應力集中問題會為傳動軸的部件帶來較大危害[2]。

綜上三種設計改進方案可以看出，完善后的傳動軸消除了小徑的兩個溝槽，在其他幾何尺寸不變的情況下，其長度保持不變，半徑增大了5毫米。最終得到應力及變形結果，改進后的傳動軸消除了應力集中問題，且最大應力與最大變形得到了有效降低，傳動軸的強度與剛度得到了大幅度提升。

3 結束語

實際研究發現，傳動軸小徑端越長、半徑越大，且最大應力越小的情況下，傳動軸的使用壽命越長，且安全性較高。而相較小徑段長度而言，小徑半徑變化更容易影響傳動軸的應力。同時，充分結合軸承動圈與水帽可以有效緩解應力集中問題，降低了最大應力。實際生產過程中充分結合上述建議，則不必改變傳動軸內部結構與材料便可以獲得最佳的尺寸與結構。

[1]陳思,郭東濤,孫玉龍.螺桿鉆具的研究進展及變化趨勢[J].長江大學學報(自然科學版)理工卷.2010(03).

[2]王俊濤,譚春飛,王莉萍,李幫軍.螺桿鉆具傳動軸失效分析與提高壽命措施探討[J].西部探礦工程.2010(05).

Structural analysis and improvement design of driving shaft for screw drilling tools

Cheng Xinran1,2
(1.Xi’an Petroleum University,Xi’an Shaanxi,710065;2.North Shanxi Fenglei Industrial Group Co. Ltd,Houma Shanxi,043013)

Screw drill is the most important part is the drive shaft by using the finite element method based on the analysis of drive shaft stress in torque under the condition of deformation, points out the dangerous parts of its existence, and in combination with the actual production requirements, put forward the corresponding improvement scheme, are analyzed. With the structure parameters of stress and deformation curve, and provide more reference basis for the design of drive shaft.

screw drilling tool; drive shaft structure; improved design