螺桿鉆具試驗臺卡鉗的力學分析及計算

唐 劍，張 強，吳志超

（長江大學 機械工程學院，湖北 黃岡 438300）

螺桿鉆具是目前在鉆井行業被廣泛使用的一種液壓機械。隨著油田開發深度不斷加大，鉆井難度越來越大，對螺桿鉆具的性能要求也越來越高。對螺桿鉆具的性能要求不斷提高，致使螺桿鉆具性能試驗的頻次不斷增大，對螺桿鉆具試驗臺的安全性要求也越來越高。為了提高試驗安全性，本文對螺桿鉆具試驗臺卡鉗進行了設計研究。

1 結構設計

采用液壓卡緊方式設計的螺桿鉆具試驗臺卡鉗結構如圖1所示。試驗臺工作時，利用左右兩個V型鉗座卡緊待測鉆具殼體；通過液壓油缸驅動鉗座在支撐軸上左右移動；通過牙板實現對待測螺桿鉆具殼體周向和軸向的卡持定位；通過螺釘將卡鉗的主要工作部件牙板固定在鉗座上，可定期檢查并更換損壞的牙板。卡鉗的夾持范圍可滿足Φ73～ Φ286 mm鉆具。

2 卡鉗的力學分析計算

當V型卡鉗上的鉗牙夾緊螺桿鉆具殼體時，由于螺桿鉆具旋轉，產生扭力。根據卡緊的管柱力學條件可知：扭力與夾緊力產生的扭矩相等，受力情況如圖2所示。夾緊后，兩V型塊的表面產生徑向支反力FN1和FN2，FM和FM1分別為液壓油缸對左右V型塊產生的推力，且FM=FM1。

由左邊V型塊的力平衡方程可求出徑向支反力FN1

同理，由右邊V型塊的力平衡，可求出FN2

對于整個受力系統來講，根據卡緊管柱的平衡條件可得∑Mxy(F)=0

式中：D為被卡緊管柱直徑；F1為左V型塊與管柱表面之間的摩擦力，F1=FN1f；F2為右V型塊與管柱表面之間的摩擦力，F2=FN2f；F為鉗牙與管柱表面之間的“咬合系數”。

結合上式，施加在螺桿泵殼體的總徑向夾緊力為：

考慮動載荷系數K，實際的徑向夾緊力為：

取試驗的最大扭矩M=15 kN·m，螺桿鉆具的最大直徑 D=286 mm，f=0.7，K=1.5，求得 FM=97.33 kN，FN1=FN2=56.18 kN。

求解單個夾緊鉗的夾緊力Fs：由于是用3組液壓夾緊鉗來卡持，則每臺卡鉗所分配的夾緊力。

3 卡鉗的有限元分析

3.1 液壓卡鉗受反扭矩作用時有限元分析

將卡鉗的三維模型導出格式為Parasoild(*，x_t)，導入到ANSYS Workbench中，并創建靜態分析算例，選擇Sweep劃分法進行網格劃分，單元尺寸設置為10 mm。卡鉗材料為Q235鋼，性能指標如表1所示。

表1 試驗臺卡鉗材料的性能指標

約束條件：將卡鉗與試驗臺設置為6個螺栓連接的固定約束，將卡鉗承受扭矩作用時計算的卡緊力32.44 kN施加在卡鉗的鉗臂徑向接觸面上，將徑向反作用力施加在卡鉗的牙板上。

對卡鉗進行自由網格劃分，單元大小為10 mm，總單元數為298926。根據約束及加載情況，對卡鉗進行有限元分析，得到總體變形云圖、等效應變云圖、等效應力云圖，如圖3所示。

由總體變形云圖可知，在液壓卡鉗承受扭矩作用時，其變形最大的位置是牙板的上側，最大的變形量為0.311 83 mm。因此，在卡鉗被使用一段時間后，應定期檢查卡鉗的牙板，及時更換損壞的牙板。由等效應變云圖可知，最大的應變值為0.001 43，其位置在卡鉗內部兩根滑動軸上。由應力云圖可知，卡鉗滑動軸產生了彎曲應變，在與卡鉗兩側側板的接觸處產生了應力集中，最大應力值為185.75 MPa。

3.2 液壓卡鉗受軸向載荷時有限元分析

卡鉗受軸向載荷時，將卡鉗底部通過6個螺栓固定在試驗臺底座上，將軸向載荷施加在卡鉗的牙板軸向方向上，將計算得出受軸向載荷時的卡緊力37.12 kN添加到鉗臂接觸面上，然后對卡鉗進行自由網格劃分，單元大小為10 mm，總單元數為196 089。根據約束及加載情況，對卡鉗進行有限元分析，得到總體變形云圖、等效應變云圖、等效應力云圖，如4所示。

由總體變形云圖可知，在液壓卡鉗承受軸向載荷時，其變形最大的位置是牙板的上側，且卡鉗整體向內側偏移，最大的變形量為0.360 95 mm。同樣，卡鉗在使用一段時間后，應定期檢查牙板的磨損情況，及時更換損壞的牙板。由等效應變云圖可知，最大的應變值為0.001 5，其位置在鉗座底部與試驗臺底座的螺栓孔處。由應力云圖可知，鉗座底部產生了彎曲應變，且在試驗臺底座螺栓孔處產生了應力集中，最大應力值為298.83 MPa。

4 結論

筆者設計了一種螺桿鉆具試驗臺卡鉗，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行了力學分析及相關計算。設計的螺桿鉆具試驗臺卡鉗對提高試驗的安全性具有積極的意義，有助于相關新產品的研究開發和市場應用。