螺杆钻具万向轴花瓣运动干涉仿真分析

2013-07-08史怀忠于建保陈洪光师涛王翠滨高学仕

石油矿场机械 2013年5期

史怀忠，于建保，陈洪光，师涛，王翠滨，高学仕

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.东营博深石油机械有限责任公司，山东东营 257091；3.山东科瑞机械制造有限公司，山东东营 257067；4.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

瓣形万向轴（Lobe Type Couplings，简称LTC）是螺杆钻具中连接马达和传动轴的中间构件，主要完成传递轴向力、转速和转矩的功能，其承受的载荷比较复杂。在现场使用过程中，花瓣由于磨损严重经常出现断裂或滑脱事故，影响了螺杆钻具的使用寿命，降低了钻井效率。因此，LTC 花瓣的失效情况受到了高度重视，学者们对其进行了一定的研究：文献［1］对万向轴的瓣齿拉伸强度进行了分析；文献［2］分析了万向轴承受轴向压力和扭矩组合载荷时瓣齿的受力特征；文献［3］研究了瓣齿滑脱时临界状态的变形和应力；文献［4］对万向轴的寿命进行了预测分析。以上文献虽都对瓣齿进行了分析，但都局限于假设条件下的轴向载荷和转矩分析，并且没有建立完整的LTC瓣齿模型，与实际工况差距较大［1－6］。

为了研究生产装配过程中花瓣的装配间隙对瓣齿磨损的影响，并提出合理的装配公差，对花瓣的运动干涉分析非常必要。为此对万向轴瓣齿进行了完整建模，并利用Pro／E 软件对花瓣的运动过程进行了仿真分析。

1 万向轴运动分析

LTC主要由上接头、球座（4个）、钢球（2个）、花瓣（2对）、连杆和下接头组成。花瓣是用仿型火焰切割而成，其轨迹线和横截面如图1所示，上接头、花瓣、连杆和下接头通过焊接连接。万向轴花瓣切割成形后，内部装有球座和钢球，钢球的中心就是花瓣的旋转中心。安装球座和钢球时由于装配误差，会使2个花瓣的间隙小于或者大于割缝距离。

图1 万向轴花瓣割缝轨迹和横截面

LTC连接着马达和传动轴，上端与马达转子相连，转子在水力作用下作平面行星运动，即自转和绕着定子轴线的公转（半径为马达偏心距e），而与LTC下端连接的传动轴则作定轴转动，因此万向轴的运动轨迹是以下端球心为顶点的倒锥面［7］，如图2所示。

图2 万向轴运动过程示意

2 三维模型的建立

为了得到精确的结果，必须对万向轴花瓣进行完整建模。笔者根据割缝轨迹建立了完整的瓣齿三维模型，如图3所示。建模方法：①先根据花瓣展开图建立割缝轨迹，然后将轨迹转换到花瓣圆柱曲面；②根据轨迹用可变剖面扫描切除，由于割缝尺寸相对较小，必须控制好建模精度。

图3 万向轴三维模型

3 花瓣干涉分析

利用Pro／E的干涉检测对模型进行分析。火焰切割时，喷嘴的宽度不易控制，导致割缝的宽度或大或小，因此对1.8 mm的割缝选取了1.6、1.8、2.0mm 3个缝隙进行分析。

3.1 花瓣轴向移动仿真

缝隙宽度为1.8mm，2个瓣齿在轴向（不考虑偏转）能够移动的最大距离为5.48 mm，如图4所示。当距离大于这个值时，瓣齿之间就会发生干涉，干涉情况如图5所示，不同割缝的轴向移动数据如表1所示。

图4 不同轴向间隙的投影

图5 轴向移动的干涉情况

表1 不同割缝的轴向移动数据 mm

3.2 花瓣转角仿真分析

为了便于对花瓣三维模型的转角分析，作如下3个假设：

1）轴向间隙一定，花瓣绕着钢球的中心进行旋转，转动时钢球不可移动。

2）瓣齿为刚体，即忽略弹性变形的影响。

3）当改变花瓣的轴向间隙时，钢球的位置也随之改变，旋转中心轴向移动。

万向轴上下2对花瓣在工作过程中转角情况相同，故只对其中1组花瓣进行分析。万向轴的公转轨迹为倒锥面，在旋转1周的过程中，任意位置花瓣的摆角都会受到自身结构的限制，而且每个位置的限制角度不同，为此穿过钢球中心作一纵切面，如图6所示：A 瓣固定，B 瓣在纵切面内绕着钢球中心，即垂直于纸面的旋转轴左右摆动，不断增大偏角直到模型发生干涉，此时的角度即为该纵切面内的最大偏角。如图6中，改变旋转轴的角度继续作纵切面并进行偏角分析。由于万向轴的3个花瓣完全对称，且单个花瓣左右对称，故只在0～60°内改变旋转轴，即可模拟该平面内的整个偏角情况，旋转时每隔10°设置1个旋转轴。根据假设3），花瓣间轴向间隙增大时，万向轴的挠心距增大。在轴向间隙的允许范围内选择5个间隙进行偏角分析。偏转时发生干涉的主要部位如图7所示。

通过改变割缝宽度、旋转轴和轴向间隙，在模型不发生干涉的情况下，得到的旋转偏角变化情况如图8～10所示。根据轴向间隙确定挠心距，轴向间隙一定时，花瓣的运动受最小偏角的限制，故选取最小偏角计算偏心距（e＝Lzsinθ），由于马达的偏心距是定值，因此万向轴装配后形成的偏心距值不能小于该定值，以此作为判断公差范围的标准。偏心距计算结果如表2～4所示。