一种新型螺杆钻具拆装架定心装置研究

许阳双，陈波

(西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500)

一种新型螺杆钻具拆装架定心装置研究

许阳双，陈波

(西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500)

拆装架是生产装配螺杆钻具重要的生产设备，目前采用的多缸液压驱动固定钳装置存在各缸不同步问题，导致工件轴心定位不准从而影响产品的质量，是行业中亟待解决的问题。在对国内外同类产品调研分析及现场深入调查的基础上，针对固定钳定心装置提出了一种新型两缸驱动6个牙块联动机构，该结构可以使得6个牙块同时转动，从而实现工件准确定心功能。通过理论与仿真分析验证了该新型装置牙块结构可以满足工作所需强度需求。

螺杆钻具;拆装架;定心装置

螺杆钻具是石油开采中重要的井下动力工具，目前国外螺杆钻具在品种和规格上已有很大发展，不少厂商将其产品系列化和规格化［1］。在装配螺杆钻具过程中，因其尺寸较大必须采用液压拆装架进行拆卸、装配。长期以来我国一直采用液压拆装架对大型零部件进行装配，拆装架起着定心、固定零部件以及上卸扣的作用。其中，固定钳多采用6个液压同步驱动机构［2］，每缸采用节流阀调整流量。由于该装置存在定心、同步精度较低等问题，有时前、后、主、副钳口不同心度达到2～20 mm不等，虽可以通过补偿间隙进行调节，却仍容易造成螺扣损伤，甚至扭断管件。

因此，为了提高拆装质量和效率，有必要从工作原理上对固定钳定心装置进行重新设计。文中从工作机构工作原理以及仿真分析方面阐述了两缸驱动6个牙块联动机构，新型结构可以使得6个牙块同时转动，从而实现工件准确定心功能。同时，通过理论分析得到牙块与液压装置的结构关系;根据最危险工况推算出牙块与工件的受力关系;最后通过仿真分析验证了该新型定心装置牙块结构可以满足工作所需强度需求。

1 工作原理与结构

通过对定心夹具与装置的调研，根据夹具设计技术发展方向及新型夹具设计方法［3］，针对以上问题分析，结合某公司生产的螺杆钻具装配拆装架进行重新设计。

新型螺杆钻具拆装架固定钳定心装置结构主要是由固定板、传动板、2个液压缸、6个牙块等组成的联动机构，其示意图如图1所示。其中，固定板与机架采用螺栓连接，固定板作为轴套，传动板为轴进行间隙配合。固定板上的6个定位销穿过传动板6个滑槽，套在牙块的定位孔中作为牙块转动中心，传动板上制作6个相同的曲线槽孔。液压缸中活塞杆与传动板通过铰链连接在一起的，液压缸与机架采用铰链相连。

图1 固定钳定心装置结构示意图

新型螺杆钻具拆装架固定钳定心装置结构的工作原理如图2所示，当螺杆钻具工件被送入固定钳中时，液压油驱动活塞杆外伸使传动板逆时针旋转，传动板边缘6个槽驱动牙块端部销，使牙块绕固定板上定位销逆时针转动夹紧工件。当活塞杆处于反行程时，传动板反向旋转带动牙块张开。根据液压传动资料分析，液压缸系统选用节流阀的同步回路［4］，将比例调速阀各自装在由单向阀组成的桥式节流油路中，分别控制两个液压缸的运动，通过调节速度的方式控制液压缸同步，其原理图如图3所示。

图2 固定钳定心装置工作状态示意图

图3 液压缸同步回路原理图

2 载荷分析

从螺杆钻液压拆装架文献 ［5］中可以了解到近几年拆装架有关技术参数改进与发展。参考现有QEX-1000型钻具快速液压拆装架拆装螺杆钻具需要的额定扭矩为295 kN·m，此时拧紧螺杆钻具工件时需要最大扭矩正是装配螺杆钻具设计中最为关键的因素，所以文中针对这一最危险工况进行仿真分析。图4为工件受力简图，通过机械原理方法［6］导出牙块夹紧力与夹紧扭矩关系式:

式中:M为实际夹紧扭矩，M=KM理论，K为安全系数;P0为牙块夹紧力;fn为摩擦因数;r1为工件外半径。

图4 牙块克服扭矩示意图

图5是液压缸与一个牙块之间的受力简图，通过分析液压缸推动传动板的推动力得出的牙块与液压缸受力关系，计算出液压缸所需推动力为系统设计提供依据。根据平面力系平衡公式，求得牙块夹紧力与液压缸推动力之间关系的公式:

式中:F为液压缸夹紧工件后的推力;r为传动板短半径;l为传动板长半径;a为牙块偏心孔到底端长度;b为牙块偏心孔位置到牙块顶端的长度;P0为牙块夹紧工件的夹紧力;θ为牙块加紧工件转动角度。

通过计算得出理论液压缸推力约为71 kN。

图5 牙块与液压缸受力示意图

3 仿真分析

根据ANSYS分析流程分析结构设计可预测仿真计算结构的性能，从而提高性能质量，降低设计成本［7］。现有计算方法都是建立在假定接触区形状的基础上，按赫兹的接触理论进行求解［8］，这与实际情况不符。文中研究的夹具接触与齿轮接触情况类似，其瞬间接触形状与压力分布是典型的接触非线性问题，有限元法可以更好地解决。

由有限元分析软件ANSYS根据工况建立几何模型，在柱坐标中设定有限元模型以及建立接触副，此受力模型为对称模型，故可取一半模型进行简化，简化后的有限元模型如图6所示。牙块材料选择为20CrMnTi，其材料屈服强度 835 MPa，泊松比为0.25，弹性模量为207 GPa。添加约束时考虑到工件的整体性，在工件表面添加对称约束;其余根据实际工况添加约束与面力载荷。结合工况，通过式 (1)可得到每个牙块对工件的面压力约为20 MPa。

图6 牙块与工件接触副有限元模型

通过ANSYS仿真分析，可以得到以下结果:

(1)图7所示为牙块与工件接触应力云图，可以看出:牙块Mises应力分布比较均匀，较大应力主要分布在压块与工件薄壁接触附近，与真实工况相符;最大应力约为174.124 MPa，通过*get命令可以查到最大应力值节点编号为805，位于与工件接触位置牙块上。材料20CrMnTi的屈服强度为835 MPa，由此可见牙块夹紧工件时受到的应力远小于材料的屈服强度，所以不会造成牙块的损坏。

图7 牙块与工件接触Von Mises应力云图

(2)图8所示为牙块与工件接触应力仿真结果云图，可以看到:牙块与工件之最大接触应力约为287.223 MPa，接触力均匀地分布在工件与牙块接触的3个位置上，说明这3处在装配中是主要摩擦力产生的地方，在后续设计时会针对减少牙块磨损进行改良。

图8 牙块与工件接触应力分析结果云图

(3)图9所示为牙块位移云图，可以看出:每个工件的位移分布均匀，梯度分布均匀。这说明了工件的变形较为均匀，最大位移出现在靠近工件与牙块接触位置，最大位移约为0.19 mm。远离工件位置的变形逐渐变小。

图9 牙块位移云图

4 结论

通过上述分析可以得出:

(1)提出的两个液压缸推动转盘带动6个牙块夹紧工件、通过6个滑槽结构能够达到定心作用，从而解决夹紧工件时定心不准的问题。

(2)通过仿真分析可以确定该结构的螺杆钻具拆装架能满足拆装工作要求。

最后结合上述工作原理，采用“以人为本”的设计概念，对整个拆装架进行整合设计，最终的改进后的螺杆钻具拆装架如图10所示。该结构大大提高了工作效率和作业质量，也提升了拆装架产品本身的价值，具有很广阔的市场应用前景。

图10 改进后固定钳整体概念图

【1】符达良.国外螺杆钻具发展近况［J］.石油矿场机械，1985，14(3):36－46.

【2】林绍东，思谦.JZY_I型多用途钻具拆装架［J］.石油机械，1996，18(1):34－35.

【3】蔡瑾，段国林，李翠玉，等.夹具设计技术发展综述［J］.河北工业大学学报，2002，31(5):35－40.

【4】成大先.机械设计手册液压传动［M］.北京:化学工业出版社，2009:57－89.

【5】曹钧，王宝贵，顾爱中.螺杆钻具拆装架液压系统设计［J］.液压气动与密封，2001(3):15－17.

【6】孙恒，陈作模.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.

【7】于佳，孙荣国.ANSYS在机械结构设计中的应用［J］.网络与信息，2011(6):32.

【8】庞晓琛.基于ANSYS的齿轮接触问题研究［J］.起重运输机械，2008(8):23－27.

Research on a New Type of Centering Device of Screw Drill Makeup and Breakout Stand Frame

XU Yangshuang，CHEN Bo
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)

Screw drill makeup and breakout stand is a significant production facility for producing and assembling screw drill.Currently，the multi cylinder hydraulic drive locking device has a problem that the its cylinders are non-synchronous.It causes the problem of inaccurate positioning of workpiece，which eventually affects product quality.On the basis of investigation and analysis，a new structure of mechanism applying dual cylinder to drive the six teeth blocks was proposed.The six teeth blocks could be rotated at the same time，so as to solve the problem of inaccurate positioning of workpiece.Through theoretical and simulation analysis，it is confirmed that the new device of the teeth block structure can meet the strength demands in operation process.

Screw drill;Makeup and breakout stand frame;Centering device

TH122

A

1001－3881(2014)8－023－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.008

2013－02－20

许阳双 (1988—)，女，硕士研究生，主要从事机械产品设计。E－mail:824479190@qq.com。