基于有限元的球铰万向轴剩余强度及偏载分析

2021-01-19唐珊姜中舰白明李杰

科技与创新 2021年1期

唐珊，姜中舰，白明，李杰

唐珊，姜中舰，白明，李杰

（四川宏华石油设备有限公司，四川成都 618300）

在井下钻井工况，球铰万向轴相对于花瓣万向轴具有寿命高、传递扭矩大、下井工作后经简易维护可重复使用等优点。但也存在球铰万向轴内的接触副需要油润滑、油封橡胶套一旦失效后将加速磨砺磨损等缺点。因此定量地分析球铰万向轴磨损后的剩余强度，合理地规划其下井次数，有助于在保证安全的情况下降低其使用成本。分析结果表明，球铰万向轴所能承受的扭矩并未随着均匀磨损的发展而明显降低，而钢球及球窝磨损所造成的偏载才是造成严重后果的根源。

球铰万向轴；磨损；剩余强度；偏载

1 引言

球铰万向轴相对于花瓣万向轴具有寿命高、传递扭矩大、下井工作后易于维护且经过维护可重复使用等优点，广泛应用于石油钻采领域[1]。其内部的钢球将滑动摩擦转换为滚动摩擦，有效地降低了万向轴球窝受到的摩擦阻力，延长了万向轴的使用寿命，在增大钻井扭矩传递效率的同时降低了钻井成本。传统认为，当万向轴的橡胶套破损后，在钻井液中磨砺的作用下，钢球以及球窝将加速磨损，因此当橡胶套破损后则不再继续修复使用，但未分析钢球的磨损量对于扭矩传递的定量影响，本文将对球铰万向轴磨损前后进行受力分析，研究其在磨损的情况下对扭矩传递的影响，对于万向轴的使用方法优化有一定指导意义。

2 球铰万向轴结构有限元分析

球铰万向轴的总体结构如图1所示[1]，当螺杆马达的转子带动万象轴连续转动时，镶嵌在连接杆球窝中的钢球通过花瓣套上的球窝将扭矩传递出去。本文研究的球铰万向轴连接杆的最大倾角为5°；螺杆马达的工作转速为60～ 180 r/min，最大输出扭矩为16 000 Nm，由于工作转速较低，而万向轴内部零件的质量不大，因此不考虑离心运动对万向轴的力学作用；连接杆、花瓣套的材质均为4 330 V，钢球的材质为高强度轴承钢，其弹性模量均为2×105MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

图1 球铰万向轴总体结构

2.1 球铰万向轴的结构有限元模型

为简化计算，首先认为万向轴内各钢球均载，钢球与球窝的接触面定义为不分离无摩擦接触[2-3]，在有限元模型中，将简化的花瓣套底端施加固定约束，并通过简化的连接杆顶部施加扭矩。同时为了保证万向轴应力场分析的正确性，在简化建模过程中依然保证钢球及球窝为实际尺寸，未经磨损的钢球、花瓣套及连接杆球窝直径均25.4 mm。本文认为钢球与球窝的磨损速度等同，因此假定磨损后钢球直径为 25 mm，磨损后球窝的直径为25.8 mm，应力分析有限元模型如图2所示。

图2 球铰万向轴应力分析网格模型

2.2 球铰万向轴的结构应力分析

磨损前后球铰万向轴的钢球及连接杆头部的Mises应力分布云图分别如图3、图4所示，可以看出，磨损前钢球及球窝处的最大Mises应力均约为540 MPa；磨损后钢球及球窝处的最大Mises应力均约为560 MPa；且最大应力发生在连接杆的球窝与钢球接触的地方，尤其是在连接杆球窝及钢球的两侧边，这与工业事实是相符的。

图3 磨损前钢球及连接杆Mises应力分布

图4 磨损后钢球及连接杆Mises应力分布

注意到在万向轴受到扭矩相同的情况下，钢球及连接杆球窝的磨损并未对扭矩传递能力产生显著影响，因此为追求万向轴寿命的最大化而单一地将钢球直径做大的意义并不大。

2.3 球铰万向轴的偏载分析

在实际工作中，考虑到钢球及球窝的磨损更可能是非均匀的，这将造成万向轴的偏载，可能会对万向轴的扭矩传递造成更恶劣的负面影响，因而有必要进行万向轴的偏载分析，为简化计算，假设万向轴在运转过程中，某个钢球因偏磨无法与花瓣套或连接杆的球窝接触。

万向轴偏载分析的Mises应力分布如图5所示，连接杆球窝及钢球的最大应力分别达到了887 MPa及932 MPa，可以看出万向轴的偏磨相对于均匀磨损，能够产生更严重的后果。因此在球铰万向轴的修复使用过程中，为保证万向轴能够达到预定使用寿命，需要在直径检测的基础上增加对钢球及球窝均匀性检测。

3 结束语

对钻井过程中球铰万向轴的应力场进行分析，得到了万向轴在均匀磨损前后以及偏磨后的应力分布情况。分析结果表明，当万向轴的钢球及球窝均匀磨损时，钢球的直径对万向轴的扭矩传动能力削弱能力有限，但是钢球的磨损常常是不均匀的，这将导致钢球无法与连接杆或花瓣套球窝充分接触，从而产生较大的偏载应力，因此在球铰万向轴球窝加工后的检验及下井后的修复检验中，需要充分考虑尺寸不均匀性所带来的偏载影响。