螺杆钻具试验台卡钳的力学分析及计算

唐 剑，张 强，吴志超

（长江大学 机械工程学院，湖北 黄冈 438300）

螺杆钻具是目前在钻井行业被广泛使用的一种液压机械。随着油田开发深度不断加大，钻井难度越来越大，对螺杆钻具的性能要求也越来越高。对螺杆钻具的性能要求不断提高，致使螺杆钻具性能试验的频次不断增大，对螺杆钻具试验台的安全性要求也越来越高。为了提高试验安全性，本文对螺杆钻具试验台卡钳进行了设计研究。

1 结构设计

采用液压卡紧方式设计的螺杆钻具试验台卡钳结构如图1所示。试验台工作时，利用左右两个V型钳座卡紧待测钻具壳体；通过液压油缸驱动钳座在支撑轴上左右移动；通过牙板实现对待测螺杆钻具壳体周向和轴向的卡持定位；通过螺钉将卡钳的主要工作部件牙板固定在钳座上，可定期检查并更换损坏的牙板。卡钳的夹持范围可满足Φ73～ Φ286 mm钻具。

2 卡钳的力学分析计算

当V型卡钳上的钳牙夹紧螺杆钻具壳体时，由于螺杆钻具旋转，产生扭力。根据卡紧的管柱力学条件可知：扭力与夹紧力产生的扭矩相等，受力情况如图2所示。夹紧后，两V型块的表面产生径向支反力FN1和FN2，FM和FM1分别为液压油缸对左右V型块产生的推力，且FM=FM1。

由左边V型块的力平衡方程可求出径向支反力FN1

同理，由右边V型块的力平衡，可求出FN2

对于整个受力系统来讲，根据卡紧管柱的平衡条件可得∑Mxy(F)=0

式中：D为被卡紧管柱直径；F1为左V型块与管柱表面之间的摩擦力，F1=FN1f；F2为右V型块与管柱表面之间的摩擦力，F2=FN2f；F为钳牙与管柱表面之间的“咬合系数”。

结合上式，施加在螺杆泵壳体的总径向夹紧力为：

考虑动载荷系数K，实际的径向夹紧力为：

取试验的最大扭矩M=15 kN·m，螺杆钻具的最大直径 D=286 mm，f=0.7，K=1.5，求得 FM=97.33 kN，FN1=FN2=56.18 kN。

求解单个夹紧钳的夹紧力Fs：由于是用3组液压夹紧钳来卡持，则每台卡钳所分配的夹紧力。

3 卡钳的有限元分析

3.1 液压卡钳受反扭矩作用时有限元分析

将卡钳的三维模型导出格式为Parasoild(*，x_t)，导入到ANSYS Workbench中，并创建静态分析算例，选择Sweep划分法进行网格划分，单元尺寸设置为10 mm。卡钳材料为Q235钢，性能指标如表1所示。

表1 试验台卡钳材料的性能指标

约束条件：将卡钳与试验台设置为6个螺栓连接的固定约束，将卡钳承受扭矩作用时计算的卡紧力32.44 kN施加在卡钳的钳臂径向接触面上，将径向反作用力施加在卡钳的牙板上。

对卡钳进行自由网格划分，单元大小为10 mm，总单元数为298926。根据约束及加载情况，对卡钳进行有限元分析，得到总体变形云图、等效应变云图、等效应力云图，如图3所示。

由总体变形云图可知，在液压卡钳承受扭矩作用时，其变形最大的位置是牙板的上侧，最大的变形量为0.311 83 mm。因此，在卡钳被使用一段时间后，应定期检查卡钳的牙板，及时更换损坏的牙板。由等效应变云图可知，最大的应变值为0.001 43，其位置在卡钳内部两根滑动轴上。由应力云图可知，卡钳滑动轴产生了弯曲应变，在与卡钳两侧侧板的接触处产生了应力集中，最大应力值为185.75 MPa。

3.2 液压卡钳受轴向载荷时有限元分析

卡钳受轴向载荷时，将卡钳底部通过6个螺栓固定在试验台底座上，将轴向载荷施加在卡钳的牙板轴向方向上，将计算得出受轴向载荷时的卡紧力37.12 kN添加到钳臂接触面上，然后对卡钳进行自由网格划分，单元大小为10 mm，总单元数为196 089。根据约束及加载情况，对卡钳进行有限元分析，得到总体变形云图、等效应变云图、等效应力云图，如4所示。

由总体变形云图可知，在液压卡钳承受轴向载荷时，其变形最大的位置是牙板的上侧，且卡钳整体向内侧偏移，最大的变形量为0.360 95 mm。同样，卡钳在使用一段时间后，应定期检查牙板的磨损情况，及时更换损坏的牙板。由等效应变云图可知，最大的应变值为0.001 5，其位置在钳座底部与试验台底座的螺栓孔处。由应力云图可知，钳座底部产生了弯曲应变，且在试验台底座螺栓孔处产生了应力集中，最大应力值为298.83 MPa。

4 结论

笔者设计了一种螺杆钻具试验台卡钳，利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行了力学分析及相关计算。设计的螺杆钻具试验台卡钳对提高试验的安全性具有积极的意义，有助于相关新产品的研究开发和市场应用。