一種新型螺桿鉆具拆裝架定心裝置研究

許陽雙，陳波

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

一種新型螺桿鉆具拆裝架定心裝置研究

許陽雙，陳波

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

拆裝架是生產(chǎn)裝配螺桿鉆具重要的生產(chǎn)設(shè)備，目前采用的多缸液壓驅(qū)動(dòng)固定鉗裝置存在各缸不同步問題，導(dǎo)致工件軸心定位不準(zhǔn)從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量，是行業(yè)中亟待解決的問題。在對(duì)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品調(diào)研分析及現(xiàn)場(chǎng)深入調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對(duì)固定鉗定心裝置提出了一種新型兩缸驅(qū)動(dòng)6個(gè)牙塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使得6個(gè)牙塊同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件準(zhǔn)確定心功能。通過理論與仿真分析驗(yàn)證了該新型裝置牙塊結(jié)構(gòu)可以滿足工作所需強(qiáng)度需求。

螺桿鉆具;拆裝架;定心裝置

螺桿鉆具是石油開采中重要的井下動(dòng)力工具，目前國(guó)外螺桿鉆具在品種和規(guī)格上已有很大發(fā)展，不少廠商將其產(chǎn)品系列化和規(guī)格化［1］。在裝配螺桿鉆具過程中，因其尺寸較大必須采用液壓拆裝架進(jìn)行拆卸、裝配。長(zhǎng)期以來我國(guó)一直采用液壓拆裝架對(duì)大型零部件進(jìn)行裝配，拆裝架起著定心、固定零部件以及上卸扣的作用。其中，固定鉗多采用6個(gè)液壓同步驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)［2］，每缸采用節(jié)流閥調(diào)整流量。由于該裝置存在定心、同步精度較低等問題，有時(shí)前、后、主、副鉗口不同心度達(dá)到2～20 mm不等，雖可以通過補(bǔ)償間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，卻仍容易造成螺扣損傷，甚至扭斷管件。

因此，為了提高拆裝質(zhì)量和效率，有必要從工作原理上對(duì)固定鉗定心裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。文中從工作機(jī)構(gòu)工作原理以及仿真分析方面闡述了兩缸驅(qū)動(dòng)6個(gè)牙塊聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，新型結(jié)構(gòu)可以使得6個(gè)牙塊同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件準(zhǔn)確定心功能。同時(shí)，通過理論分析得到牙塊與液壓裝置的結(jié)構(gòu)關(guān)系;根據(jù)最危險(xiǎn)工況推算出牙塊與工件的受力關(guān)系;最后通過仿真分析驗(yàn)證了該新型定心裝置牙塊結(jié)構(gòu)可以滿足工作所需強(qiáng)度需求。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)

通過對(duì)定心夾具與裝置的調(diào)研，根據(jù)夾具設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向及新型夾具設(shè)計(jì)方法［3］，針對(duì)以上問題分析，結(jié)合某公司生產(chǎn)的螺桿鉆具裝配拆裝架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

新型螺桿鉆具拆裝架固定鉗定心裝置結(jié)構(gòu)主要是由固定板、傳動(dòng)板、2個(gè)液壓缸、6個(gè)牙塊等組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖1所示。其中，固定板與機(jī)架采用螺栓連接，固定板作為軸套，傳動(dòng)板為軸進(jìn)行間隙配合。固定板上的6個(gè)定位銷穿過傳動(dòng)板6個(gè)滑槽，套在牙塊的定位孔中作為牙塊轉(zhuǎn)動(dòng)中心，傳動(dòng)板上制作6個(gè)相同的曲線槽孔。液壓缸中活塞桿與傳動(dòng)板通過鉸鏈連接在一起的，液壓缸與機(jī)架采用鉸鏈相連。

圖1 固定鉗定心裝置結(jié)構(gòu)示意圖

新型螺桿鉆具拆裝架固定鉗定心裝置結(jié)構(gòu)的工作原理如圖2所示，當(dāng)螺桿鉆具工件被送入固定鉗中時(shí)，液壓油驅(qū)動(dòng)活塞桿外伸使傳動(dòng)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)板邊緣6個(gè)槽驅(qū)動(dòng)牙塊端部銷，使牙塊繞固定板上定位銷逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊工件。當(dāng)活塞桿處于反行程時(shí)，傳動(dòng)板反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)牙塊張開。根據(jù)液壓傳動(dòng)資料分析，液壓缸系統(tǒng)選用節(jié)流閥的同步回路［4］，將比例調(diào)速閥各自裝在由單向閥組成的橋式節(jié)流油路中，分別控制兩個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)速度的方式控制液壓缸同步，其原理圖如圖3所示。

圖2 固定鉗定心裝置工作狀態(tài)示意圖

圖3 液壓缸同步回路原理圖

2 載荷分析

從螺桿鉆液壓拆裝架文獻(xiàn) ［5］中可以了解到近幾年拆裝架有關(guān)技術(shù)參數(shù)改進(jìn)與發(fā)展。參考現(xiàn)有QEX-1000型鉆具快速液壓拆裝架拆裝螺桿鉆具需要的額定扭矩為295 kN·m，此時(shí)擰緊螺桿鉆具工件時(shí)需要最大扭矩正是裝配螺桿鉆具設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的因素，所以文中針對(duì)這一最危險(xiǎn)工況進(jìn)行仿真分析。圖4為工件受力簡(jiǎn)圖，通過機(jī)械原理方法［6］導(dǎo)出牙塊夾緊力與夾緊扭矩關(guān)系式:

式中:M為實(shí)際夾緊扭矩，M=KM理論，K為安全系數(shù);P0為牙塊夾緊力;fn為摩擦因數(shù);r1為工件外半徑。

圖4 牙塊克服扭矩示意圖

圖5是液壓缸與一個(gè)牙塊之間的受力簡(jiǎn)圖，通過分析液壓缸推動(dòng)傳動(dòng)板的推動(dòng)力得出的牙塊與液壓缸受力關(guān)系，計(jì)算出液壓缸所需推動(dòng)力為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)平面力系平衡公式，求得牙塊夾緊力與液壓缸推動(dòng)力之間關(guān)系的公式:

式中:F為液壓缸夾緊工件后的推力;r為傳動(dòng)板短半徑;l為傳動(dòng)板長(zhǎng)半徑;a為牙塊偏心孔到底端長(zhǎng)度;b為牙塊偏心孔位置到牙塊頂端的長(zhǎng)度;P0為牙塊夾緊工件的夾緊力;θ為牙塊加緊工件轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

通過計(jì)算得出理論液壓缸推力約為71 kN。

圖5 牙塊與液壓缸受力示意圖

3 仿真分析

根據(jù)ANSYS分析流程分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可預(yù)測(cè)仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)的性能，從而提高性能質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本［7］?，F(xiàn)有計(jì)算方法都是建立在假定接觸區(qū)形狀的基礎(chǔ)上，按赫茲的接觸理論進(jìn)行求解［8］，這與實(shí)際情況不符。文中研究的夾具接觸與齒輪接觸情況類似，其瞬間接觸形狀與壓力分布是典型的接觸非線性問題，有限元法可以更好地解決。

由有限元分析軟件ANSYS根據(jù)工況建立幾何模型，在柱坐標(biāo)中設(shè)定有限元模型以及建立接觸副，此受力模型為對(duì)稱模型，故可取一半模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖6所示。牙塊材料選擇為20CrMnTi，其材料屈服強(qiáng)度 835 MPa，泊松比為0.25，彈性模量為207 GPa。添加約束時(shí)考慮到工件的整體性，在工件表面添加對(duì)稱約束;其余根據(jù)實(shí)際工況添加約束與面力載荷。結(jié)合工況，通過式 (1)可得到每個(gè)牙塊對(duì)工件的面壓力約為20 MPa。

圖6 牙塊與工件接觸副有限元模型

通過ANSYS仿真分析，可以得到以下結(jié)果:

(1)圖7所示為牙塊與工件接觸應(yīng)力云圖，可以看出:牙塊Mises應(yīng)力分布比較均勻，較大應(yīng)力主要分布在壓塊與工件薄壁接觸附近，與真實(shí)工況相符;最大應(yīng)力約為174.124 MPa，通過*get命令可以查到最大應(yīng)力值節(jié)點(diǎn)編號(hào)為805，位于與工件接觸位置牙塊上。材料20CrMnTi的屈服強(qiáng)度為835 MPa，由此可見牙塊夾緊工件時(shí)受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，所以不會(huì)造成牙塊的損壞。

圖7 牙塊與工件接觸Von Mises應(yīng)力云圖

(2)圖8所示為牙塊與工件接觸應(yīng)力仿真結(jié)果云圖，可以看到:牙塊與工件之最大接觸應(yīng)力約為287.223 MPa，接觸力均勻地分布在工件與牙塊接觸的3個(gè)位置上，說明這3處在裝配中是主要摩擦力產(chǎn)生的地方，在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)針對(duì)減少牙塊磨損進(jìn)行改良。

圖8 牙塊與工件接觸應(yīng)力分析結(jié)果云圖

(3)圖9所示為牙塊位移云圖，可以看出:每個(gè)工件的位移分布均勻，梯度分布均勻。這說明了工件的變形較為均勻，最大位移出現(xiàn)在靠近工件與牙塊接觸位置，最大位移約為0.19 mm。遠(yuǎn)離工件位置的變形逐漸變小。

圖9 牙塊位移云圖

4 結(jié)論

通過上述分析可以得出:

(1)提出的兩個(gè)液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)6個(gè)牙塊夾緊工件、通過6個(gè)滑槽結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到定心作用，從而解決夾緊工件時(shí)定心不準(zhǔn)的問題。

(2)通過仿真分析可以確定該結(jié)構(gòu)的螺桿鉆具拆裝架能滿足拆裝工作要求。

最后結(jié)合上述工作原理，采用“以人為本”的設(shè)計(jì)概念，對(duì)整個(gè)拆裝架進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，最終的改進(jìn)后的螺桿鉆具拆裝架如圖10所示。該結(jié)構(gòu)大大提高了工作效率和作業(yè)質(zhì)量，也提升了拆裝架產(chǎn)品本身的價(jià)值，具有很廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

圖10 改進(jìn)后固定鉗整體概念圖

【1】符達(dá)良.國(guó)外螺桿鉆具發(fā)展近況［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1985，14(3):36－46.

【2】林紹東，思謙.JZY_I型多用途鉆具拆裝架［J］.石油機(jī)械，1996，18(1):34－35.

【3】蔡瑾，段國(guó)林，李翠玉，等.夾具設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31(5):35－40.

【4】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:57－89.

【5】曹鈞，王寶貴，顧愛中.螺桿鉆具拆裝架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2001(3):15－17.

【6】孫恒，陳作模.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.

【7】于佳，孫榮國(guó).ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.網(wǎng)絡(luò)與信息，2011(6):32.

【8】龐曉琛.基于ANSYS的齒輪接觸問題研究［J］.起重運(yùn)輸機(jī)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

許陽雙 (1988—)，女，碩士研究生，主要從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。E－mail:824479190@qq.com。