井下牽引器脹閘結(jié)構(gòu)設計和力學分析

高勝 李叢波 孫文

摘 要：本文介紹了井下牽引器的脹閘結(jié)構(gòu)設計，采用柔性支臂的設計方案，對其進行原理設計及結(jié)構(gòu)設計。通過大型有限元通用軟件ANSYS，對彈簧鋼片等關(guān)鍵承載構(gòu)件進行力學分析，根據(jù)計算結(jié)果，彈簧鋼片等構(gòu)件滿足強度要求，符合設計的條件。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設計 柔性 承載結(jié)構(gòu) 力學分析

中圖分類號：TE92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0092-03

井下牽引器脹閘結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)運動的保障，脹閘結(jié)構(gòu)要提供足夠的脹緊力，同時要保證與井壁的接觸力足夠大，這樣才可以保證牽引器達到需要的牽引力。傳統(tǒng)的設計方案為四桿結(jié)構(gòu)[1～2]，采用平行四邊形的支撐結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)脹閘機構(gòu)的脹緊和收縮，使得機構(gòu)簡單可靠，但是四桿結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間較大。所以在傳統(tǒng)的設計方案上提出一種全新的設計方案，即柔性支臂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只是由彈簧片構(gòu)成支撐臂，結(jié)構(gòu)簡單，保證牽引器始終處于正中位置時，由于具有柔性，在脹緊時，彈簧片與井壁充分接觸，防止相對井壁產(chǎn)生滑動。所以綜合以上所述，本設計選擇柔性的脹閘結(jié)構(gòu)。

1 脹閘結(jié)構(gòu)設計

1.1 牽引器原理設計

該牽引器基于伸縮往復運動，主要包括：前后兩個脹閘機構(gòu)和中間的一個伸縮驅(qū)動機構(gòu)。運動原理如圖1所示。（圖1）a為初始狀態(tài)，兩個脹閘模塊的支撐臂撐開壓緊管壁。開始工作之后脹閘模塊1工作鎖止，同時脹閘模塊2收回。然后伸縮驅(qū)動機構(gòu)展開，如（圖1）b所示直到最大行程，之后脹閘模塊1收回，脹閘模塊2工作鎖止，拖動后面裝置向前運動如圖1c所示，繼而恢復到（圖1）a狀態(tài)。此時系統(tǒng)已經(jīng)向前運行了一段距離，反復進行從（圖1）a到（圖1）c運動過程，牽引器就能夠不斷前進，直到到達目的地。

1.2 脹閘模塊設計

柔性的脹閘結(jié)構(gòu)就是采用具有一定彎曲性能的柔性臂[3]，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由彈簧片、液壓缸、滑套、連桿等組成。開始工作時，柔性臂處于收縮狀態(tài)，一旦受到壓力時，柔性臂會產(chǎn)生彎曲，像燈籠一樣脹滿井內(nèi)，與井壁緊緊地接觸。由于柔性臂與井壁接觸的端面有自鎖裝置，或者經(jīng)過特殊的處理，會產(chǎn)生很大的摩擦力，使得牽引器整體被鎖住。這種脹閘機構(gòu)的動力源與四桿機構(gòu)脹閘是類似的，通過液力裝置提供驅(qū)動力，進而通過滑套帶動柔性臂兩端靠近或者遠離實現(xiàn)脹閘的脹緊和收縮。

2 脹閘結(jié)構(gòu)有限元力學分析

根據(jù)脹閘結(jié)構(gòu)在實際工作中承載的特點，將井壁簡化成一個長方體。彈簧片的柔性行走機構(gòu)的簡化模型（如圖3）。在井壁的簡化實體下端面施加全位移約束，彈簧片一端固定，施加全位移約束，彈簧片另一端鉸支，施加Y方向和Z方向的約束。將液壓缸的動力轉(zhuǎn)化為等效面載荷，均勻施加到彈簧片鉸支一端的截面上，然后進行求解運算。

彈簧片的尺寸參數(shù)（見表1），力學性能參數(shù)（見表2）。

彈簧片與井壁接觸所產(chǎn)生的應力云圖（圖4a、c、e），可以看出開始接觸時，是一個區(qū)域與井壁接觸，隨著載荷的增加，接觸應力隨之增大，彈簧片與井壁的接觸面積增加，接觸面積逐漸由一個區(qū)域變成兩個區(qū)域，并由中間向兩邊進行擴散，同時接觸應力大小也有短暫的趨于平穩(wěn)，這是因為剛開始時，是一個區(qū)域接觸，當分散成兩個區(qū)域時，這兩個區(qū)域就分擔了總的接觸應力，所以接觸應力數(shù)值會維持在50 MPa，當兩個區(qū)域接觸處趨于平穩(wěn)時，接觸應力也隨之增加。從接觸面所產(chǎn)生的應力云圖（圖4b、d、f），可以看出井壁所受的應力開始也是集中在一個區(qū)域，后來逐漸由一個區(qū)域變成兩個區(qū)域，并且接觸應力也是隨著載荷的增加而增大，在變化的過程中所受的接觸應力維持在30 MPa，彈簧片的接觸應力值與井壁所受的應力數(shù)值不相等，主要是因為兩者在材料屬性選擇上不同造成的。

接觸應力隨載荷變化的圖像（圖5）顯示載荷小于650 N時接觸應力為0 MPa，這是因為根據(jù)井下牽引器實際運行的情況，彈簧片與井壁有一定的間隙，載荷小于650 N時，兩者還沒有接觸，當載荷達到650 N時，彈簧片與井壁開始接觸，接觸應力隨載荷的增加而增大。

接觸壓力隨載荷變化的圖像如圖6所示，接觸壓力隨載荷的增大呈非線性的增加。根據(jù)該設計的要求，彈簧片與井壁之間的接觸壓力應該為5000 N，依據(jù)（圖5）與（圖6）知，當載荷為5300 N時，接觸壓力為5000 N，接觸應力為189.25 MPa，彈簧片的材料為65 Mn，屈服強度為690 MPa，彈簧片的接觸應力小于65 Mn的屈服強度，滿足強度要求。

3 結(jié)論

本文對井下牽引器脹閘結(jié)構(gòu)進行了合理的設計，在支撐臂構(gòu)件上，采用彈簧片創(chuàng)新性的設計，運用ANSYS分析軟件，根據(jù)實際情況對物理模型進行簡化，建立仿真模型，正確施加荷載與約束的情況下，進行求解分析，滿足實際要求，由以上分析可知，在設計要求下，載荷加載到最大值時，彈簧片等關(guān)鍵性構(gòu)件滿足強度要求。

參考文獻

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