液壓動力卡瓦結構設計及力學分析

任 波

液壓動力卡瓦結構設計及力學分析

任 波

（渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010）

液壓動力卡瓦是井口機械自動化的重要工具。介紹了國內(nèi)外液壓動力卡瓦的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了卡瓦卡緊管柱條件、卡瓦上提不自鎖條件、最大半錐角αmax、卡瓦最小工作面積及卡瓦牙的牙形、材料和硬度等影響卡瓦性能的因素，并對其主要部件——卡瓦牙和卡瓦座進行了有限元分析和動力學分析，結果表明強度滿足使用要求。

液壓；動力卡瓦；有限元分析

卡瓦是減輕井口操作勞動強度、加快起下鉆作業(yè)的重要工具之一。在鉆井過程中，卡瓦是利用錐面工作原理將井中的鉆柱卡住并懸持在井口轉(zhuǎn)盤上，不同大小規(guī)格的鉆柱需要使用不同規(guī)格的卡瓦?？ㄍ咧饕煽ㄍ唧w、卡瓦牙、手柄以及連接件等組成，根據(jù)卡瓦體的數(shù)量可分為4片式、3片式和多片式3種形式；按用途可分為鉆桿卡瓦、鉆鋌卡瓦和套管卡瓦3種形式?？ㄍ邚V泛用于鉆井工程中卡緊管柱以實現(xiàn)對管柱的控制，為解決鉆井起下鉆和下套管作業(yè)時存在工人勞動強度大、工作效率低、安全性能差等問題，機械化的動力卡瓦［1-6］得到了廣泛應用，引入氣缸或液缸作為卡瓦工作的動力，并有效降低了卡瓦體的工作高度。

近年來，隨著海洋石油勘探開發(fā)力度加大及深井、超深井的發(fā)展，由此進一步提高了對鉆井設備尤其是井口工具的穩(wěn)定性、自動化和智能化要求［7］。氣動卡瓦已不能滿足提高鉆井效率和安全性的要求。自動液壓動力卡瓦與氣動卡瓦相比，具有以下優(yōu)勢：易與電控系統(tǒng)結合，自動化水平高；功率大，在承受大載荷的情況下穩(wěn)定性好；易于實現(xiàn)過載保護，安全性好［8］。

1 國內(nèi)外液壓動力卡瓦現(xiàn)狀

目前，國外生產(chǎn)液壓動力卡瓦的主要是美國TES公司和Hydra Rig公司。美國TES公司是生產(chǎn)液壓動力卡瓦的專業(yè)公司，其產(chǎn)品結構緊湊、使用方便、安全可靠，適用于?25．4～244．5 mm（1～9英寸）的作業(yè)管柱。TES公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦的外形結構如圖1所示，基本參數(shù)如表1。

圖1 美國TES公司的液壓動力卡瓦

近幾年，國內(nèi)在氣動卡瓦技術研究方面取得了一定成績，氣動卡瓦已逐步替代起下鉆作業(yè)時使用的雙吊卡與手動卡瓦。而國內(nèi)目前對液壓動力卡瓦的研究處于剛起步階段，在跟蹤國外技術的基礎上，陸續(xù)研制了不同規(guī)格的液壓動力卡瓦，但產(chǎn)品結構及規(guī)格單一、承載能力低、控制集成度較差，多應用于陸地常規(guī)鉆探作業(yè)中［9］。

表1 美國TES公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦參數(shù)

2 液壓動力卡瓦設計方案

2．1 基本參數(shù)設計計算

由卡瓦機構的分析表明，當傾斜角度、卡瓦與管柱的咬合系數(shù)、卡瓦牙背面與卡瓦座之間的摩擦因數(shù)成最佳比例時，卡瓦才能可靠地卡住管柱。

2．1．1 卡瓦卡緊管柱的條件

卡瓦的卡緊過程是靠油管由于自重下行時，與卡瓦牙接觸，并且?guī)涌ㄍ唧w一起下行而逐漸楔緊的。在楔緊的過程中管柱的重力Q為主動力，在Q的作用下，靠管柱與卡瓦牙之間的摩擦力F2帶動卡瓦一起下行，使卡瓦楔緊管柱。受力情況如圖2所示。因此，卡瓦卡緊管柱的基本條件是管柱下行時能否帶動卡瓦牙而實現(xiàn)楔緊作用［10］。楔緊作用越強，則管柱卡緊越可靠。為此應保證

圖2 卡瓦受力分析

式中：F1為卡瓦體與卡瓦座之間的摩擦力，F(xiàn)1＝N1f1；F2為卡瓦體與管柱之間的摩擦力，F(xiàn)2＝N2f2；N1為法向反力；N2為正壓力；f1為卡瓦體與卡瓦座之間的摩擦因數(shù)；f2為卡瓦體與管柱之間的摩擦因數(shù)；α為半錐角。

當卡瓦卡緊后，根據(jù)平衡條件有

整理得

上式即卡瓦正常工作的必要條件，分析上式可以得出以下結論：

1） 當f2＞f1時，才能使卡瓦牙保持平衡，從而卡住管柱。因此，使用時要保持卡瓦牙背部清潔光滑，及時檢查卡瓦牙的磨損情況，一旦發(fā)現(xiàn)磨損嚴重時要立即更換。

2） α越小，則卡緊越易，但α過小會使卡瓦軸向尺寸過長，并且產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，而且也會進一步增大對管柱的壓力。因此，必須合理地確定α。

2．1．2 卡瓦上提不自鎖條件

卡瓦在工作時，必須靠油管上提來實現(xiàn)松卡，然后通過卡瓦的舉升液壓缸的舉升力把卡瓦牙帶出卡瓦座。因此，要求卡瓦座不能產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。

卡瓦不自鎖的條件是卡瓦半錐角α應大于卡瓦牙與卡瓦座之間摩擦角即

為防止卡瓦牙與卡瓦座發(fā)生自鎖現(xiàn)象，設計時應保證α＞φ，又tanφ＝f1，所以

卡瓦牙體與卡瓦座之間的摩擦因數(shù)f1取值范圍為0．05～0．15，當摩擦條件惡劣時，f1≈0．15，所以

即半錐角α應大于8°31′才不致于產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。在實際應用中，常采用α＝9°27′45″±2′30″，此時錐度K＝1∶3，為標準錐度，便于加工。

《鉆井卡瓦技術條件》標準（SY5049—1984）表明，當錐度K＝1∶3時，即使在卡瓦牙和卡瓦座的摩擦表面只用水潤滑也能可靠地卡緊管柱，這個錐度對現(xiàn)有各型卡瓦是比較合理的。

2.1.3 最大半錐角αmax

無論是從不產(chǎn)生自鎖要求出發(fā)，還是從盡量減小卡瓦軸向長度出發(fā)，都希望能增大α。分析式（3）可知，當f1越小，f2越大，則α越大。

減小f1的途徑可通過提高卡瓦牙與卡瓦座的加工精度，降低表面粗糙度和改善潤滑條件實現(xiàn)。但在計算時仍保守地取f1＝0．15，以保證安全。

增大f2的途徑是提高牙板材料，改進熱處理條件，合理選擇牙板牙形來實現(xiàn)，據(jù)資料介紹，f2可達0．5之多。這時卡瓦牙與管柱之間已不能簡單地用剛體摩擦來解釋了，實際上彼此有變形、吃入現(xiàn)象。

如果把f1＝0．15、f2＝0．5代入式（3），可得出α稍大于15°。因此取αmax＝15°。此時恰為K＝1∶1．866的標準錐度（如圖3）。

實際上，當α＝15°時，f2＝0．425＜0．500，因而是可行的。

圖3 不同錐度下f2min和p／Q　與f1之間的關系曲線

2．2 卡瓦最小工作面積

鉆桿或套管的卡緊會在卡瓦內(nèi)產(chǎn)生復雜應力。這種復雜應力是由2種載荷的作用引起的，即拉伸載荷和壓縮載荷。拉伸載荷由管柱自重引起，其作用方向為軸向，壓縮載荷是徑向的，為卡瓦工作時所產(chǎn)生。前面已經(jīng)分析過，這2種載荷互相聯(lián)系、取決于卡瓦與卡瓦座斜角以及摩擦因數(shù)的大小。

改進卡瓦結構的另一途徑是增加牙板對管柱的環(huán)形包角，以使卡瓦的壓力能更均勻地加到管柱上、這對增加卡瓦的懸重能力，避免卡瓦咬傷管壁很重要。

只有卡瓦面上有足夠的正壓力，才能產(chǎn)生足夠的軸向和周向摩擦力。但如果卡瓦面上單位面積的載荷過大，一方面可能將管柱擠壞，另一方面也會使卡瓦牙快速磨損而無法正常工作。

根據(jù)力學平衡條件及前面的推導，各卡瓦牙施加給管柱的徑向壓緊力的總和為

式中：p為卡瓦表面正壓力；Q為管柱重力。因此卡瓦的最小接觸面積S為

在管柱直徑一定的條件下，卡瓦總周長實際上是一定的，因此求接觸面積S的目的是確定卡瓦的長度。

目前，卡瓦的長度一般不少于200 mm，但最大長度不超過400 mm，因研究表明，載荷并不隨長度按同比例增加。當卡瓦長度從300 mm加大到400 mm，所能增加的軸向載荷不大于10%～12%。

2．3 卡瓦牙牙形

卡瓦牙的牙形對卡瓦的性能有很大影響。確定卡瓦的牙形既要考慮管子的臟污程度，同時又要考慮卡瓦牙的耐磨性和牙齒之間消除污物的自潔能力，特別是產(chǎn)生的銹蝕。根據(jù)實際使用的情況，主要有2種牙形被廣泛采用：第1種切牙是螺紋，牙距h ＝7～8 mm，β＝80°（如圖4）；第2種切牙是一種凸塊，每個凸塊呈切頂角錐形，切頂表面約為3 mm× 3 mm（如圖5）。這2種形狀和尺寸的切牙能夠保證卡瓦與油管的咬合系數(shù)不論表面在干的或濕的狀態(tài)都能滿足要求。有資料表明，咬合系數(shù)隨油管在卡瓦中的軸向位移增大而增大。

圖4　螺紋型切牙結構

圖5　凸塊型切牙結構

2．4 卡瓦材料

卡瓦牙和卡瓦座是卡瓦的主要零部件，卡瓦牙的牙形、材料和硬度對于卡瓦的卡緊管柱能力、卡瓦牙壽命及保護管柱體表面等都有很重要的影響。目前大多采用20Cr Mo、12Cr Ni之類的低碳合金結構鋼制作卡瓦牙，經(jīng)過滲碳淬火后使其硬度達43～52 HRC或采用高碳合金鋼進行高頻加熱與淬火?？ㄍ哐缹儆谝讚p零件，其拆換應力求方便。

卡瓦座通常用中碳合金結構鋼，鑄成后熱處理的硬度為207～328 HB。

卡瓦的強度應按最大作用載荷并考慮25%的可能過載進行計算，計算時所取的安全系數(shù)應不小于2。

3 結構設計及力學分析

3．1 結構設計

通過分析國外液壓動力卡瓦的結構，結合國內(nèi)制造技術現(xiàn)狀，利用Pro／E軟件以2片式液壓動力卡瓦為例，對卡瓦的零部件進行結構設計，并通過了組裝和干涉檢驗。2片式液壓動力卡瓦由卡瓦座、活塞桿、壓圈、連桿和卡瓦牙等組成，如圖6所示?？ㄍ咦蠈ΨQ設置有2個液缸，2個活塞桿連接在1個壓圈上，保證活塞桿的同步往復運動，從而帶動卡瓦牙在卡瓦座內(nèi)導向槽上下移動，實現(xiàn)對管柱的卡緊和松開。其主要特點是：零部件少，結構簡單，工藝性好，總體尺寸小，可倒置安裝。

圖6　2片式液壓動力卡瓦結構

3．2 基本技術參數(shù)

最大通徑130 mm

卡瓦片數(shù)2

液缸數(shù)2

關閉高度400 mm

額定載荷400 k N

開啟高度638 mm

液缸直徑?40 mm

控制壓力4．0 MPa

半錐角9．5°

液缸行程238 mm

整體質(zhì)量220 kg

3．3 力學分析

為保證卡瓦正常工作，必須保證卡瓦牙和卡瓦座2個零件的強度滿足使用要求。本文按照第四強度理論，應用有限元分析軟件ANSYS對這2個零件進行了強度分析。

3．3．1 卡瓦牙

卡瓦牙三維實體模型如圖7所示，其基本參數(shù)為：材料20Cr Mo；熱處理硬度43～52 HRC；屈服極限σs＝685 MPa；強度極限σb＝885 MPa；彈性模量206 GPa；泊松比μ＝0．3。由于卡瓦牙的對稱結構，為了便于簡化計算，將牙型簡化成圓柱面，并忽略連接結構，卡瓦牙的計算模型及網(wǎng)格劃分如圖8所示。根據(jù)卡瓦牙的工作情況，牙體與管柱接觸的柱面受垂直向下的拉力和垂直柱面的壓力，斜面承受來自卡瓦座的壓力。在對稱面所有節(jié)點z向位移為0，斜面節(jié)點限制x、y方向的自由度。

由于卡瓦牙體受拉壓綜合作用力，按照第四強度理論計算其Von Miss相當應力，計算結果如圖9，最大應力為239．155 MPa，平均應力為66．650 MPa。

圖7　卡瓦牙三維實體模型

圖8　卡瓦牙計算模型

圖9　卡瓦牙體節(jié)點應力云圖

由圖9可以看出：牙體應力分布比較均勻，最大應力發(fā)生在內(nèi)圓柱面與對稱面相交處和外圓柱面與牙體相交處，最大VonMiss應力σmax＝239．155 MPa，滿足設計安全系數(shù)大于2的要求。發(fā)生在外圓柱面與牙體相交處的應力集中可通過過渡圓角得到改善。

3．3．2 卡瓦座

卡瓦座的基本參數(shù)為：材料40Cr；熱處理硬度207～328 HB；屈服極限σs＝685 MPa；強度極限σb＝490 MPa；彈性模量206 GPa；泊松比μ＝0．3。其三維實體模型如圖10所示。

圖10　卡瓦座三維實體模型

由于卡瓦座的對稱結構，為了便于簡化計算，取其1／4作為計算模型，卡瓦座計算模型及網(wǎng)格劃分如圖11所示。根據(jù)卡瓦座的工作情況，卡瓦座與卡瓦牙接觸的斜面承受垂直斜面的壓力，工作壓力為40 MPa。在卡瓦座對稱面所有節(jié)點垂直對稱面方向位移為0，底面節(jié)點限制z方向的自由度。如圖12所示。

圖11　卡瓦座計算模型

圖12　卡瓦座載荷邊界條件

由于卡瓦座主要受壓力作用，按照第四強度理論計算其Von Miss相當應力，計算結果如圖13所示，最大應力106．7 MPa，平均應力41．52 MPa。

由圖13可以看出：牙體應力分布比較理想，最大應力發(fā)生在內(nèi)圓錐面、液缸所在對稱面及卡瓦座底面相交處，最大VonMiss應力σmax＝106．7 MPa，滿足設計安全系數(shù)遠大于2的要求。整個液缸的應力較小而且分布比較均勻，能夠保證液缸運行的平穩(wěn)可靠。

圖13　卡瓦座節(jié)點應力云圖

4 結語

1)卡瓦性能影響因素分析表明，卡瓦牙的牙形、材料和硬度對于卡瓦的卡緊管柱能力、卡瓦牙壽命及保護管柱體表面等都有很重要的影響。

2)對卡瓦主要部件——卡瓦牙和卡瓦座進行了有限元分析和動力學分析，結果表明強度滿足使用要求。

3)液壓動力卡瓦應用于鉆井作業(yè)中可提高鉆井自動化操作程度，能大幅降低工人的勞動強度，提高工作效率，避免安全事故的發(fā)生，具有較強的實用性和廣闊的推廣應用前景。

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Structural Eesign and Mechanical Analysis of Hydraulic Power Slips

REN Bo
（China Petroleum Liaohe Equipment Company，Panjin 124010，China）

Hydraulic power slips wellhead machinery automation is an important device，and the development of hydraulic power slips is introduced．Carvaka string tight conditions，slips on not self-locking condition，the half cone angleαmax，slips the smallest working area and the Ka Vo Dental tooth shape，material and hardness of the factors affecting the properties of kava are analyzed．Its main components-slip insert and slips to the finite element analysis and dynamic analysis results indicate that to meet application requirements．

hydraulic；power slips；finite element analysis

TE921．9

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．014

1001-3482（2015）04-0055-06

2014-10-18

任 波（1980-），男，遼寧朝陽人，工程師，主要從事海洋石油工程的技術工作，E-mail：renbo1980＠163．com。