SBT扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀傳動(dòng)軸斷裂分析

任曉寧

(西安威盛電子科技股份有限公司 陜西 西安 710304)

·經(jīng)驗(yàn)交流·

SBT扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀傳動(dòng)軸斷裂分析

任曉寧

(西安威盛電子科技股份有限公司 陜西 西安 710304)

SBT扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀是一種高精度固井質(zhì)量評價(jià)儀器，在測井過程中常發(fā)生傳動(dòng)軸斷裂故障。從力學(xué)角度分析了傳動(dòng)軸斷裂故障原因，并提出了解決斷軸問題的思路和具體方法。

水泥膠結(jié)測井儀；傳動(dòng)軸；斷裂故障

0 引 言

SBT扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀作為一種高精度固井質(zhì)量評價(jià)儀器，在測井過程中常發(fā)生斷軸事故，給正常測井帶來很大影響。解決斷軸事故，變得日益迫切。

經(jīng)過對傳動(dòng)軸熱處理工藝以及機(jī)械加工工藝調(diào)整，結(jié)果均不理想。從力學(xué)角度對傳動(dòng)軸進(jìn)行了受力分析，并對傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，經(jīng)過實(shí)際測井驗(yàn)證取得了滿意的效果。

1 斷裂情況介紹

SBT扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀的傳動(dòng)軸零件工作圖如圖1所示。傳動(dòng)工作時(shí)沿軸向受拉力作用，裂紋產(chǎn)生均發(fā)生在軸頸Φ19與Φ9.5過渡圓角R1處。傳動(dòng)軸R1處斷裂截面形貌如圖2所示。

傳動(dòng)軸材料為沉淀硬化不銹鋼17-4PH，熱處理硬度HRC35～38，最小屈服強(qiáng)度σS=930 MPa，軸向負(fù)載13 000N，那么Φ6.5和R1(計(jì)算直徑Φ(9.5+2)=Φ11.5)處，理論拉應(yīng)力計(jì)算分別為392 MPa和125 MPa[1]。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度930 MPa。

是否傳動(dòng)軸熱處理硬度、熱處理工藝和機(jī)械加工工藝存在問題，造成R1處產(chǎn)生熱處理裂紋或應(yīng)力集中？經(jīng)過多次試驗(yàn)，如降低熱處理硬度增加韌性、調(diào)整機(jī)械加工工藝，降低零件表面粗糙度等，均未解決斷軸故障。

圖1 傳動(dòng)軸零件工作圖

圖2 傳動(dòng)軸 R1處斷裂截面形貌圖

2 斷裂原因分析

2.1 連接裝配結(jié)構(gòu)介紹

SBT儀器使用一個(gè)連接套和一個(gè)錐端緊定螺釘將傳動(dòng)軸與連接筒連接在一起，來傳遞軸向拉力。傳動(dòng)軸連接裝配圖如圖3所示[2]。連接套內(nèi)孔根部加工有退刀槽，在緊定螺釘作用下，連接筒與連接套在退刀槽B處，以及緊定螺釘A處掛接，來承擔(dān)軸向拉力載荷F。

圖3 傳動(dòng)軸連接裝配圖

2.2 傳動(dòng)軸受力分析

由圖3可知，由于A處為線接觸，受軸向載荷力F后，材料若出現(xiàn)彈塑性變形，那么連接套相對于連接筒會(huì)發(fā)生α角旋轉(zhuǎn)，使得傳動(dòng)軸受力由面接觸變成C點(diǎn)的點(diǎn)接觸，產(chǎn)生了附加彎矩M。于是在傳動(dòng)軸R1處，除了有拉應(yīng)力σb外，還有附加彎曲應(yīng)力σw的作用。下面對傳動(dòng)軸R1處實(shí)際最大應(yīng)力σ進(jìn)行計(jì)算。

傳動(dòng)軸R1處的計(jì)算直徑

d=9.5+2=11.5(mm)

拉應(yīng)力

σb=4F/πd2=4×13 000/π(9.5+2)2=125.2(MPa)

彎矩

M=F×d/2=13 000×(9.5+2)/2=74 750(Nmm)

抗彎截面模量

W=πd3/32=π×(9.5+2)3/32=149.236(mm3)

彎曲應(yīng)力

σw=M/W=74750/149.236=500.9(MPa)

也就是直徑d(9.5+2)mm截面處最大應(yīng)力為：

σ=σb+σw=125.2+500.9 =626.1(MPa) <930 MPa

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，附加彎曲應(yīng)力σw遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力σb，軸的斷裂和附加彎曲應(yīng)力σw關(guān)系很大，但總應(yīng)力σ小于軸材料屈服極限σs。由此可以推斷，造成傳動(dòng)軸斷裂一定是彎曲應(yīng)力σw引起的疲勞應(yīng)力斷裂。

3 解決問題的辦法

解決軸斷裂有兩個(gè)途徑，一是更換強(qiáng)度更高的材料，二是減小或消除彎曲應(yīng)力σw[3]。更換強(qiáng)度更高的材料將使材料成本增加，而且使得細(xì)長軸的加工工藝變得很難保證，綜合成本急劇升高，不宜采用。

在軸的結(jié)構(gòu)上想辦法，使得在拉力F作用下，傳動(dòng)軸的受力接觸不是某個(gè)點(diǎn)，而是軸R1處的整個(gè)臺階面，從而消除附加彎曲應(yīng)力σw的作用。經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)后的軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)軸改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

將傳動(dòng)軸做成分體球鉸結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接套相對連接筒旋轉(zhuǎn)α角度時(shí)，傳動(dòng)桿球鉸部分也相應(yīng)傳動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)α角，使得傳動(dòng)軸的受力軸肩始終與連接套傳力面保持面接觸，而非圖3中C處的點(diǎn)接觸，從而彎矩力臂消失，彎應(yīng)力σw=0。傳動(dòng)軸最大拉應(yīng)力σb=125.2 MPa。

4 結(jié)束語

通過對SBT扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀的傳動(dòng)軸的受力分析，找到了斷軸事故的原因。并采用最經(jīng)濟(jì)合理的方法，重新對傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，優(yōu)化了軸的受力狀態(tài)。經(jīng)理論計(jì)算和測井實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，徹底解決了斷軸缺陷，滿足了儀器設(shè)計(jì)高可靠性要求。

[1] 中國航空材料編輯委員會(huì).中國航空材料手冊[M]第一卷 結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版,1988：748-780.

[2] ATLAS公司. 1424XA/XB Segmented Bond Tool—Detailed Description of Service[Z].1998.

[3] 喬孝純，牛錫傳，羋振南，等.機(jī)械零件[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1986：164-203.

Fracture Failure Analysis of the Transmission Shaft in the Segmented Bond Tool

REN Xiaoning

(Xi′anWell-sunElectronicTechnologyPLC，Xi′an,Shaanxi710065,China)

The segmented bond tool (SBT) is a high-accuracy well cement bond evaluation tool. Its transmission shaft is often broken in the logging process. This article analyses the causes of the fracture failure of the transmission shaft in view of mechanics, and proposes the solution to the failure.

segmented bond tool; transmission shaft; fracture failure

任曉寧，男，1970年生，工程師，1993年畢業(yè)于西安交通大學(xué)鍛壓工藝及設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)從事石油測井儀器的技術(shù)研發(fā)工作，擔(dān)任研發(fā)中心經(jīng)理以及首席機(jī)械工程師職務(wù)。E-mail:rxn_110@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)02-0091-02

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.021

2016-09-18 編輯：姜 婷)