螺桿轉(zhuǎn)具中空萬(wàn)向軸設(shè)計(jì)研究

◇西南石油大學(xué)成都校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院 竇宇祥 高 敬 賀子煜 陳 磊

隨著油氣勘探鉆井作業(yè)的逐步推進(jìn)，普通實(shí)心螺桿鉆具無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)投球作業(yè)的需求，本文針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)萬(wàn)向軸的水帽接頭、轉(zhuǎn)子接頭以及球鉸連桿等關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了中空萬(wàn)向軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用有限分析進(jìn)行受力分析結(jié)果表明，萬(wàn)向軸的關(guān)鍵零件的強(qiáng)度滿足要求。

1 前言

螺桿鉆具主要由旁通閥總成、防掉總成、馬達(dá)總成、萬(wàn)向軸總成、傳動(dòng)軸總成等組成。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展萬(wàn)向軸總成有多種形式，具體報(bào)告花瓣式、撓軸式、球鉸接式等多種形式。目前，技術(shù)成熟且應(yīng)用較為普遍的萬(wàn)向軸主要為花瓣式、球鉸接式以及撓軸式萬(wàn)向軸。隨著油氣鉆井不斷發(fā)展，鉆井過(guò)程中可能需要投放“圓球”，而目前螺桿鉆具的萬(wàn)向軸總成主要為實(shí)心零件，無(wú)法滿足“投球”的工藝要求，目前也有科研單位和公司開發(fā)了中空螺桿鉆具，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果不是很理想。為了滿足工藝要求，本文將主要針對(duì)球鉸鏈萬(wàn)向總成進(jìn)行中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 中空萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球絞式萬(wàn)向軸總成主要由水帽接頭、球絞連桿、半環(huán)、壓環(huán)（鎖緊帽）、滾柱（或滾珠）、承壓鋼球以及轉(zhuǎn)子接頭等結(jié)構(gòu)組成。球絞連桿與兩端接頭主要通過(guò)承壓鋼球與滾柱連接，接著通過(guò)半環(huán)和壓環(huán)鎖緊，最后用密封橡膠進(jìn)行密封。通過(guò)承壓鋼球傳遞軸向力，連桿兩端外圓表面上的滾柱傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速。中間連接桿通過(guò)繞承壓鋼球做定心轉(zhuǎn)動(dòng)及兩端滑到內(nèi)的滾柱滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向作用，中空萬(wàn)向軸的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 萬(wàn)向軸總成結(jié)構(gòu)

球絞連桿的兩端通過(guò)滾珠實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)子接頭和水帽接頭的連接。由于螺桿鉆具在工作時(shí)主要承受剪切應(yīng)力，為了提高其使用壽命，兩段分別采用了8個(gè)滾珠進(jìn)行鉸鏈。連接桿兩段通過(guò)繞承壓鋼球做定心轉(zhuǎn)動(dòng)及兩端滑到內(nèi)的滾柱滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向作用，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。水帽接頭以及轉(zhuǎn)子接頭的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示。

圖2 球絞連桿

圖3 轉(zhuǎn)子接頭

圖4 水帽接頭

3 中空萬(wàn)向軸萬(wàn)向節(jié)有限元分析

以172型螺桿鉆具為例，利用有限元軟件對(duì)中空萬(wàn)向軸的關(guān)鍵零部件進(jìn)行限元分析。

3.1 網(wǎng)格劃分及施加載荷

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用網(wǎng)格適應(yīng)性更強(qiáng)的SOLID92（10節(jié)點(diǎn)的四面體）單元。采用該單元時(shí)，曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲面邊界，因此當(dāng)待分析零件結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則且應(yīng)力分布或變形較為復(fù)雜時(shí)，可以采該單元進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖5所示，在每一個(gè)球鉸鏈的位置施加800Nm的扭矩，攻擊6400Nm的扭矩，在螺紋連接側(cè)施加全約束（ALL DOF）。

圖5 水帽接頭有限元模型

3.2 結(jié)果分析

利用ANSYS軟件的結(jié)果處理器對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到關(guān)鍵零件在工作過(guò)程中所承受的應(yīng)力以及發(fā)生的應(yīng)變情況，并以此為依據(jù)，判斷零部件的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)比分析了實(shí)心結(jié)構(gòu)萬(wàn)向軸與空心結(jié)構(gòu)萬(wàn)向軸的受力情況。連接軸以及水帽接頭的材質(zhì)為40CrNiMo，許用壓應(yīng)力[T]＝980MPa，許用切應(yīng)力[r]=500MPa。

圖6 實(shí)心球絞連桿的等效應(yīng)力

圖7 空心球絞連桿等效應(yīng)力

圖8 實(shí)心水帽接頭等效應(yīng)力

圖9 空心水帽接頭等效應(yīng)力

分析結(jié)果表明，實(shí)心球絞連桿的最大等效應(yīng)力為149MPa，空心球絞連桿的最大等效應(yīng)力為155MPa，實(shí)心球絞連桿等效應(yīng)力為350MPa，空心球絞連桿等效應(yīng)力為441MPa，均小于許用切應(yīng)力。因此，本文所設(shè)計(jì)的中空萬(wàn)向軸的關(guān)鍵零部件強(qiáng)度均滿足要求。

4 結(jié)論

（1）隨著油氣鉆井的快速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)需要投球滿足工藝需求，完成了中空球鉸鏈的萬(wàn)向軸設(shè)計(jì)。

（2）以172型螺桿鉆具為列，利用有限軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的中空萬(wàn)向軸進(jìn)行了受力分析，結(jié)果表明材料強(qiáng)度足夠。