液壓動力卡瓦的研究與設(shè)計

5液壓動力卡瓦的研究與設(shè)計不壓井裝備卡瓦的工況及要求卡瓦是不壓井裝備的核心部件之一，不壓井裝備在作業(yè)過程中，利用卡瓦卡緊管柱，實現(xiàn)對管柱的控制，防止管柱掉入井內(nèi)或者從井口飛出。在不壓井起下管柱作業(yè)時，卡瓦的工作頻率非常高，從而加快卡瓦牙的磨損。此外，卡瓦的工況也較為惡劣，卡瓦牙接觸的管柱表面通常覆蓋了一層約有1mm厚的銹蝕層或粘滿了原油、水或混合物，有時管柱的表面還蓋著一層石蠟等。根據(jù)不壓井作業(yè)時卡瓦的工況特點，對卡瓦提出如下要求：（1）卡瓦開閉頻繁，要求卡瓦安全可靠，卡瓦能可靠地卡緊管柱時，既不能打滑，也不能咬傷管柱。（2）要求卡瓦的通徑有一定的變化范圍，正常作業(yè)時，小油管能自由通過，當(dāng)下放大徑的工具如封隔器、配水器時，卡瓦能把直徑變大，允許大徑工具通過。（3）要求結(jié)構(gòu)簡單，尺寸重量小，便于裝拆、維護等。液壓動力卡瓦因其結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度高，穩(wěn)定性容易得到保證，安全可靠。因此，不壓井裝備宜采用液壓動力卡瓦。國內(nèi)外液壓動力卡瓦的現(xiàn)狀卡瓦廣泛用于鉆井工程中卡緊管柱以實現(xiàn)對管柱的控制，為了降低工人的勞動強度，提高工效，機械化的動力卡瓦在國外得到了廣泛應(yīng)用，在我國目前應(yīng)用尚不普遍，而且主要是氣動卡瓦。目前國外生產(chǎn)液壓動力卡瓦的主要是美國TES公司和HydraRig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(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、安全可靠，適用于1"～95/8"的作業(yè)管柱。圖和表5-1是TES公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦的外形結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)。圖和表5-2是HydraRig公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦的外形結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)。國內(nèi)目前還沒有生產(chǎn)液壓動力卡瓦的廠家。350型550型762型圖美國TES公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦表5-1美國TES公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦型號及參數(shù)型號350型550型762型963型外形尺寸（英寸）長×寬×高x18x21x21x22x2326x26x26作業(yè)管柱尺寸（英寸）1～3?21/8～5?2-3/8～7-5/84-?～9-5/8最大通過直徑（英寸）6”8-?”10-3/8”12“額定載荷（lbs）150,000300,000400,000600,000HR-150型HR-225型HR-340型圖美國HydraRig公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦表5-2美國HydraRig公司生產(chǎn)的液壓動力卡瓦型號及參數(shù)型號HR-150HR-225HR-340HR-600額定載荷（lbs）150,000225,000340,000600,000作業(yè)管柱尺寸（英寸）～～～～重量（lbs）3009501,1001,250開啟高度（英寸）最大通過直徑（英寸）動力卡瓦的方案研究油管卡瓦的結(jié)構(gòu)類型通常有以下幾種：圖軸向式卡瓦示意圖1－環(huán)板；2－液缸；3－卡瓦座；4－卡瓦牙軸向式圖軸向式卡瓦示意圖1－環(huán)板；2－液缸；3－卡瓦座；4－卡瓦牙軸向式卡瓦開口尺寸的變化與卡緊是靠液壓缸通過連桿鉸鏈機構(gòu)帶動卡瓦體沿著不動的斜面外殼上下滑動而實現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是卡緊可靠，結(jié)構(gòu)簡單。突出的缺點是開口尺寸變化較大時，卡瓦軸向尺寸過長。因此，這種結(jié)構(gòu)通常用在卡持管徑較小的場合。圖徑向式卡瓦示意圖1－殼體；2－卡瓦座；3－卡瓦牙；4－液缸徑向式圖徑向式卡瓦示意圖1－殼體；2－卡瓦座；3－卡瓦牙；4－液缸徑向式卡瓦的液壓缸沿徑向安裝，其開口尺寸變化是靠徑向液缸推動實現(xiàn)的，卡緊主要靠液缸推進實現(xiàn)，當(dāng)然也有及斜面的楔形作用。如圖所示。徑向式卡瓦的優(yōu)點是開口尺寸變化范圍大，軸向尺寸小，方便操作。缺點是卡緊效果較差。圖軸徑式卡瓦示意圖1－環(huán)板；2－液缸；3－頂絲；4－滑道；5－滑座；6－卡瓦牙軸徑合一式圖軸徑式卡瓦示意圖1－環(huán)板；2－液缸；3－頂絲；4－滑道；5－滑座；6－卡瓦牙這類卡瓦結(jié)構(gòu)如圖所示，既保持了軸向移動的液缸驅(qū)動形式，又采取了徑向絲桿調(diào)節(jié)方式；既具有軸向卡緊的可靠性，又吸取了徑向式變化范圍大的優(yōu)點。但頂絲受力嚴重，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，制造以及維護困難。補心式圖補心式卡瓦示意圖1－環(huán)板；2－液缸；3－殼體；圖補心式卡瓦示意圖1－環(huán)板；2－液缸；3－殼體；4－補心；5－卡瓦座；6－卡瓦牙這種結(jié)構(gòu)形式具有軸徑合一的優(yōu)點。不壓井裝備起下管柱作業(yè)時，既要求其具有良好的可靠性，又要求其結(jié)構(gòu)緊湊，同時還要考慮產(chǎn)品的制造成本以及使用成本。經(jīng)過以上的對比分析，方案一具有卡緊可靠、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，其裝拆、維護也方便，因此，采用方案一，其驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動。動力卡瓦設(shè)計的基本理論對卡瓦機構(gòu)的分析表明，只有在以下三個主要值成最佳比例的時候才能可靠地卡住管柱：卡瓦的傾斜角度、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系數(shù)?？ㄍ呖ňo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。受力情況如圖所示。在楔緊的過程中管柱的重量Q為主動力，在Q力的作用下，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。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。楔緊作用越強，則管柱卡緊越可靠。為此應(yīng)保證（5-1）圖卡瓦受力分析圖圖卡瓦受力分析圖式中——卡瓦體與卡瓦座之間的摩擦力，；——卡瓦體與管柱之間的摩擦力，；——法向反力；——正壓力；——卡瓦體與卡瓦座之間的摩擦系數(shù)；——卡瓦體與管柱之間的摩擦系數(shù)；——斜角；當(dāng)卡瓦卡緊后，根據(jù)平衡條件有（5-2）整理得（5-3）上式就也是卡瓦正常工作的必要條件，分析上式，可以得出以下結(jié)論：（1）必須有當(dāng)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）越小，則卡緊越易，但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，必須合理的確定?？ㄍ呱咸岵蛔枣i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?？ㄍ卟蛔枣i的條件是卡瓦斜角應(yīng)大于卡瓦牙與卡瓦座之間摩擦角，即（5-4）為防止卡瓦牙與卡瓦座發(fā)生自鎖現(xiàn)象，設(shè)計時應(yīng)保證，又，所以（5-5）卡瓦牙體與卡瓦座之間的摩擦系數(shù)取值范圍為～，當(dāng)摩擦條件惡劣時，，所以（5-6）即斜角應(yīng)大于8°31′才不致于產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，常采用＝9°27′45"±2′30"，此時錐度k＝1：3，為標(biāo)準(zhǔn)錐度，便于加工。資料[26]表明，當(dāng)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。我國已頒布了《鉆井卡瓦技術(shù)條件》的部頒標(biāo)準(zhǔn)（SY5049—84）。其中規(guī)定卡瓦的錐度k＝1：3，其半錐角＝9°27′45"±2′30"。最大斜角的討論無論是從不產(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。分析式（5-3）可知，當(dāng)越小，越大，則越大。圖不同錐度下和P/Q與之間的關(guān)系曲線減小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＝，以保證安全。圖不同錐度下和P/Q與之間的關(guān)系曲線增大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，可達之多。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＝，＝代入式（5-3）中可得出角稍大于15°。因此?。?5°。此時恰為k＝1：的標(biāo)準(zhǔn)錐度（圖）。實際上，當(dāng)時，＝<，因而是可行的。卡瓦的最小工作面積鉆桿或套管的卡緊會在卡瓦內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜應(yīng)力。這種復(fù)雜應(yīng)力是由兩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，這兩種載荷互相聯(lián)系、取決于卡瓦與卡瓦座斜角以及摩擦系數(shù)的大小。改進卡瓦結(jié)構(gòu)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(xué)平衡條件及前面的推導(dǎo)，各卡瓦牙施加給管柱的徑向壓緊力的總和為（5-7）式中——卡瓦表面正壓力；——管柱重量。因此卡瓦的最小接觸面積為（5-8）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200mm，但最大長度不超過400mm，因研究表明，載荷并不隨長度按同比例增加。當(dāng)卡瓦長度從300mm加大到400mm，所能增加的軸向載荷不大于10～12％?？ㄍ哐赖难佬螆D螺紋型切牙示意圖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，主要有兩種牙形被廣泛采用。第一種切牙是螺紋，牙距＝7～8mm，和＝80°（圖）；第二種切牙是一種凸塊，每個凸塊呈切頂角錐形，切頂表面約為3×3mm（如圖）。這種形狀和尺寸的切牙能夠保證卡瓦與油管的結(jié)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。圖螺紋型切牙示意圖卡瓦的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圖凸塊型切牙示意圖圖凸塊型切牙示意圖卡瓦座通常用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，鑄成后熱處理的硬度為HB207～328?？ㄍ叩膹姸葢?yīng)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(yīng)不小于2。動力卡瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析動力卡瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計通過分析國外液壓動力卡瓦的結(jié)構(gòu)，結(jié)合國內(nèi)制造技術(shù)現(xiàn)狀，本文利用pro/E軟件對卡瓦的零部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過了組裝和干涉檢驗。液壓動力卡瓦的結(jié)構(gòu)如圖和圖所示，動力卡瓦由卡瓦座6、活塞桿3、壓圈1、連桿2和卡瓦牙4等組成。卡瓦座上對稱設(shè)置有兩個液缸7，兩個活塞桿連接在一個壓圈上，保證活塞桿的同步往復(fù)運動，從而帶動兩片或四片卡瓦牙在卡瓦座內(nèi)導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，總體尺寸小，可倒置安裝。圖兩片式液壓動力卡瓦結(jié)構(gòu)裝配圖圖兩片式液壓動力卡瓦結(jié)構(gòu)裝配圖1－壓圈；2－連桿；3－活塞桿；4－卡瓦牙；5－缸蓋螺母；6－卡瓦座；7－液缸；8－油口；9－安裝螺孔圖四片式液壓動力卡瓦結(jié)構(gòu)裝配圖圖四片式液壓動力卡瓦結(jié)構(gòu)裝配圖1－壓圈；2－連桿；3－活塞桿；4－卡瓦牙；5－缸蓋螺母；6－卡瓦座；7－液缸；8－油口；9－安裝螺孔動力卡瓦的基本技術(shù)指標(biāo)30T不壓井起下裝置選用圖所示兩片示式液壓動力卡瓦，該動力卡瓦的基本技術(shù)指標(biāo)見表5-3：表5-3液壓動力卡瓦技術(shù)指標(biāo)序號項目參數(shù)1最大通徑130mm2卡瓦片數(shù)23液缸數(shù)24關(guān)閉高度400mm5額定載荷40t6開啟高度638mm7液缸直徑40mm8控制壓力Mpa9半錐角o10液缸行程238mm11整體重量220kg動力卡瓦的力學(xué)分析圖卡瓦牙三維實體模型對卡瓦來說，卡瓦牙（圖）和卡瓦座（圖）是兩個主要受力部件，要使卡瓦正常工作，必須保證這兩個零件的強度滿足使用要求。本文使用了有限元分析軟件ANSYS按照第四強度理論對這兩個零件進行了強度分析。圖卡瓦牙三維實體模型（1）卡瓦牙的力學(xué)分析=1\*GB3①卡瓦牙的三維實體模型卡瓦牙的三維實體模型如圖所示材料：20CrMo；熱處理硬度：HRC43～52；屈服極限：＝685Mpa；圖卡瓦牙的計算模型強度極限：＝885Mpa；圖卡瓦牙的計算模型彈性模量：206000Mpa；泊松比：＝=2\*GB3②卡瓦牙的簡化計算模型及網(wǎng)格劃分卡瓦牙的力學(xué)分析是為了了解牙體的應(yīng)力分布情況，由于卡瓦牙的對稱結(jié)構(gòu)，為了便于簡化計算，將牙型簡化成圓柱面，并忽略連接結(jié)構(gòu)，卡瓦牙的計算模型及網(wǎng)格劃分如圖所示。=3\*GB3③卡瓦牙的載荷邊界條件根據(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。如圖所示。=4\*GB3④有限元計算結(jié)果及分析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VonMiss相當(dāng)應(yīng)力，計算結(jié)果如圖所示。最大應(yīng)力：Mpa，平均應(yīng)力：Mpa。圖卡瓦牙載荷邊界圖卡瓦牙載荷邊界條件圖節(jié)點應(yīng)力云圖從應(yīng)力分布圖看出，牙體應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)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(yīng)力＝Mpa，滿足設(shè)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(yīng)力集中可通過過渡圓角得到改善。（2）卡瓦座的力學(xué)分析=1\*GB3①卡瓦座的三維實體模型卡瓦座的三維實體模型如圖所示圖卡瓦座三維實體模型圖卡瓦座三維實體模型材料：40Cr；熱處理硬度：HB207～328；圖卡瓦座的計算模型屈服極限：＝685Mpa；圖卡瓦座的計算模型強度極限：＝490Mpa；彈性模量：206000Mpa；泊松比：＝=2\*GB3②卡瓦座的簡化計算模型及網(wǎng)格劃分由于卡瓦座的對稱結(jié)構(gòu)，為了便于簡化計算，取其四分之一作為計算模型，卡瓦座計算模型及網(wǎng)格劃分如圖所示。=3\*GB3③卡瓦座的載荷邊界條件根據(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