套筒式螺桿鉆具提升質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究

套筒式螺桿鉆具提升質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究

螺釘鉆具的變量由旋轉(zhuǎn)和定質(zhì)（橡膠襯套的附屬和固定外殼）組成。這是螺釘鉆頭的內(nèi)部材料。為鉆井和勘探提供破巖扭轉(zhuǎn)，廣泛應(yīng)用于超深井、輔助井、大位移井等特殊井。為了提高螺桿鉆具的力學(xué)性能,馬達(dá)定子橡膠襯套副從早期的不等壁厚變?yōu)楝F(xiàn)在的等壁厚,其截面形狀如圖1所示。等壁厚橡膠襯套副受力變形均勻,密封性能好,單位長度下提供扭矩大,散熱性能好,有利于減緩橡膠老化,延長使用壽命。然而,這就要求定子外殼內(nèi)腔為細(xì)長內(nèi)螺旋曲面,導(dǎo)致剛度低以及散熱和排屑性能差,并增加了加工難度。本文以等壁厚螺桿鉆具定子為研究對象,創(chuàng)新性地提出套裝式螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,避免了細(xì)長內(nèi)螺旋面的直接加工,降低內(nèi)螺旋曲面的實(shí)現(xiàn)難度,并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,為等壁厚螺桿鉆具的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。1端面線型為內(nèi)外擺線的組合螺桿馬達(dá)是螺桿鉆具的動力部件,只有轉(zhuǎn)子與定子2個部件,但卻兼有容積式動力機(jī)械和一齒差行星減速器2種功能。其定子-轉(zhuǎn)子運(yùn)動副必須滿足密封條件和連續(xù)下移條件,理論研究證明其端面線型中至少1條為擺線類曲線,而另外1條就是其共軛曲線,并且端面共軛副必須等螺距、同旋向轉(zhuǎn)動組成空間共軛副。目前應(yīng)用的擺線類線型有:普通內(nèi)擺線等距線型、普通外擺線等距線型、內(nèi)外擺線法線型、短幅內(nèi)擺線等距線型和短副外擺線等距線型等。圖2是端面線型為內(nèi)外擺線的一種5/6型5頭螺桿鉆具的定子內(nèi)螺旋曲面形成過程。滾圓依次沿導(dǎo)圓外6等分點(diǎn),順時針作相對純滾動,此滾圓平面上的點(diǎn)(最初接觸點(diǎn))的運(yùn)動軌跡形成外擺段;同理,滾圓依次沿導(dǎo)圓內(nèi)相同6等分點(diǎn),逆時針作相對純滾動,最初接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡形成內(nèi)擺段,最終形成完整的端面線型曲線。以端面線型為母線,鉆具導(dǎo)程為螺距的螺旋線和過母線中心點(diǎn)的直線為導(dǎo)線掃掠形成的空間曲面就是鉆具內(nèi)螺旋曲面。2螺桿鉆具算子設(shè)計工藝螺桿鉆具定子內(nèi)腔是1個定截面,是在旋轉(zhuǎn)和直線2種運(yùn)動合成螺旋運(yùn)動下形成的內(nèi)螺旋曲面,其特點(diǎn)是各個截面相同,只是有相對轉(zhuǎn)角,因此,提出將復(fù)雜螺旋曲面的三維加工分解成兩維加工,首先將空間螺旋面分成數(shù)層薄片的加工與組合,然后通過與外殼的過盈裝配將它們固定起來,最終形成澆橡硫化前的等壁厚螺桿鉆具定子。套裝式螺桿鉆具定子設(shè)計就是在此基礎(chǔ)上形成的,它由定子外殼、金屬襯套片及橡膠襯套3部分組成,如圖3所示。與傳統(tǒng)的整體式等壁厚螺桿鉆具定子相比,定子金屬結(jié)構(gòu)由金屬襯套片和定子外殼組成,用若干個金屬襯套片實(shí)現(xiàn)等壁厚定子內(nèi)螺旋曲面的成型,使其成型問題得到了簡化,弱化了整體加工中剛度差、加工空間小等不利因素,同等程度上實(shí)現(xiàn)等壁厚橡膠襯套副設(shè)計及其優(yōu)勢。另外,定子套裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)任意形狀內(nèi)廓曲面的形成,例如氣體鉆井中漸變等壁厚以及變導(dǎo)程、變截面螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計,這為高性能復(fù)雜截面螺桿鉆具定子設(shè)計和加工提供了可能。加工工藝過程如圖4所示。加工出若干個內(nèi)孔形狀為螺桿鉆具定子設(shè)計線型,外輪廓為柱面的具有一定厚度的金屬襯套片,并對金屬疊層片進(jìn)行調(diào)質(zhì)、除銹與氧化層處理。金屬襯套片經(jīng)與其內(nèi)廓相同的芯軸固定裝入定子外殼中,然后取出芯軸,即是套裝式的由來。通過過盈配合實(shí)現(xiàn)定子結(jié)構(gòu)固定,對外殼加熱實(shí)現(xiàn)熱套裝配。對裝配后的內(nèi)腔進(jìn)行噴砂、清洗、烘干。澆鑄橡膠并硫化,澆鑄溫度控制在90~110℃,形成等壁厚的螺桿鉆具定子。3端面線型的力學(xué)分析由于鉆具端面線型的影響,金屬襯套片結(jié)構(gòu)周向厚薄不均,這就導(dǎo)致其裝配時應(yīng)力應(yīng)變不均勻,過盈量及內(nèi)壓對其分布規(guī)律起著決定性的作用。現(xiàn)對端面線型為等跨內(nèi)外擺線的一種5LZ172型5頭螺桿鉆具定子金屬部分進(jìn)行力學(xué)分析,內(nèi)廓形狀取決于擺線的滾圓半徑r、導(dǎo)圓半徑R和外等距量h,r=7.3mm,R=43.8mm,h=7.8mm,金屬襯套片外徑ue54f137mm,殼體內(nèi)徑比金屬襯套片外徑小2倍過盈量,彈性模量E=210GPa。為了簡化計算,用二維代替三維力學(xué)模型,這在文獻(xiàn)已經(jīng)采用,與整體式結(jié)構(gòu)不同的是將平面應(yīng)變轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)力問題。3.1結(jié)構(gòu)周期對接觸應(yīng)力的影響利用平面模型建模對過盈配合的接觸問題進(jìn)行分析,分別對過盈量在50、60、70μm裝配工況進(jìn)行定子結(jié)構(gòu)接觸有限元力學(xué)分析,其應(yīng)力位移分布規(guī)律分析結(jié)果如圖5。由圖5發(fā)現(xiàn),定子VonMises應(yīng)力極值主要分布于金屬襯套片上,最大應(yīng)力值在凹緣內(nèi)側(cè),最小值在凸緣內(nèi)側(cè)以及相對應(yīng)的外殼外側(cè),并隨著定子凹凸結(jié)構(gòu)周期變化。這是由于定子結(jié)構(gòu)厚薄不均而過盈量相對為定值導(dǎo)致應(yīng)力分布不均,凸緣由于定子材料的不連續(xù)使其失去周向擠壓約束,故出現(xiàn)應(yīng)力極小值。隨著過盈量增加50~70μm,應(yīng)力分布規(guī)律相似,極值發(fā)生變化,極小值和極大值分別為:3.486、4.181、4.876MPa;242.43、290.97、339.53MPa,呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,而位置并未發(fā)生變化。圖6為接觸應(yīng)力隨著過盈量的變化在接觸邊界位置上分布規(guī)律:在邊界上應(yīng)力呈現(xiàn)尖波形分布,并隨著過盈量的增加峰值顯著增加,即應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力在定子凹緣外側(cè)邊界變化劇烈,凸緣外側(cè)邊界平緩,波峰值出現(xiàn)在前者上,波谷值出現(xiàn)在后者上,它們隨著定子凹凸結(jié)構(gòu)周期交替出現(xiàn)。圖7為邊界徑向位移隨著過盈量的變化在接觸邊界位置上分布規(guī)律接:在過盈量作用下金屬襯套片外徑壓縮變小,呈現(xiàn)正弦規(guī)律分布,凹緣邊界位移量小,凸緣邊界位移量大,并隨著過盈量的增加相應(yīng)增加,位移范圍有增加趨勢,即過盈量作用下定子結(jié)構(gòu)的接觸邊界已非圓形。3.2內(nèi)壓對金屬襯套片接觸邊界的影響172規(guī)格5/6頭螺桿鉆具主要用來鉆中深井段,此時內(nèi)壓約20MPa,同時為了與裝配工況對比,故繼續(xù)上步60μm過盈量分析,對內(nèi)壓分別在16、20、24MPa進(jìn)行二次加載計算,獲得內(nèi)壓下定子結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移分布規(guī)律如圖8~10。圖8是60μm過盈量、20MPa均勻內(nèi)壓加載下定子VonMises應(yīng)力分布,應(yīng)力極大點(diǎn)出現(xiàn)在凸緣外壁與定子殼體接觸處,極小點(diǎn)分布在凸緣內(nèi)壁上,周期性變化;與圖4相比,金屬襯套片極值大小發(fā)生了變化,殼體應(yīng)力成為極大值主要分布區(qū)域。通過對不同內(nèi)壓加載分析發(fā)現(xiàn):金屬襯套片應(yīng)力隨著內(nèi)壓的增加應(yīng)力極小值增大,極大值將相應(yīng)減小,相反殼體應(yīng)力則總體相應(yīng)增大,內(nèi)壓使金屬襯套片承載能力增加在于內(nèi)壓使其產(chǎn)生周向拉應(yīng)力抵消了部分由于過盈量產(chǎn)生的壓應(yīng)力改變了力學(xué)狀態(tài),這也是在壓力容器、兵器工業(yè)中采用雙層筒套裝的理論根據(jù),而殼體一直是受內(nèi)壓,故應(yīng)力總體增加。圖9為接觸應(yīng)力隨著內(nèi)壓的變化在接觸邊界位置上分布規(guī)律,內(nèi)壓作用下接觸應(yīng)力變化規(guī)律與裝配工況下相同,只是應(yīng)力變化范圍縮小,即應(yīng)力均勻化。與圖6應(yīng)力變化曲線相比,內(nèi)壓使應(yīng)力的平均值增加,谷峰差減小,即應(yīng)力集中程度降低。圖10為邊界徑向位移曲線,與圖7分布規(guī)律相似,只是內(nèi)壓作用下位移值相應(yīng)下降。從不同內(nèi)壓下位移曲線發(fā)現(xiàn),隨著內(nèi)壓的增加位移量相應(yīng)減小,幅值相應(yīng)減小。過盈量對套裝式螺桿鉆具定子強(qiáng)度失效的影響主要反應(yīng)在金屬襯套片的裝配環(huán)節(jié)上,需對過盈量進(jìn)行設(shè)計,金屬襯套片是易損部件,此時VonMises應(yīng)力最大,應(yīng)選擇強(qiáng)度值大的材料,位移量的大小關(guān)系到最終內(nèi)廓曲線的形狀精度,為了保證精度應(yīng)選彈性模量大的材料。內(nèi)壓使接觸應(yīng)力顯著升高,有利于提高定子結(jié)構(gòu)間的摩擦效果和承載能力。4金屬襯套片表面應(yīng)力1)等壁厚螺桿鉆具馬達(dá)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計為套裝式,將細(xì)長復(fù)雜內(nèi)螺旋曲面的整體加工變?yōu)榉植街饘蛹庸?達(dá)到整體利用的效果,降低了加工難度。2)在過盈量作用下,金屬襯套片與定子外殼的VonMises應(yīng)力都隨其增加而增加,最大值(即危險點(diǎn))出現(xiàn)在前者上;內(nèi)壓