液压钻杆夹持器的自锁性能分析与优化设计.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 2 期第 2 1页 石油 矿场 机械 01 L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 3 0 2 0 0 2 1 0 5 液压钻杆夹持器 的自锁性能分析与优化设计 胡志坚 ， 田 毅 ， 刘继 亮 中 国石油集 团 钻井工程技术研 究院 ， 北京 1 0 0 1 9 5 摘要 针对岩芯钻机的钻杆夹持 器存在夹紧力不足的问题 ， 建立力学模型， 对主要设计参数进行 了 分析 和优 化 。 结果表 明 要 有 效提 高夹持 器的 自锁性 能 ， 应 适 当减 小 夹持 时连 杆轴 线 的水平 夹 角 和增 大销轴孔中心距 L ， 还应尽量减小销轴直径和滑动面摩擦 力； 另外， 为避免 因钻杆 自重力不足 引起 的拧 卸扣 打 滑现 象 ， 必须利 用 液压缸 对 夹持 器进行 预加 载 。 关键词 钻杆夹持器； 力学模型 ； 自锁性能； 优化设计 中 图分类 号 T E 9 2 1 ． 9 0 2 文献标 识 码 A “- -- ． - 4 - n - 4- ”””． ． ”“” ” ””十””“ “”-p ”- - ”- - ””十． 一 十“ 十“ 卜 ““”- 4-”” ” 十． 一 十” 卜 “十” 卜 一 - ” 卜 一 ”十”十“ 卜 ”卜 “卜 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 30 ． 4 0 ． 5 0 ． 60 ． 7 0 ． 8 0．9 定子 和转子头数 比 图 5 定子和转子头数 比与排量关 系曲线 图 6 转子头数与排量 的关系 曲线 由图 5 ～6可 以看 出 在 定 子 的直 径 D 和 转 子 的角 速度 ∞保 持不 变 的情况 下 ， 随着 螺 杆 泵 的头 数 比 i 的取值 逐渐 增 大 ， 螺 杆泵 的排 量 Q 呈 现 逐 渐 上 升 的趋势 ， 且上升的趋势逐渐加快； 随着采油单螺杆 泵的转子头数的取值逐渐增大， 螺杆泵 的排量 Q也 呈现逐渐上升的趋势， 但上升的趋势逐渐减慢。因 此 ， 转子头数 的取值并不是越大越好 ， 笔者认为在 6 左右 为最佳 。 4 结 论 1 采用拉 格 朗 日乘 数 法对采 油用单 螺 杆泵 的 排量进行优化设计 ， 得 出了采油用单螺杆泵的定子 螺距 、 定子橡胶外径和定子橡胶 的最小壁厚 双边 之间 的最 佳关 系 。 2 在确定采油用单螺杆泵的定子螺距 、 定子 橡胶外径和定子橡胶的最小壁厚 双边 之间的最佳 关系的基础上 ， 得出了定子的最优螺旋角是3 5 ． 2 6 。 。 并且 得 到 了 采 油 用 单 螺 杆 泵 排 量 的 优 化 设 计 表 达式 。 3 得出了采油用单螺杆泵的排量与定转子头数 比及转子头数之间的关系曲线。表明转子头数的取值 并不是越大越好， 认为转子头数取 6 左右为最佳。 参考文献 [ 1 ] R o b e l l o S a mu e l G， K e n J S a v e t h ．O p t i m a l d e s i g n o f P r o g r e s s i n g C a v i t y P u mp s [ J ] ． J o u r n a l o f E n e r g y R e s o u r c e s T e c h n o l o g y， 2 0 0 6 ， 1 2 8 4 2 7 5 2 7 8 ． [ 2 3 韩 国有 ， 宋玉杰 ， 杜秀华 ， 等 ． 采油螺杆泵举升性能 检测 技术[ M] ． 哈尔 滨 哈尔滨工程大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 杜秀华 ， 任斌 ， 韩 国有． 双头单 螺杆泵 的线 型设计 及 虚拟建模[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 3 3 3 5 ． [ 4 1 宋玉杰． 单螺 杆泵螺 杆一 衬套 副型线研究 [ D ] ． 大 庆 大 庆石油学院 ， 2 0 0 8 ． r - s 3 韩 国有 ， 姜长鑫 ， 杜 秀华． 普通 内摆线型 双头螺 杆泵 的 建模 及运动仿 真[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 1 - 4 ． [ 6 ] R o b e l l o S a mu e l G． Ma t h e ma t i c a l Mo d e l i n g a n d D e s i g n An a l y s i s o f t h e P o we r S e c t i o n o f a P o s i t i v e Di s p l a c e me n t Mo t o r P DM r D] ． Un i v e r s i t y o f Tu l s a ， 1 9 9 7 ． 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 2 9 作者简介 胡志坚 1 9 7 9 一 ， 男 ， 安徽黄 山人 ， 高级工程师， 主要从事钻井设备与工具研究 ， E - ma i l h u z h i j i a n d r i c n p c ． c o r n ． c n 。 第 4 2卷第 2期 胡 志坚 ， 等 液压 钻杆 夹持器的 自锁性能分析与优化设计 2 3 的夹角。假设钻杆夹持器处 于受力平衡状态， 夹持 连杆所受外力包括 销槽 对下销轴 产生 的正压力 T 和摩擦力 F 摩 擦 因数 ． 厂 ， 摩擦 角 ， 其合力 为 T ； 卡瓦对连杆 凸轮产生 的正压力 N 和摩 擦力 F 摩擦因数 ， 摩擦角 。 ， 其合力为 N ； 另外还有 上销轴处转动副 的总反力 P 摩擦因数 ． 厂 3 ， 摩擦 角 。根据平面力系平衡原理 ， 外力 T 、 N 和 P 的 力作用线必相交于一点 C。 a 夹持连杆 的结构 尺寸 b 夹持连 杆的受力分析 图 3 夹持器力学模 型 卡 瓦面 口 由图 3 a可以看出 直线 OE与 BE 的水平投影 之 和等 于 L。 ， 因此 有 L。 c o s 0 -5 R 一L o ， 则 一 a r c c 。 s p ； 另 外 由 图 3可 知 0 E B一兀 一 0 1 -p 。 在△O B E中、 丽 √ 丽 一2 一O E 一B E c o s n p 一0 一 ／ L ； R 一2 L R c o s 7 c 卢 一 BOEc s i n a r c s i n 一兀 一 B O E--fl 图 3 b为夹持连杆受力简化模型， 直线 O B、 0 3 和 AG 三 线 段 在 垂 直 方 向的 投 影 之 和 等 于 BD， 水 平投影之和等于 AD。因此 ， 在直角／ X , ADB中， 有 OBAG X s i n 0 1 OBs i n O l 0 2 7 c 一 R L s i n 0 l Rh s i n 0 l 0 2 7 c 1 ADOGc o s 0 1 OBc o s O 1 0 2 一 丌 一 L c o s 0 1 Rh C O S 1 0 2 7 c 2 因此有 AB一 ／ AD B D 3 ABD a r c s i n BADa r c ABC 2 -- ABD 4 B A C 詈一 1 -- B A D 5 在 AAB C 中 AC B一7 【 一 ABC-- B AC 6 瓦 一 S 1 n l J 7 ／ A L ／ 在△ B O C 中 OBC 2 1 0 2 7 r 8 一 何 砸 。 一2 ～B C 一O Bc o s O BC 一 ／ BC R i 一2 BC R h c o s O BC 9 ／ OCBa r c s i n a r c s i n 1 0 在 △PO C中 OPf 3 R 。 。 。 0cP- a r c s i n ⋯ 令 O C P OC B 。 a ， 由力学平衡原 理 得， 水平方 向的力平衡方程为 ∑F 一Pc o s 口 一NF1 0 1 2 竖直方向的力平衡方程为 ∑F 一TF 2 一Ps i n a 一0 1 3 其 中， F1 T t a n 0 1 ； F 2 一Nt a n p 2 。 由 ∑F x 一0可得 N 一 PC O S O T t a n 1 4 代入式 1 3 得 石油 矿场 机械 T4 - PC OS G Tt a n1 t a np 2 一 Ps i n a一 0 整 理得 P T ． 1 t a n q h t a n I ， 显然初始设计安全系数不足 。 3 ． 1 销轴孔中心距离 L 图 4表示夹持器自锁系数 k与销轴孔 中心距离 L 之间的关系。当中心距 L 从 5 5 mm增加到 9 5 I n m时， 自锁系数 k相应地从 0 ． 7升高到 i ． 3 。显 然 ， 当销轴孔 中心距 L 增大时， 由图 3 可 以看出， 由 于正压力 T相对上销轴孑 L 中心 0 的力臂也随之增 大， 因此 ， 在其他条件不变 的情况下 ， 凸轮与卡瓦之 间的正压力 N必定升高， 提高了夹持器的夹紧力和 当夹角 0 减小 时 ， 正压力 T相 对上 销轴孑 L 中心 0 的力臂会 增 大 ， 因此 凸轮 对 卡瓦 的压力 N 随之 升 高， 夹持器夹持能力 增强 如 图 5所示 ， 当夹角 从 5 5 。 降低到 1 5 。 时， 白锁系数增大近 4倍 。 图 5 连杆轴线水平角 0 对 自锁系数 的影 响 由式 1 可 知 夹 角 与水 平 距 L 。 、 凸轮 半 径 R 、 偏心 距 L 和偏 心 角 有 关 。当 L 。 增 大 ， 而 R 、 L 。 和 减小 时 ， 夹 角 减 小 ， 因 此夹 持 器 自锁 系数 提高 ， 反之 ， 夹 角 增 大 ， 导 致 夹 持器 自锁 系 数 降低。 通常， 增大销轴孔中心距 L 和上销轴孔与卡瓦 之 间的水 平 距 L 。 ， 均 可 有 效 增 大 夹 持 器 的 自锁 能 力 ， 但 由 于 夹 持 器 的 空 间 尺 寸 有 限 ， 因 此 L 。 L c o s 不能超过某一极限值 。另外， 从几何结构分 析 ， 要使夹持器能有效夹住钻杆 ， 水平距 L 。必须满 足 L 。 ≤L 。 R 。以初始值计算 ， 假定 L 十L c o s 1 极限值等于 9 7 ． 5 ， 当水平距 L 。 从 3 5 mm增加到 4 5 mm时， 中心距 L 则从约 1 0 4 mm降低至 5 6 mm。 由图 6 ～7可以看 出 虽然水平距 L 。 增大致使 中心 距 L 下降， 但夹持器 的 自锁系数 k仍然升高， 即在 空间尺寸受 限时， 若要增大夹持器夹持能力 ， 应减小 中心距 L 而增大水平距 L 。 ， 使夹持器夹住钻杆时 ， 对 应 的夹 角 尽量 小 。 第 4 2 卷第 2 期 胡志坚 ， 等 液压钻杆夹持器 的 自锁性 能分析与优化设计 电 垛 稻 皿 图 6 水平距离 L 。 对 自锁系数 k的影响 图 7 水平距 L o 对 中心距 L 影响 3 ． 3 上销轴半径 R 和下销轴半径 R 图 8 ～9分别表示上销轴半径 R 和下销轴半径 R 对夹持器 自锁系数 的影响， 可 以看出 随着销轴 半径增大， 夹持器的夹持能力呈下降趋势。因此 ， 在 满足销轴强度要求的前提下 ， 应尽量减小销轴半径。 繇 皿 图 8 上销 轴半 径 R 对 自锁系数 k的影响 豁 疆 皿 图 9 下销轴半径 R 对 自锁系数 k的影响 3 ． 4 接触面摩擦力 摩擦 因数 ／对 自锁系数 k的影响如 图 1 O ， 可以 看出 随着接触面摩擦因数增大 ， 夹持器的 自锁性能 明显降低 。因此 ， 减小销轴或凸轮滑动面上 的摩擦 力有利于提高夹持器的夹持性能 。 I ． 3 1 ． 2 电 暴 1 ． 1 1 0 皿 0． 9 0 ． 8 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 0． 1 5 0．2 O O ．2 5 0 ．3 O 摩擦 因素， 图 1 O 摩擦 因数 厂对 自锁系数 k的影 响 4 结论 夹持器对钻杆夹持能力的强弱 ， 直接影响到钻 机作业安全性和可靠性 。本文通过建立夹持器力学 模型 ， 分析 了影 响夹持器 自锁能力 的各种因素。结 果表明， 要提高夹持器的夹持性能 ， 应采取以下技术 措 施 1 在确保 上销轴 中心 O点与卡 瓦受压 面之 间的距离L。 小于或等于凸轮偏心距 L 。 与凸轮半径 R 之和的条件下 ， 可增大 L 。和降低 L 。 、 R ， 适 当减 小夹持时连杆轴线水平角 。 2 在夹持器空 间尺寸受限的情况下 ， 应优先 考虑减小连杆轴线水平角 ， 再适当提 高销轴孔中 心距 L 。 3 在满足强度要求的条件下 ， 尽量减小销轴 直径 。 4 通过添加润滑剂 等方式 ， 尽量减小销轴和 凸轮滑动面上的摩擦力 。 5 为克服因钻杆 自重力不足引起的拧卸扣打 滑现象 ， 通过液压缸预先给钻杆施加足够的夹持力， 满 足钻杆 拧卸 扣 要求 。 参考文献 [ 1 ] 凡东 ， 庞海荣 ， 姚亚 峰． 全 液压 钻机夹持 器 的设 计与 分析[ J ] ． 煤炭 工程 ， 2 0 0 6 5 7 - 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