气动钻杆卡瓦的有限元分析

[摘要]气动卡瓦以结构合理，操作简单，工作安全等优点取代了传统卡瓦作业方式，应用越来越广泛。本文首先阐述了气动卡瓦的结构，工作原理。对处于工作状态下的卡瓦体和钻杆进行了有限元分析，结果表明气动钻杆卡瓦能够很好的卡紧钻杆而又不压溃钻杆，卡瓦体体本身变形量也很小，不会损坏，验证了气动卡瓦工作的安全可靠性。
论文关键词：气动卡瓦,有限元,卡瓦体,钻杆

　　1 气动卡瓦

　　气动钻杆卡瓦主要是由支撑盘，气缸，卡瓦体，导向杆，连接杆，上连接销，下连接销，大方瓦，气路连接座，前牙，耐磨环组成。其工作原理是这样的：工作时当给气缸上部供气时卡瓦体沿阶梯式卡瓦座锥面下行，四个卡瓦体形成的圆逐渐减小推动钻杆向中间收拢直到卡紧钻杆。当给气缸下部供气时卡瓦体沿阶梯式卡瓦座锥面上行，四个卡瓦体形成的圆逐渐增大，松开钻杆同时让出通道允许钻杆从卡瓦中心自由通过。卡瓦体的升降依靠气缸带动支撑盘通过连杆进行动作，卡瓦体下行靠气缸拉力和卡瓦体自重及钻杆与卡瓦体摩擦力共同作用。卡瓦体上行靠气缸推力和钻杆与卡瓦体摩擦力作用，气缸的动作由司钻操作。

　　2有限元分析

　　由气动卡瓦的工作原理可知，卡瓦的各个零件在夹紧的过程中的受力状况是不同的，因此各零件也不是同时达到最大力的状态。需要对卡瓦在夹紧时钻杆、卡瓦体和固定块进行应力分析，以确定设计气动卡瓦能在预定的钻杆总重量要求下，夹紧钻杆的同时强度可靠。

　　2.1 分析前处理

　　2.1.1模型建立

　　有限元分析的基础就是建立合理良好的模型，所以建模是非常重要的一个过程。有限元模型的建立分为两个方面：几何建模和物理建模。几何建模主要是建立结构的几何信息、数据库并在屏幕上动态的显示出来；物理建模主要是指建立单元、材料属性，确定位移边界条件。几何模型的建立可以在里直接完成也可通过其他建模软件建立后导入。自带的建模功能不够强大，对于建立较为简单的模型比较方便，但是对于较为复杂的几何模型，需要大量的工作，很麻烦，而且容易出错。

　　

　　图1 单元

　　本文利用自带建模功能建立钻杆的几何模型，利用建立卡瓦体模型导入到。对于物理模型，材料属性参照材料设置，钻杆材料为45钢，卡瓦体材料为。

　　2.2.1 网格划分

　　本文分析中采用单元类型，如图1所示。该单元为20节点的实体单元，每个节点有三个自由度，分别为x、y、z方向的移动自由度，这种单元比较适合于由曲线边界的模型的网格划分，并且这种单元具有可塑性、应力强化、大变形、大应变、蠕变等特性。使用扫略网格划分方法对钻杆进行网格划分，设置只能尺寸为4，得到单元数目为1428个，节点数目为9516个，如图2所示。观察划分网格后的钻杆实体，得到的网格较为均匀，并且对钻杆实体中载荷作用面边线处进行了网格加密划分，通过网格单元检查功能进行检查，确定划分的网格较合理。

　　

　　图2 钻杆划分网格

　　卡瓦体模型的结构复杂，不适合采用映射网格划分方法和扫略网格划分方法，选用自由网格划分的方法。通过对卡瓦体模型采用不同的网格边长或是不同的设置不同的智能尺寸值，多次进行网格并求解，比较网格划分质量与求解结果，得出如图所示的划分结果，通过网格单元检查功能进行检查，确定划分的网格较合理。

　　

　　图3 卡瓦体网格划分

　　2.2 求解

　　2.2.1 约束的添加

　　钻杆的夹紧在卡瓦体内会产生复杂应力，这种复杂应力是由两种载荷的作用引起的，即拉伸载荷和压缩载荷。拉伸载荷由钻杆自重引起，其作用方向为沿钻杆轴向；压缩载荷是沿钻杆径向，由卡瓦体工作所产生。为了研究夹紧时卡瓦结构的强度，各零件的约束应该添加在不影响整个模型应力，应变的区域。通过分析，确定夹紧时各零件约束添加情况如下：钻杆是截取了钻杆管体的一部分建立的模型，上下两个表面分别与钻杆管体的其它部分相连接，因此，在上下两个表面添加全自由度约束；卡瓦体在与钻杆的载荷作用下压向固定块，因此，在与固定块相接触的面上添加方向的约束。虽然忽略了卡瓦体与连接杆间的作用力，但是需要对、两个方向进行约束，因此，在卡瓦体的上平面添加该两个约束；固定块添加大方瓦侧面的全自由度约束、大方瓦下面的方向约束和卡瓦体与夹紧钻杆相对面的和两方向的约束。

　　2.2.2 载荷的添加

　　在相接触的表面之间存在相互作用的挤压力和摩擦力，另外，在卡瓦体与连接杆之间存在作用力，比较该作用力与其他挤压力及摩擦力的大小可知，可以忽略此部分作用力的大小。将挤压力看做是作用在各个单元表面的表面效应力，表面力的方向垂直于单元表面并指向单元内部，与挤压力的方向相同，按照表面力press进行载荷添加。因此将实体表面按照挤压力作用的区域划分好范围，用挤压力除以相互接触的表面积，即可得到压力大小。而对摩擦力的添加进行近似处理，将摩擦力看做是作用到单元节点上的节点力，并按照集中载荷力进行添加。先将摩擦力依、方向进行分解，然后除以要作用区域的节点的数目，即得到要添加的载荷力的大小。

　　经过分析计算得到各零件所受载荷力如表1所示。

　　表1 各零件所受载荷力

　　零件名称

　　挤压力的添加

　　摩擦力的添加

　　作用面积（mm）

　　Press(MPa)

　　节点数目

　　Force(N)

　　钻杆

　　1.1829×105

　　21

　　1500

　　Y 653

　　卡瓦体

　　3.943×104

　　21

　　1722

　　Y -190

　　1.3588×104

　　67

　　728

　　X 99 Y 624

　　2.3 分析后处理

　　用对钻杆进行求解分析，得到如图4所示的变形图和应力图，对求解结果变形量放大500倍显示。观察ANSYS求解后钻杆的变形图：在三片卡瓦体的作用下，钻杆变形均匀，最大变形量为0.21mm，变形量较小；应力分布图显示：钻杆的最大应力在两片卡瓦体与钻杆接触之间的钻杆内壁，最大应力值为224.375MPa，大于钢级E7的最小许用应力345MPa。因此，满足钻杆最大重量为100吨时，气动卡瓦夹紧钻杆不压溃钻杆的设计要求。

　　卡瓦体的变形与应力云图如图5所示（放大300倍显示），卡瓦体的变形量很小，最大形变量为0.052927。整体应力的分布比较均匀，最大应力值为311.038。应力值较大的区域多集中在楞边、尖角的位置，因此，实际加工时，通过倒角可以减小此处的应力值。在相同的载荷力作用下，增大卡瓦体的环形包角，各零件的接触面积增大了，各零件的最大变形量和最大应力都将减小，仍选用原来的材料仍然能够满足结构强度的要求。

根据气动卡瓦的结构特点，增大卡瓦体的环形包角，在卡瓦体运动过程中不会与其它零件发生运动干涉，仍能够满足设计的机械动力学要求。

　　

　　a 变形图 b 应力图

　　图4 钻杆分析结果

　　

　　a 变形图 b 应力图

　　图5 卡瓦体分析结果

　　3 结论

　　采用动力卡瓦减轻了钻井个人的劳动强度、加速了起下钻作业、提高了工作效率；采用压缩空气采用压缩空气作为卡瓦结构的动力介质，减少设备投资、降低生产成本、不污染环境；选用中间摆轴式双作用普通气缸卧式结构的方案，降低了结构的整体高度。本文通过实例对启动钻井卡瓦进行了有限元分析，气动卡瓦的结构比较合理，满足提升钻井要求的最大钻杆重量，又不压溃钻杆。而卡瓦体本身的变形量也很小，应力较小且分布均匀。可见，运用气动卡瓦进行钻井作业非常安全可靠。

参考文献
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[2]王忆川，储明来，丁建林．新型气动钻杆卡瓦在钻井生产中的应用[J]．石油矿场机械2006，35：78~79．
[3] 丁建林，储明来，王忆川．阶梯式气动钻杆卡瓦的研制[J]．石油机械2004，32：67~70．