1624-修井作業(yè)自動卡瓦設(shè)計(60t)

1624-修井作業(yè)自動卡瓦設(shè)計(60t),作業(yè),功課,自動,設(shè)計,60 大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- I -目 錄第 1 章 前言.........................................................1第 2 章 卡瓦的發(fā)展概況...............................................22.1 國內(nèi)卡瓦的發(fā)展概況.......................................22.2 國外卡瓦的發(fā)展概況.......................................4第 3 章 動力卡瓦總體方案.............................................63.1 動力卡瓦的作用及分類.....................................63.2 動力卡瓦的工作原理.......................................73.3 總體方案的確定...........................................9第 4 章 卡瓦座的設(shè)計及校核..........................................114.1 卡瓦座基本尺寸的確定....................................114.2 卡瓦座的受力分析........................................114.3 卡瓦座窄面接觸的受力分析................................124.4 卡瓦座定心套的設(shè)計......................................124.5 卡瓦座防扭轉(zhuǎn)措施的設(shè)計..................................134.6 卡瓦座的強度校核........................................13第 5 章 卡瓦體的設(shè)計及校核..........................................155.1 卡瓦體的設(shè)計............................................155.2 卡瓦體的強度校核........................................16第 6 章 卡瓦牙板的設(shè)計..............................................186.1 卡瓦牙齒面形狀布置的設(shè)計................................186.2 卡瓦牙型的設(shè)計..........................................196.3 卡瓦牙高度的設(shè)計........................................226.4 卡瓦牙環(huán)形包角的設(shè)計....................................23第 7 章 起升機構(gòu)的設(shè)計..............................................257.1 連桿機構(gòu)的設(shè)計..........................................25大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- II -7.2 液壓缸的選擇............................................267.3 液壓缸連桿的設(shè)計........................................277.4 連桿耳座的設(shè)計..........................................287.5 限位端蓋的設(shè)計..........................................287.6 卡瓦心軸的設(shè)計..........................................30第 8 章 結(jié)論........................................................31參考文獻...........................................................32致謝...............................................................33大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 1 -第 1 章 前言在石油與天然氣勘探開發(fā)的各項施工中，修井作業(yè)是一個重要的環(huán)節(jié)。油氣水井在自噴、抽油或注水注氣過程中，隨時會發(fā)生故障，造成油井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。如：油井下沙堵、井筒內(nèi)嚴重結(jié)蠟、結(jié)鹽、油層堵塞、滲透降低、油氣水層互相串通、生產(chǎn)油層枯竭等油井本身的故障；油管斷裂、油管連接脫扣、套管擠扁、斷劣和滲漏等油井結(jié)構(gòu)損壞；抽油桿彎曲、斷裂或脫扣、抽油泵工作不正常等井下采油設(shè)備故障。出現(xiàn)故障后，只有通過井下作業(yè)來排除故障。一套完善的修井設(shè)備，一般包括下述部分：主機（修井機） ，具有動力、傳動、絞車、井架、鉆臺、游動系統(tǒng)。剎車系統(tǒng)以及液壓、氣動、電氣系統(tǒng)；井口工具；井下工具；運輸工具；起吊及發(fā)電裝置等。其中，井口工具主要包括吊環(huán)、吊卡、吊鉗、液壓動力大鉗、液壓套管鉗和修井液壓動力鉗等。國內(nèi)生產(chǎn)井口工具的公司主要有：江蘇如東通用機械有限公司、泰興石油機械有限公司、山東三田臨朐石油機械有限公司、牡丹江石油工具有限責任公司、海城市石油機械制造有限公司、鹽城市特達石油機械有限公司、江蘇新象股份有限公司等公司。在衡量修井設(shè)備的性能上，一般有下述指標：修井能力（即絞車功率的大?。痪苄阅埽◤姸?、剛度、安裝性） ；移運性；控制是否方便、靈敏；提供操作條件好壞；配套設(shè)備及工具是否完善；工作可靠性；有無特殊的防風、防水、防凍、防塵及防腐蝕措施等。在本次設(shè)計中，是用機械方法建立一個動力卡瓦裝置，這是整個工作流程的一個重要環(huán)節(jié)，是對油管、鉆鋌、鉆桿等管柱進行井口拆卸的必要工序，這種動力卡瓦的工作原理是通過起升裝置的帶動與管柱表面進行接觸，起到卡緊并懸掛管柱的作用。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 2 -第 2 章 卡瓦的發(fā)展概況2.1 國內(nèi)卡瓦的發(fā)展概況由于我國大部分油田大都已進入開發(fā)中、后期，采油的難度越來越大，工藝越來越復雜，井況也越來越復雜，修井任務(wù)也越來越繁重。與修井任務(wù)越來越繁重的同時，修井工人的勞動強度十分高，修井的環(huán)境條件也十分惡劣，高溫酷寒，風天雨天，井場條件差（泄漏出來的天然氣和有毒氣體的侵熏和井噴） ，特別是地處高原的西部地區(qū)，油井較深、自然及環(huán)境條件十分嚴酷。所以要提高修井效率、減輕修井輕工人的勞動強度，使工人盡量遠離惡劣的工作環(huán)境，就要求有較高的井口設(shè)備機械化程度。與發(fā)達國家相比較，我國的鉆井工具相對落后，尤其在鉆井卡瓦的使用上，國外大多數(shù)使用機械手、氣動卡瓦；而目前國內(nèi)絕大部分油氣田(或地質(zhì))鉆井工程中起下鉆作業(yè)時，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動化程度低、效率低、勞動強度大、安全性能不高顯而易見，操作失誤會造成重大的設(shè)備和人身事故。特別是手提式卡瓦重量大都在 80 kg 以上，迫切需要一種可減輕鉆井勞動強度、提高工作效率的自動鉆桿動力卡瓦。而從國外購買一臺氣動卡瓦，至少也要5 ～ 8萬美元，鉆井工具的進步和更新完全依賴進口將支付大量的外匯。所以針對這些問題，我國的科技工作者和部分廠家也紛紛開發(fā)研制了適合自己情況的動力卡瓦。勝利油田生產(chǎn)的一種液壓式動力卡瓦、石油大學（北京）研制的氣動卡瓦及江蘇油田工程研究院研制的氣動卡瓦等等都取得了不錯的經(jīng)濟以及社會效益。我國江蘇如東通用機械廠生產(chǎn)的一種QD型氣動套管/吊卡用于起下套管，既可夾持套管也可作為吊卡起、下套管。但其體積龐大，總高1027 mm，總重約3 t。勝利油田生產(chǎn)的某種型號的卡瓦要改造方瓦，卡瓦也不是標準卡瓦，裝置本身要承受鉆桿載荷，只能提放鉆桿卡瓦。所以國內(nèi)在動力卡瓦的研究生產(chǎn)方面還有很多研究工作要做。上述幾種卡瓦是在國內(nèi)出現(xiàn)比較早的動力卡瓦。在此之后,一些石油相關(guān)廠家和石油院校對井口操作機械化裝置開始進行研究,也對國外的一些已經(jīng)成熟的修井機進行研究和借鑒,針對國內(nèi)修井的需要研制了不少自動化修井機。修井機是整套的井口自動化裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)油管的起升、下降、對接、自動卡緊，上卸扣，排放油管等工藝。動力卡瓦是其中的一個重要部分,人們對它的研究和認識日益深入。下面介紹幾個相關(guān)的研究成果（其中也包括鉆井中動力卡瓦的研究成果） 。2000 年浙江萬里學院工程技術(shù)系的龐浩 【1】 對嵌入式卡瓦結(jié)構(gòu)進行分析，雖大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 3 -然所使用的力學模型為打撈器用的卡瓦，但是在井口上動力卡瓦的卡牙卡緊油管的研究中，其嵌入式卡緊原理相同，也有借鑒作用。作者針對在使用打撈器卡瓦作業(yè)時,由于使用不當,常使工具損壞,或是定位不可靠等問題對卡瓦工作部分的參數(shù)進行分析、優(yōu)化，并在工具使用中應(yīng)用,取得了較好的效果。2003 年江蘇油田工程院成功研制了一種石油鉆柱氣動卡瓦 【2】 ,在鉆井生產(chǎn)中推廣應(yīng)用已形成產(chǎn)品。此卡瓦安裝在轉(zhuǎn)盤大方瓦孔內(nèi)取代轉(zhuǎn)盤大方瓦,由支撐盤通過連桿連接卡瓦體,氣缸和導向桿與支撐盤固定連接?？ㄍ唧w與鉆桿有足夠的接觸面積，懸掛能力大；工作安全可靠,安裝方便；具有卡持鉆桿和起鉆時自動給鉆桿刮泥的雙重功能,并且更換刮泥盤非常簡單方便；卡瓦工作高度適當,不影響液壓鉗的上卸扣工作，而且能提高起下鉆速度。是目前非常常見的動力卡瓦。 2003 年由崔時光開發(fā)的專利《油田修井自動作業(yè)裝置》 【3】 是一種新型的有環(huán)保功能的修井自動化作業(yè)裝置。其中的動力卡瓦包括卡瓦箱體、卡瓦座、卡瓦、卡瓦驅(qū)動機構(gòu)，卡瓦可由電驅(qū)動,驅(qū)動機構(gòu)在卡瓦箱體的外側(cè)，結(jié)構(gòu)上卡瓦座跟卡瓦體采用錐面配合，卡瓦體的上下移動采用的是齒條齒輪傳動，且有復位裝置。值得借鑒的是卡瓦座、卡瓦體都在卡瓦箱體內(nèi),整個卡瓦的卡緊工作都是在一個封閉的空間內(nèi)進行的，故能夠防止原油和污水進入井場,有利于環(huán)境的保護.同年由煤炭科學研究所總院西安分院研制的復式液壓夾持器 【4】 是適合于全液壓鉆機使用的產(chǎn)品。它的設(shè)計在常閉式夾持器的基礎(chǔ)上，增設(shè)了與回旋器聯(lián)動的復油缸，它具有彈簧夾緊的常閉式夾持器工作安全可靠和油壓夾緊的常開式夾持器夾緊力大的雙重優(yōu)點。這個產(chǎn)品外形尺寸小，開啟壓力低，有利于液壓系統(tǒng)各個之路間的壓力協(xié)調(diào)，也提高了液壓系統(tǒng)的效率；在有聯(lián)動功能的液壓系統(tǒng)中與液壓卡盤配合，可保證動作協(xié)調(diào)。2007 年中國石油大學(華東)石油工程學院的張寶增和王瑞和提出了一種自動起下管柱作業(yè)系統(tǒng) 【5】 ，該系統(tǒng)構(gòu)思新穎,結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)可行,并能夠與現(xiàn)有修井設(shè)備配合使用實現(xiàn)油田修井作業(yè)的自動化。針對國內(nèi)修井機械數(shù)量多,不能全部棄用，而對于現(xiàn)有的修井機改造有很重要的意義。此作業(yè)系統(tǒng)中提出了一種新型卡瓦，其主要特點能配合現(xiàn)有的修井機械完成懸吊管住的工作；除此之外，隨著材料科學的發(fā)展,目前已經(jīng)能夠制造出一種新型彈性材料,在這種彈性材料中,由嵌入微型卡緊條制成的楔形卡瓦對管柱表面的損傷極小,針對油田上過去曾經(jīng)使用過夾持油管本體作業(yè)方式,容易損傷油管,縮短油管的使用壽命的缺點有很好的使用意義。國外對這種材料已經(jīng)有了相關(guān)的實驗和研究 【6】 。楔形卡瓦支座的實現(xiàn)方案為防止楔形卡瓦卡傷管柱表面,影響管柱的使用壽命和耐腐蝕能力,卡瓦與管柱接觸部分采用彈性體微條嵌入式結(jié)構(gòu)。另外在這種新型自動起下管柱裝置中為使桶式吊卡卡住接箍提供方便,卡瓦在卡緊管柱時夾持接箍下部的管體，使接箍完全外露，可以實現(xiàn)新型管柱起下作業(yè)方式。2007 年 6 月煤炭科學研究總院重慶分院劉衛(wèi)亮對不同齒面卡瓦對鉆機夾緊力大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 4 -影響的探討 【7】 發(fā)現(xiàn)光面齒面卡瓦與鉆具之間摩擦系數(shù)較低，對于預緊力的降低無濟于事；齒面顆粒狀卡瓦雖然摩擦系數(shù)較大,但在卡瓦與鉆具過載打滑的時候?qū)︺@具傷害較大,故不予考慮。齒面形狀為菱形溝槽的卡瓦在同等條件下相對于矩形溝槽齒面的摩擦系數(shù)更大,更有助于降低夾緊系統(tǒng)工作時的夾緊力和裝配時的預緊力,更有利于夾緊系統(tǒng)的穩(wěn)定。也就是說將現(xiàn)行鉆機夾緊系統(tǒng)使用的卡瓦齒面進行調(diào)整達到穩(wěn)定夾緊系統(tǒng)的目的是可行的;同時,這種方法還可以應(yīng)用到其他修井設(shè)備的夾緊系統(tǒng)中其作用是積極的。2.2 國外卡瓦的發(fā)展概況現(xiàn)在世界上公認的在生產(chǎn)動力卡瓦方面取得領(lǐng)先的是美國的DEN-CON公司和 VARCO-BJ公司。他們公司生產(chǎn)的動力卡瓦放于轉(zhuǎn)盤上，不必改造轉(zhuǎn)盤部件，卡瓦提升機構(gòu)本身不承受鉆柱或套管載荷。需正常鉆井時，可方便地將動力卡瓦機構(gòu)提離井口。這種可提放鉆桿方瓦、套管卡瓦的動力卡瓦提升結(jié)構(gòu)在國外應(yīng)用較廣。美國DEN-CON公司的動力卡瓦分為氣動和液動，其功能是一樣的，從用量和現(xiàn)場使用方便性來說，氣動卡瓦應(yīng)用更普遍一些。 美國DEN-CON公司氣動卡瓦主要有鉆鋌、套管、鉆桿用氣動卡瓦（如圖 2-1）和多功能氣動卡瓦。其原理采用卡瓦氣動推入并隨動夾緊方式，松開時氣動抽出卡瓦并翻轉(zhuǎn)一定角度，使其脫離工作區(qū)。氣動卡瓦優(yōu)點比較突出，表現(xiàn)在如下幾個方面：（1）安全性強：可取消倒換雙吊卡工序，從根本上避免單吊卡事故發(fā)生，避免了人為發(fā)生的鉆桿折斷或彎曲現(xiàn)象以及對人員的傷害；（2）快捷性：不用現(xiàn)場操作人員人工推、拉吊卡或提防卡瓦，節(jié)約起下鉆時效一半以上；（3）可操作性強：可實現(xiàn)井口一個人操作，大大降低工人勞動強度，改善工作環(huán)境；（4）先進性：卡瓦牙形狀設(shè)計合理不傷鉆桿，性能可靠而且使用壽命長。（5）淺井施工節(jié)奏更快、勞動強度更大，動力卡瓦的安全、快捷優(yōu)勢就更加明顯。這種方式結(jié)構(gòu)和動作都比較簡單，重量輕，成本低廉，DEN-CON公司生產(chǎn)的動力卡瓦在中國海洋油田已得到應(yīng)用并取得良好的應(yīng)用效果，深受海洋平臺工人的歡迎。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 5 -圖2-1 DEN-CON 公司生產(chǎn)的氣動卡瓦美國BJ公司的 Varco BJ PS21/30液壓動力卡瓦配有一套快速更換系統(tǒng)。PS2有以下幾個優(yōu)點：（1）PS21 型可以操作所有類型和尺寸的管子；（2）可以很快地從井底鉆具狀態(tài)改為鉆桿狀態(tài)，使得PS21/30可以在整個作業(yè)過程中使用；（3）不再需要傳統(tǒng)動力卡瓦使用過程中所必須使用的手動卡瓦來操作鉆鋌或井底鉆具；（4）鉗牙盒可以在管柱仍在井眼中隨時更換；（5）鉗牙盒更換可以在5 分鐘或更少的時間內(nèi)完成；（6）特殊的“丟下即鎖定，拉出即松開”設(shè)計消除了諸如鉚釘和銷釘之類的易松動件；（7）如果需要使用手動卡瓦，PS21/30可以同手動卡瓦套配套使用。 （a）液壓動力卡瓦 （b）動力卡瓦的快速更換系統(tǒng)圖2-2 Varco BJ PS21/30 液壓動力卡瓦國內(nèi)在所有的修井井口自動化設(shè)備中都逐漸的開發(fā)新的產(chǎn)品，應(yīng)用新的技術(shù)，更多的是面對實際的井場上的情況來安排設(shè)計方向設(shè)計重點和著眼點（如保護環(huán)境，保護人身安全） 。目前對于修井用動力卡瓦而言，重點大多放在對不壓井的應(yīng)用中，即在保證可靠卡緊管柱的前提下讓總體質(zhì)量更輕，工作高度更小，操作更方便，結(jié)構(gòu)更緊湊。其次，動力卡瓦的設(shè)計和制造還應(yīng)該注重互換性、通用性,這樣能集中精力解決矛盾突出的問題,改善其性能。再次，國內(nèi)各油田已經(jīng)擁有大量修井設(shè)備 ,修井作業(yè)方式急需改革,但又不能全部棄用現(xiàn)有設(shè)備。國外車載修井機性能較好,但價格昂貴,不適于我國國情。故在設(shè)計動力卡瓦的時候應(yīng)該多注意同以前的修井作業(yè)相結(jié)合的措施，根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗修改現(xiàn)有的修井井口作業(yè)設(shè)備。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 6 -第 3 章 動力卡瓦3.1 動力卡瓦的作用及分類卡瓦的作用：用來卡住并懸掛下井的鉆桿、鉆鋌、動力鉆具、套管等?？ㄍ叩姆诸悾喊醋饔迷?，卡瓦分為機械卡瓦和氣動卡瓦兩種。按結(jié)構(gòu)，卡瓦分為三片式、四片式、多片式三種。按用途，卡瓦分為鉆桿卡瓦、鉆鋌卡瓦和套管卡瓦三種。卡瓦的結(jié)構(gòu)及特點卡瓦的結(jié)構(gòu)大體為卡瓦體、卡瓦牙、手柄以及連接件等組成。① 三片式卡瓦三片式卡瓦結(jié)構(gòu)：手柄、卡瓦體、卡瓦牙、襯套。三片式卡瓦由三片扇形的卡瓦體組成。三片卡瓦體用鉸鏈銷釘連接，但不封閉。每片卡瓦體內(nèi)開有軸向燕尾槽，并裝有襯板和卡瓦牙，一副卡瓦要裝 60 塊卡瓦牙。三片式卡瓦的特點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并能夠容易地更換卡瓦牙。此種卡瓦對鉆柱的抱合長度也不長，因此能承受的負荷較小。采用這種結(jié)構(gòu)形式的有87.5 ～ 114.3mm 和 127 ～ 177.8mm 的卡瓦。 ②為了滿足大負荷的要求，產(chǎn)生了大包角三片式卡瓦。大包角三片式卡瓦的結(jié)構(gòu)：右卡瓦體、中瓦體、左瓦體、卡瓦牙板、彈簧、手柄和鉸鏈銷釘。大包角三片式卡瓦的結(jié)構(gòu)特點：是在卡瓦體之間用兩個軟性的活動鉸鏈組件鉸接，每片卡瓦體內(nèi)開有幾條周向燕尾槽裝卡瓦牙，卡瓦牙體較長，一副卡瓦只要裝 18 塊或者 24 塊，卡瓦牙之間不接觸。大包角三片式卡瓦的特點：是對鉆柱抱合角度大，抱合長度長，能承受較大負荷，適用于深井。缺點是因卡瓦牙較大，如果工作過程中有破損時卡瓦牙易脫落。③四片式卡瓦四片式卡瓦結(jié)構(gòu)：手柄、卡瓦體、鉸鏈銷釘和卡瓦牙。四片式卡瓦的四片卡瓦體分為二副組合，每副卡瓦體兩片之間用鉸鏈銷釘連接?？ㄍ哐佬问缴吓c上述的三片式卡瓦的前一種形式相同。④十一片式卡瓦十一片式卡瓦的結(jié)構(gòu)：卡瓦連接銷、右卡瓦體、左卡瓦體、手把連接銷、手大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 7 -把、開口銷、卡瓦牙、卡瓦固定銷和中卡瓦體。十一片式卡瓦是由十一片卡瓦體組成。十一片卡瓦體用連接銷相互鉸接，但不密封。每個卡瓦體內(nèi)開有周向燕尾槽，用于裝卡瓦牙。⑤鉆桿卡瓦結(jié)構(gòu)：右手把、右頁卡瓦體、銷軸、擋環(huán)、左頁卡瓦體、左手把、鉸鏈銷、牙板、中頁卡瓦體、中手把、沉頭螺釘、鎖緊螺母、墊圈和開口銷。⑥套管卡瓦的結(jié)構(gòu)：邊頁手把、右頁卡瓦體、銷軸、墊圈、開口銷、左頁卡瓦體、中頁卡瓦體、中頁手把、卡瓦體連接銷、牙板和螺釘。⑦鉆鋌卡瓦的結(jié)構(gòu)：右頁卡瓦體、邊手把、開口銷、左頁卡瓦體、連接銷、中頁卡瓦體、中頁手把、墊圈和牙板。另有一種卡瓦叫做安全卡瓦，是防止沒有臺肩的管柱或工具發(fā)生滑脫落井的保險卡緊工具，是用于防止從卡瓦中滑脫的重要輔助工具。其主要由牙板套、卡瓦牙、彈簧、調(diào)節(jié)絲桿、螺母、手柄以及連接桿組成。它是依靠擰緊螺栓來卡緊鉆鋌的。3.2 動力卡瓦的工作原理3.2.1 卡瓦楔塊楔緊并卡住鉆柱的條件液壓缸施加作用力 F 推動卡瓦楔體沿卡瓦座體內(nèi)錐面下行收攏，直至楔緊鉆柱。由圖 3-1 可見，這時的卡瓦楔體分別受到經(jīng)向壓力 ，和 ，同時在各個1NF2摩擦產(chǎn)生了相應(yīng)的摩擦力 、和 。12圖 3-1 卡瓦楔體受力分析 圖 3-2 卡瓦楔體卡緊鉆柱的受力分析大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 8 -在鉆柱重力 W 作用下，依靠鉆柱與卡瓦牙之間的摩擦力 帶動卡瓦楔體繼續(xù)4F下行，從而使卡瓦楔體楔緊卡住鉆柱，這時僅由鉆柱重力 W 所產(chǎn)生的受力情況如圖 3-2。為簡化起見，首先，計算分析僅由鉆桿重力 W 作用下所產(chǎn)生的受力情況。這樣，卡瓦楔體卡緊鉆柱的基本條件是鉆柱下行時是否帶動卡瓦楔體而實現(xiàn)楔緊作用。楔緊作用越強，則鉆柱卡緊越可靠。這樣就要求鉆柱和卡瓦牙之問的摩擦力 應(yīng)大于或等于卡瓦楔體背錐面與卡瓦座體內(nèi)錐面之問阻止卡瓦楔體下行的阻4F力，即 (3-1)43sincosNF???根據(jù)卡瓦楔體的徑向受力平衡條件，當鉆柱楔緊卡住狀態(tài)有(3-2)343iF??式中， 為卡瓦楔體與卡瓦座體的摩擦力， ； 為鉆柱與卡瓦楔3 341Nf?4F體之間的摩擦力， ； 為卡瓦血體與卡瓦座體之間的摩擦因數(shù)； 為432NFf1 2f鉆柱與卡瓦座體之間的摩擦因數(shù)； 為卡瓦楔體外錐或卡瓦座體內(nèi)錐的半錐角。?由式(3-1)與(3-2)可解得保證楔緊卡住鉆柱的條件(3-3)12tanf???或 (3-4)12tf??由式(3-3)或(3-4)可見，由于 ，所以只有當 時，才能使鉆柱被楔0?21f?緊卡住。因數(shù) 和 之間的這種關(guān)系，依靠在卡瓦楔體上安裝牙板以增大 來達到。1f2 2f牙板經(jīng)過淬火，其硬度大于鉆柱硬度，當牙齒頂部和鉆柱表面接觸時，就產(chǎn)生接觸應(yīng)力，該應(yīng)力能夠保證接觸表面處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài)。而卡瓦楔體相對于卡瓦座體內(nèi)錐面運動時，往往形成液體摩擦或半液體摩擦。因此，僅由鉆柱重力 W 產(chǎn)生作用時， 也總是大于 ，也就是說，卡瓦楔體總能卡住鉆桿。2f1f當液壓缸對卡瓦楔體施加作用力 F 下行時，只能更有利于卡瓦楔體對鉆柱楔緊卡住。3.2.2 卡瓦楔體上提不自鎖的條件鉆柱準備上提時，應(yīng)先動作液壓缸給卡瓦楔體一個上提作用力，然后再動作鉆柱上提，然而為簡化計算，首先，設(shè)想液壓缸與卡瓦楔體斷開聯(lián)接，再進行上提鉆柱時的卡瓦楔體的受力分析，如圖 3-3。上提鉆柱時，卡瓦楔體依靠卡瓦牙板大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 9 -與鉆柱的摩擦被帶動上移，因而其摩擦力凡為卡瓦楔體上行的主作用力，摩擦力為卡瓦座體對卡瓦楔體的反作用力。為保證卡瓦楔體的上移，應(yīng)使主作用力3F大于反作用力 ，即 圖 3-3 上提鉆柱時受力分析4N3F(3-5)44cosinNN???由卡瓦楔體徑向受力平衡所得 (3-6) 343i?解得 (3-7) 12ftg此式就是卡瓦上提不自鎖的條件，式中各符號意義同前。與楔緊卡住鉆柱的條件相比較，當 時，在 和 滿足式(3-4)的條件下，0??1f2式(3-7)是恒滿足的。即在滿足卡瓦楔體楔緊卡住鉆柱的條件下，能夠保證卡瓦楔體上提不自鎖。再者，由于液壓缸也給卡瓦楔體一個上提作用力，而這個作用力也僅使卡瓦楔體有上提的趨向，所以鉆柱上提時卡瓦楔體沒有產(chǎn)生自鎖的可能。3.3 總體方案的確定如圖 3-4 所示，這種修井動力卡瓦利用液壓缸作動力通過連桿提放卡瓦楔塊，液壓缸固定在卡瓦座體上。當液壓缸帶動液壓缸連桿上行時，通過主軸的鍵連接將動力傳遞至吊臂帶動卡瓦楔塊上行，使卡瓦楔塊張開，從而通過油管上的節(jié)箍。當液壓缸帶動液壓缸連桿下行時，會帶動卡瓦楔塊推動油管居中(起到一定的對中作用)，然后卡瓦楔塊沿著卡瓦座內(nèi)錐面下行收攏，直至楔緊并卡住油管。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 10 -圖 3-4 新型動力卡瓦的結(jié)構(gòu)1-卡瓦耳座 2-長銷軸 3-液壓缸連桿 4-銷軸 5-連桿 6-銷軸 7-卡瓦體 8-卡瓦牙板 9-壓板 10-卡瓦心軸 11-彎連桿 12-銷軸 13-液壓缸 14-卡瓦座 15-液壓缸軸卡瓦座內(nèi)分為 2 部分，對稱布置 2 對楔塊、2 對墊塊。每對楔塊通過合頁連接，墊塊通過螺紋連接安裝在楔塊上，每個墊塊上開有 3 個燕尾槽用來安裝卡瓦牙板?？ㄍ咦鶅蓚?cè)對稱安裝了 2 個液壓缸，液壓缸連接液壓缸連桿，液壓缸連桿與主軸采用鍵連接，吊臂及吊臂連桿也同主軸鍵連接，最終實現(xiàn)液壓缸到楔塊的動力傳遞。在總體方案確定好后,接下來就是對一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行具體考慮以實現(xiàn)其相應(yīng)功能,對此,我主要在以下方面作了一些工作:確定各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，對各零部件進行強度校核。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 11 -第 4 章 卡瓦座的設(shè)計及校核4.1 卡瓦座基本尺寸的確定這次設(shè)計思想是將所有上解扣機構(gòu)放在卡瓦座上，卡瓦座安放在井口法蘭上，卡瓦座與井口法蘭有螺栓螺母連接。設(shè)計要求給定最大通徑為 φ200mm，因此將卡瓦座通徑設(shè)定為 200mm?？ㄍ咦牟牧贤ǔＳ弥刑己辖饎傝T成，因此選定材料為合金鋼。要想卡瓦能夠達到卡緊與放松的動作過程也就意味著卡瓦的內(nèi)徑是可以調(diào)節(jié)與變化的，并且通過一些專利的介紹，先將卡瓦的座體設(shè)計確定為了斜面設(shè)計。那么這個時候就出現(xiàn)了一個斜度的問題，在此，稱其為錐度,以 K 來表示。為了減少卡瓦片施加給管子表面的總徑向壓緊力 P，最好使錐度 K 值增加到最大允許值。通過對 K=1：3 與 K=1：1.866 兩種情況進行對比，發(fā)現(xiàn)，錐度由 1：3 增加到 1：1.866 時，卡瓦施加給管子的最大總壓力 P 減少了 32%。試驗證明，K=1.866 時的卡瓦只有在卡瓦和補芯的工作表面潤滑充分，且牙板牙齒尖銳的情況下能卡住管子。所以生產(chǎn)中不宜使用這種錐度的卡瓦。而當 K=1：3 時，甚至在卡瓦和補芯的摩擦面之間使用水潤滑也能可靠地卡住管子，這個錐度對現(xiàn)有各大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 12 -型卡瓦都是比較合理的。因此，設(shè)計中選取 K=1：3 作為卡瓦座的錐度，也就是tgα=0.1667（或 α=9°27′45″） ，即與豎直方向成 9.47°角。在目前來說，卡瓦的長度一般都不少于 200mm，但是最大長度也不超過400mm；因為研究表明，卡瓦長度從 300mm 加大到 400mm，所能增加的軸向載荷不大于 10 ~ 12%。因此，在滿足設(shè)計需要且節(jié)約耗材的同時，將卡瓦體長度選擇為250mm?？ㄍ咦撞靠刹捎瞄_口螺栓孔，直徑與井口法蘭螺栓孔保持一致，且要留出螺母的轉(zhuǎn)動空間與扳手空間。取卡瓦座下端與法蘭接觸面厚度為 50mm，螺栓長度為 150mm，其中螺母采用 GB/T6170-2000M30,螺栓采用 GB/T901-1988M30。4.2 卡瓦座的受力分析卡瓦座承載面厚度的設(shè)計需要借助 solidworks 軟件的應(yīng)力分析，也就是卡瓦座的厚度完全由施加在其身上的作用力來約束，這就需要對應(yīng)力有個明確的分析。已知條件：F = N f ； F =Q ； Q=400 KN ； 11F = N f ； α=9.47° ；f =0.3 ；f =0.15； 2212根據(jù)圖中所示列出以下平衡方程，水平方向： N cosα= N + F sinα （1） 212豎直方向： F = N sinα+ F cosα （2） 1由方程（2）得：Q=F = N sinα+ N f ·cosα 2解得 N =Q/( sinα+ f ·cosα)22=600000N/0.3372=1.78×10 N 圖 4-1 卡瓦體的受力分析6故卡瓦座受力大小約為 1.78×10 N。64.3 卡瓦座窄面接觸受力分析設(shè)計要求規(guī)定卡瓦體為四塊，每兩塊為一組以卡瓦心軸連接，每一組卡瓦體沿卡瓦座斜壁上升過程中，在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下，使得它們之間大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 13 -的角度關(guān)系不斷變化，同時它們與卡瓦座斜面的接觸關(guān)系也是一直在變化的，在實際的卡緊狀態(tài)下由于油管的長期在地下受壓變形導致卡瓦體的背錐與卡瓦座的內(nèi)錐面不完全是面—面接觸，而是線接觸，在 、 擠壓的狀態(tài)下演變成窄面1N2—窄面接觸，如圖 4-2 所示。 1-卡瓦座內(nèi)錐面；2-卡瓦體 因此，在用軟件進行應(yīng)力分析時，用以承受 圖 4-2 卡瓦體窄面接觸俯視圖施加力的是 4 個寬為 3.06 毫米的窄面。且窄面承受的不僅是摩擦力，還有卡瓦體所施加的壓力，即來自于卡緊油管時阻礙油管下滑的正壓力，計算得卡瓦座內(nèi)每條窄面受力 F= N /4 =444.84KN。 24.4 卡瓦座定心套設(shè)計為了使卡瓦體升起時能夠更好的張開，使油管接箍順利通過。設(shè)計時，在卡瓦座底部安裝了一個定心裝置，主要起到對準中心的作用?？ㄍ咦鶅?nèi)徑為200mm，而所要卡緊的管柱直徑為 76.2mm 和 88.9mm，也就是管柱與卡瓦座之間有很大的間隙，為了防止管柱的搖晃及擺動，同時能夠準確的對準中心，設(shè)計了卡瓦座定心軸套這一零件。定心套的內(nèi)圓柱面與上下端面采用了倒角設(shè)計，倒角度數(shù)為 10×45°主要是為了起到一個良好的導向作用，由于，油管的接箍處要比油管大10mm 左右，在上下移動油管時，就容易將油管接箍卡住，而倒角的設(shè)計可使接箍處沿倒角產(chǎn)生的斜面下滑，從而使油管順利通過。 4.5 卡瓦座防扭轉(zhuǎn)措施設(shè)計考慮到在油管柱重力不夠時，卡瓦體會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故在本次設(shè)計中增加了防扭轉(zhuǎn)措施，即在卡瓦頂面銑出深 15mm 的環(huán)槽，用以安裝防扭轉(zhuǎn)擋塊。為了能使防扭轉(zhuǎn)塊起到有效的防扭轉(zhuǎn)作用，因此在設(shè)計時，應(yīng)保證防扭擋塊的高度略高于卡瓦體。這是因為設(shè)計中卡瓦體處于卡緊狀態(tài)時，將卡緊位置提升了一定的高度，即卡瓦體的上表面并不是與 1—防扭擋塊 2—螺栓卡瓦座上表面平齊的，而是高出了一定的高度，這 圖 4-4 防扭擋塊示意圖12圖 4-3 定心套示意圖大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 14 -就造成了卡瓦體與防扭擋塊位置錯開，防扭轉(zhuǎn)措施失效。反之，若是防扭擋塊高于卡瓦座凹槽深度，則在卡瓦體卡緊時依然滿足防扭轉(zhuǎn)條件起到防扭轉(zhuǎn)作用。4.6 卡瓦座的強度校核圖 4-5 卡瓦座強度校核分析圖由 SolidWorks 軟件中的 COSMOSWorks 管理程序?qū)ζ溥M行靜態(tài)應(yīng)力分析得到，約束面為卡瓦座下方與法蘭連接的十個螺栓孔，受力面為四個窄面，大小為444.84KN。得到如下圖所示結(jié)果。圖中所示，卡瓦座所受最大應(yīng)力為 3.012×108 N,而卡瓦座的極限屈服力則達到 6.204×108 N，經(jīng)計算可知安全系數(shù)約為 2.06，因此壁厚 35mm 是同時滿足省材與安全條件的最佳值。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 15 -第 5 章 卡瓦體的設(shè)計及校核5.1 卡瓦體的設(shè)計由于要卡緊兩種不同尺寸油管和抽油桿，這就需要需牙板和卡瓦體可拆卸更換。其中牙板與卡瓦體用燕尾槽連接，且卡瓦體上需要安放壓板壓住牙板，防止其向上竄出燕尾槽，故在燕尾槽兩側(cè)鉆出兩個螺栓孔以固定壓板，考慮到承受載荷較大，燕尾槽兩斜面夾角為 15°，長為 60mm，深 200mm。同時，應(yīng)注意到因加工工藝過程需要，應(yīng)在燕尾槽底部加工出退刀槽，寬度 62mm 即可，供加工后的銑刀退刀。卡瓦體整體高度為 250mm，其背錐度需和卡瓦座內(nèi)錐接觸配合，但接觸為抽象出的窄面接觸。本次設(shè)計中，將卡緊位置設(shè)定在理想位置（卡瓦體的理想位置：即卡瓦體的背錐與卡瓦座的內(nèi)錐緊密配合，形成面 – 面接觸時的位置。 ）的上方 12.6mm 處，也就是卡瓦體需在水平方向上移動 2.1mm 即為本次設(shè)計中設(shè)定理想位置。卡瓦體應(yīng)是 4 塊，在位于卡緊位置時，卡緊角度應(yīng)各是 90°，但需留出鉸鏈大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 16 -連接和卡瓦心軸的空間，故需有 30mm 的寬度，來容納鉸鏈和心軸。設(shè)計中考慮到了卡瓦體打開時的阻力情況，因此在卡瓦心軸上留出了放扭轉(zhuǎn)彈簧的位置。同時，本次設(shè)計考慮了防扭轉(zhuǎn)措施，即在卡瓦體背錐的上部分加一個邊沿，厚度為15mm，用來和防扭轉(zhuǎn)擋塊配合，以防上扣上到最后階段時慣性扭矩的控制以及解卡時的震動?？ㄍ唧w是能夠活動的零件，它的運動主要是為了能夠使油管接箍順利通過卡瓦，而在卡緊油管狀態(tài)下，其主要作用是與卡瓦座內(nèi)錐接觸配合實現(xiàn)楔形卡緊，且能放置固定卡瓦牙，防止在解卡時卡瓦牙跟油管外壁順利分開。卡瓦體主要承受來自卡瓦座、油管管柱的壓力、 和與卡瓦座內(nèi)錐面的摩擦力 ，其主要破壞1N2 F形式為被錐面的磨損和承受擠壓力的塑性變形。另外，在卡緊狀態(tài)下卡瓦體底部高度為 部分承擔的是讓卡h瓦牙卡緊油管管柱的支持力 ，如圖 5-1，燕尾槽3N是用來固定卡瓦牙的，其深度設(shè)為 ,卡瓦體承載面高度 圖 5-1 卡瓦體剖面圖a為 ，其寬度為 ,由于卡緊狀態(tài)下背錐面都是與卡瓦hb座內(nèi)錐面接觸，即在整個背錐面可以看成固定面，顯然 CD 段為危險斷裂面， （5.1） ??cossFQSxl??????（5.2）??22cosxhbal????其中 b——卡瓦底面的寬度； a——燕尾槽的深度； ——截面 CD 與底面夾角，?且 ； ——卡瓦體材料的屈服極限；l ——卡瓦體的環(huán)形長度；tan?????s?h ——卡瓦體承載面高度。將式（5.2）整理得： （5.3）??1ShQlba??????????從式（5.3）可以看出在考慮卡瓦體 CD 斷裂面的時其承載能力與承載面高度h 與卡瓦體有效承載寬度 b-a 的比值以及卡瓦體環(huán)形長度 l 成正比。顯然，由于受力面積的影響，在面接觸受力時候卡瓦體所受最大應(yīng)力值比整個背錐接觸受力的最大應(yīng)力值要大，且在窄面接觸受力時其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與窄面相對的卡瓦體正面，越到卡瓦體厚度較小處彎曲的趨勢越明顯。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 17 -卡瓦楔體的背錐及卡瓦座體的內(nèi)錐面的錐度選為 1：3，實踐證明，使用該錐度，甚至在卡瓦楔體和卡瓦座體的摩擦面之間只用水潤滑也能可靠地楔緊卡住鉆柱。根據(jù)相關(guān)標準選擇錐角 。927450??????5.2 卡瓦體的強度校核1——正面 2——背面圖 5-2 卡瓦體背錐窄面接觸云圖如圖 5-2，由于受力面積的影響，在面接觸受力時候卡瓦體所受最大應(yīng)力值比整個背錐接觸受力的最大應(yīng)力值要觸受力時其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與窄面相對的卡瓦體正面，越到卡瓦體厚度較小處彎曲的趨勢越明顯。當卡瓦處于卡緊狀態(tài)時，油管等管柱工具的重力通過卡瓦牙板背錐上的燕尾槽傳遞到卡瓦體上，而卡瓦體所受到的是向下的油管等管柱工具的重力（在此由于油管等管柱工具的重力遠遠大于卡瓦牙板等零件的重力，因此在此處卡瓦牙板等重力忽略不計） 。而卡瓦體的主要受力部分為卡瓦體下部的突臺處，因此在校核強度時主要校核卡瓦體的突臺處?？ㄍ唧w主要受力部位是突臺面，主要是受管柱的重力，四塊卡瓦體總受力大小 ，單個卡瓦體受力大小為 ，其中9.8/FGmNkg??總 管 柱 管 柱 /4F?分 總=60t，所以 ，單個卡瓦體所受的力為管 柱 ?總 管 柱 609.850N?。/4分 總 50417?大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 18 -圖 5-3 卡瓦體強度校核分析圖通過圖 5-3 應(yīng)力分析圖不難看出，將 147000N 施加在凸臺上，凸臺極限屈服力為 6.204×108 N，而它所承受的最大應(yīng)力為 2.4292×108 N，遠小于它的屈服力。也就是說，在滿足設(shè)計條件及運動需要的同時，卡瓦體不會承受過大壓力而產(chǎn)生斷裂，即此卡瓦體設(shè)計較為合理。第 6 章 卡瓦牙板的設(shè)計及校核由于設(shè)計要求明確指出需卡緊 3 寸和 3 寸半兩種尺寸的油管，因此，在設(shè)計中要設(shè)計出兩套卡瓦牙板，以改變牙板的厚度來實現(xiàn)卡緊不同的管柱。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 19 -圖 6-1 三寸卡瓦牙板示意圖 圖 6-2 三寸半卡瓦牙板示意圖6.1 卡瓦牙齒面形狀布置的設(shè)計卡瓦牙是直接跟油管接觸的鋼體。在牙板的設(shè)計中，不同牙型對應(yīng)受力關(guān)系是不同的。以下列舉幾種常見齒面卡瓦：1.矩形溝槽齒面卡瓦特點矩形溝槽齒面卡瓦具有加工簡單，更換方便快捷等優(yōu)點，但是這種齒面卡瓦與鉆具之間的摩擦系數(shù)比較低，當鉆機需要的輸出轉(zhuǎn)矩較大時，對于膠囊式卡盤來說，意味著系統(tǒng)壓力的增大或者高壓油與卡瓦的接觸面積的增加，前者會增加密封元件的損壞幾率，后者則使卡盤系統(tǒng)的尺寸相對臃腫；而對于常閉式液壓卡盤而言，轉(zhuǎn)矩的增大使得碟形彈簧的厚度增加，卡盤部分的幾何尺寸也許增大，同時卡盤裝配時所需的預緊力也要提高，這樣卡盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會下降。2.菱形齒面溝槽卡瓦的特點將卡瓦齒面形狀加以改變，即將矩形溝槽齒面更改為菱形溝槽齒面，通過增大卡瓦與鉆具之間的摩擦系數(shù)來降低碟形彈簧施加于卡瓦的正壓力，根據(jù)摩擦力計算公式，摩擦力大小一定的情況下，正壓力的降低意味著碟形彈簧工作時復位力的降低和夾緊系統(tǒng)裝配時預緊力的減小。如圖 6-2，齒面形狀為菱形溝槽的卡瓦牙板在同等條件下相對于矩形溝槽齒面，對于降低夾緊系統(tǒng)壓力、減小夾緊系統(tǒng)幾何尺寸以及減小裝配時的預緊力都是十分有利的 ,即對于穩(wěn)定夾緊系統(tǒng)是積極的。在同等的卡瓦體上，安裝矩形牙板的卡瓦體安裝菱形牙板的卡瓦體其卡牙跟管柱接觸面的摩擦力是不同的。和相大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 20 -圖 6-2 牙板形狀是矩形和菱形的卡瓦體視圖對于光滑平面而言，卡瓦牙的分布是影響摩擦系數(shù)的重要因素。光面齒面卡瓦與鉆具之間摩擦系數(shù)較低，對于預緊力的降低無濟于事；齒面顆粒狀卡瓦雖然摩擦系數(shù)較大，但在卡瓦與鉆具過載打滑的時候?qū)︺@具傷害較大，故不予考慮?？ㄍ咚璧膴A緊力是碟形彈簧通過壓縮以斜面增力機構(gòu)為媒介施加于卡瓦上的，因此碟形彈簧壓縮產(chǎn)生的復位力通過斜面增力機構(gòu)放大后應(yīng)該不小于夾緊力，否則卡瓦與鉆具之間就會打滑?？ㄍ哐揽梢栽O(shè)計成一條也可以設(shè)計成多條。本次設(shè)計中為了更換方便，將牙板設(shè)計成一整塊，卡瓦牙縱向開有溝槽使液體雜質(zhì)排除。卡瓦牙板與卡瓦體由燕尾槽連接?？ㄍ哐拦ぷ鞅砻娴挠捕葢?yīng)該較高，通常卡瓦牙表面作滲碳處理，以提高卡牙表面硬度，更好地保證卡瓦的工作質(zhì)量。6.2 卡瓦牙形的設(shè)計經(jīng)過以上比較，在對卡瓦牙板的設(shè)計中卡瓦牙選擇采用橫截面為三角形的齒形?？ㄍ哐赖慕孛鏋閹Ъ獾娜切?，尖端跟油管接觸，為線 – 面接觸。為了方便計算，建立立體模型，建模時由于卡瓦體的體積有限，故不宜把卡瓦牙體積考慮太大，本文采取的數(shù)據(jù)如圖 6-3 所示。為方便研究取 （°）為頂?角； （°）為齒前角； （°）為齒后角； ， 。圖中1?2?610PN??710Q??所示為討論的一個特殊情況，即 = = 。利用 ANSYS 分析時設(shè)單元屬性為12?4node63；材料彈性模量 ;泊松比 。.06EM??.3?大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 21 -圖 6-3 卡瓦牙平面簡化模型 圖 6-4 頂角 α=45°受力分析等值云圖并不是等腰三角形的截面的卡瓦牙受力情況最好，由圖 6-4 可以明顯看出，圖中所示為一個頂角 α=45°的等腰三角形的卡瓦牙截面，其在齒前面和齒后面受應(yīng)力是不均勻的，唯有在卡瓦牙受載荷 P 和載荷 Q 的 合力通過卡牙張角的平分線時候才能使卡牙的齒前面和齒后面應(yīng)力分布均勻。既然等腰三角形的截面對三角卡牙受力情況并非最好，那就需要對其前后角度進行分析，如圖 6-5 所示。圖 6-5 卡瓦牙平面簡化模型 當 °時，卡牙所受應(yīng)力主要集中在齒前面上，且其齒根部分受應(yīng)力面15???積較大，這是因為卡牙受載荷是 P 和 Q 的合力，此合力作用在了卡牙張角靠近齒前面的一側(cè)，導致卡瓦牙容易彎曲變形區(qū)域大多分布在靠近齒前角一側(cè)，而且在齒根部位，靠近齒前面的一側(cè)應(yīng)力變化較大，靠近吃后面的一側(cè)應(yīng)力變化較小，這樣卡牙的主要破壞除了齒尖的磨損，還有齒前面以及齒根部位靠近齒前面的斷裂。當 ＝0°、10°、20°、30°、40°、50°時， ＝0°時其應(yīng)力變化主要1? 1?圖 6-6 頂角 °, °260??1受力分析等值云圖大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 22 -集中在齒前面和齒根靠近齒前面部分，而且齒尖部分應(yīng)力值較高； ＝30°時其1?應(yīng)力變化主要集中在齒前面，而齒后面應(yīng)力變化較少，其齒尖部分的應(yīng)力值比＝ 0°時減低； ＝50°時其應(yīng)力變化主要集中在整個齒面靠近齒尖部分，且1?1?應(yīng)力變化區(qū)域比較對稱。其原因是在齒尖受橫向載荷 Q 和縱向載荷 P 時，其合力大小方向均沒有發(fā)生變化，但是卡牙張角逐漸變大，導致其張角平分線逐漸靠近= 時的角平分線，使得其受應(yīng)力逐漸平均。如圖 6-6 至 6-8 所示。1?20.0E+002.0E+084.0E+086.0E+088.0E+081.0E+091.2E+091.4E+090 2 4 6 8 10路 徑 （ 牙 尖 到 牙 根 ） /mm應(yīng)力/Paθ 1=0°θ 1=10°θ 1=20°θ 1=30°θ 1=40°θ 1=50°屈 服 值圖 6-9 =60°時 卡牙截面應(yīng)力分布曲線2?1而通過對 °， ＝0°、10°、20°、30°、40°、50°情況作有限260??1元分析時發(fā)現(xiàn)其路徑與路徑點所受應(yīng)力成反比。如圖 6-9 所示。顯然在材料屈服圖 6-7 頂角 °, °26??130受力分析等值云圖圖 6-8 頂角 °, °26??15受力分析等值云圖受力分析等值云圖大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 23 -值以下都產(chǎn)生彈性變形，高于此值時則是塑性變形。由此圖可以看出 角度越大1?曲線越遠離屈服直線，且齒尖越不容易發(fā)成塑性變形，而離牙根部越近其應(yīng)力值越小，應(yīng)力值變化越小。因而，在設(shè)計角度時，α=θ 1+θ2∈[70°，80°],本設(shè)計中取頂角 α=70°。6.3 卡瓦牙高度的設(shè)計如圖 6-10，假設(shè)軸向摩擦力均勻分布，將軸向載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與徑向載荷產(chǎn)生的應(yīng)力分開考慮，側(cè)重研究卡瓦下邊緣關(guān)注橫截面上的分布彎矩，算出內(nèi)壁的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，可以給出管柱懸掛力的彈性承載能力近似計算式。（6.1）212.5.03sAQKRll?????????——管柱的橫截面積； ——管材的區(qū)服極限；As——卡瓦體長度； ——管柱平均半徑； lR——橫向載荷系數(shù)， ； 為摩擦角；K??1tanK????——卡瓦座內(nèi)錐傾斜角； ?同時：卡瓦體與油管外壁的接觸力 ， 圖 6-10 卡瓦懸掛結(jié)構(gòu)圖1sNA??帶入到式（6.1）有： 21=+2.5.03QfKRll???????當也就是在不擠毀管柱的情況下的當量摩擦系數(shù)。從式（6.1）看出動力卡瓦的高度（這里指有效高度）與懸掛管柱的重力成正比。且在分母中設(shè) 212.5.03KRBll????????（6.2） ，則式（6.1）變成 （6.3） ，sAQ??大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 24 -即 的最大值取決于 ，而由式（6.2）可知在［0，+∞）內(nèi)存在一個極值QB點。令 ，代入式（6.2）得 KRtl? 21.5.03Bt??（6.4） ，顯然當 時 在自變量 有最值，即 ，代入式（6.3）得，當0tB??0,t???即 時卡瓦懸掛的重量存在最大值即 。而觀察式（6.2）的函數(shù)t?l??sQA??圖像，以 Φ76.2mm 為例，其橫截面積 A=1118mm2， ， 帶入1.7sMP2.0K?式（6.4）得 25981.3.7ll?（6.5）顯然，卡瓦工作高度 ，且與卡瓦懸掛重量成正比，從式（6.4）來看卡0l?緊油管承重能力隨著動力卡瓦的高度 增加而增加。在此模型下，卡瓦體高度l時其懸掛重量急劇增加到 左右，但是圖像在卡瓦牙高度大于??0,5l?42.51?300mm 時候其所能增加的載荷不大于 10～12%。故卡瓦體高度控制在小于300mm～400mm 之間即可。本設(shè)計中選取卡瓦牙高度約為 250mm。6.4 卡瓦牙環(huán)形包角的設(shè)計卡瓦牙的環(huán)形包角也是一個重要參數(shù)。為了 能使卡瓦的壓力均勻的分布在油管外壁上，應(yīng)盡量 使用對稱的卡瓦體卡緊，并且盡量的使卡瓦牙環(huán)形 包角增大，這對增大卡瓦的懸掛能力和避免卡瓦牙 咬傷油管是很重要的。 圖 6-11 油管受橫向載荷的對稱模型大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 25 -圖 6-12 油管受橫向?qū)ΨQ載荷應(yīng)力云圖 圖 6-13 油管受橫向?qū)ΨQ載荷位移云圖如圖 6-11，每對卡瓦體成對稱分布，在保持卡瓦體到油管中心距離 H 不變時候，如圖 6-12、6-13，其最大應(yīng)力值 且其應(yīng)力值分布比較均勻，max2.8MP??但其位移變化較集中，變形量也較大 。53.410???大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 26 -第 7 章 起升機構(gòu)的設(shè)計卡瓦中起升機構(gòu)的作用通常只是將卡瓦體抬起,讓出接箍的直徑，而不影響油管的自由上下。根據(jù)資料查閱，目前卡瓦中的升降機構(gòu)大體分為以下幾種類型：1.）液壓缸傾斜，直接在端部推動卡瓦體沿斜面上下運動。2.）水平方向直接推卡瓦體。將液壓缸與卡瓦座相連，利用內(nèi)圈弧度來推動卡瓦體直接卡緊管柱，此方案降低了設(shè)計高度，但水平移動卡瓦體的能力有限，但它能在軸向、徑向、周向同時卡緊油管。3.）氣壓回路，用一個圓環(huán)盤來帶動連桿連接卡瓦體，且卡瓦座的內(nèi)錐斜面可有一個臺階，目的是使卡瓦體抬起后更好地貼近卡瓦座內(nèi)錐，從而為油管接箍讓出通徑，是較廣泛使用的升降機構(gòu)。其特點是節(jié)省能源，減小污染。4.）采用連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)的共同特點是原動件的運動都要經(jīng)過一個不與機架直接相連的中間構(gòu)件才能傳動從動件，故稱之為連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)具有以下一些傳動特點：⑴連桿機構(gòu)中的運動副一般均為低副（故又稱為低副機構(gòu)） 。其運動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且連桿機構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對保證工作的可靠性有利。⑵在連桿機構(gòu)中，在原動件的運動規(guī)律不變的條件下，可用改變各構(gòu)件的相對長度來使從動件得到不同的運動規(guī)律。⑶在連桿機構(gòu)中，連桿上各點的軌跡是各種不同形狀的曲線（稱為連桿曲線），其形狀隨著各構(gòu)件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形成多樣，可用來滿足一些特定工作的需要。利用連桿機構(gòu)還可以很方便的達到改變運動的傳遞方向，擴大行程，實現(xiàn)增力和遠距離傳動等目的。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 27 -連桿機構(gòu)也存在如下一些缺點：⑴由于連桿機構(gòu)的運動必須經(jīng)過中間構(gòu)件進行傳遞，因而傳動路線較長，易產(chǎn)生較大的誤差累積，同時也使機械效率降低。由于運動誤差累積較大，因而影響傳動精度。⑵在連桿機構(gòu)中，連桿及滑塊所產(chǎn)生的慣性力難以用一般平衡方法加以消除，因而連桿機構(gòu)不宜用于高速運動。經(jīng)過對連桿機構(gòu)傳動特點的學習，在設(shè)計中應(yīng)該注意利用連桿機構(gòu)的優(yōu)點，盡量避免或減少連桿機構(gòu)中的運動誤差。經(jīng)過以上比較，對比了幾種結(jié)構(gòu)后，本次設(shè)計自動卡瓦中的升降機構(gòu)選擇使用連桿機構(gòu)。因為它的結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時又能達到設(shè)計要求。7.1 連桿機構(gòu)的設(shè)計本次設(shè)計采用的就是連桿起升機構(gòu)，如圖 7-1 所示。I 軸為主要傳動軸。連桿 1、2 通過 I 軸的傳遞達到運動的一致性的。起升機構(gòu)的作用是將卡瓦體抬起，使油管能夠上下游動，并確保抬起的距離足以使在水平方向上能通過油管的接箍，設(shè)計時可由相關(guān)三維設(shè)計軟件構(gòu)造實體模型，來確保實現(xiàn)的動作在空間上是否滿足。此方法可確保結(jié)構(gòu)的可靠性。設(shè)計中，要考慮在解卡時，由于觸及面得粘貼，即卡瓦牙和油管間存在著由于作用力過大而產(chǎn)生的 圖 7-1 連桿起升機構(gòu)粘黏，則使在油管上提時存在將粘黏結(jié)點破壞所需 要的瞬間作用力。除此運動過程外，此系統(tǒng)只受卡瓦體的重力。運動時要保證提心軸時兩塊卡瓦體順利地張開，要在心軸的圓柱位置用扭轉(zhuǎn)彈簧，保證卡瓦體順利張開能保證油管接箍順利通過，而不至于發(fā)生碰撞。另外設(shè)計液壓缸時要考慮避免出現(xiàn)死點位置，而要使推力足夠大，保證在桿1 和桿 2 之間構(gòu)成的杠桿末端有足夠提力提出卡瓦體，以及在上提時的沖力會讓液壓缸有稍微的回油，故設(shè)計液壓缸時考慮緩沖。大慶石油學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）- 28 -7.2 液壓缸的選擇液壓缸是卡瓦中的主要動力裝置。液壓缸進、出油運動使得活塞不斷運動，從而帶動了整個連桿機構(gòu)的運動。因此在液壓缸的選擇上，既要保證能夠帶動卡瓦體按規(guī)定動作運動，又要在空間