簡述氣動鉆桿卡瓦的有限元分析
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[摘要]氣動卡瓦以結(jié)構(gòu)合理，操作簡單，工作安全等優(yōu)點取代了傳統(tǒng)卡瓦作業(yè)方式，應(yīng)用越來越廣泛。本文首先闡述了氣動卡瓦的結(jié)構(gòu)，工作原理。對處于工作狀態(tài)下的卡瓦體和鉆桿進行了有限元分析，結(jié)果表明氣動鉆桿卡瓦能夠很好的卡緊鉆桿而又不壓潰鉆桿，卡瓦體體本身變形量也很小，不會損壞，驗證了氣動卡瓦工作的安全可靠性。
論文關(guān)鍵詞：氣動卡瓦,有限元,卡瓦體,鉆桿
1 氣動卡瓦
氣動鉆桿卡瓦主要是由支撐盤，氣缸，卡瓦體，導向桿，連接桿，上連接銷，下連接銷，大方瓦，氣路連接座，前牙，耐磨環(huán)組成。其工作原理是這樣的：工作時當給氣缸上部供氣時卡瓦體沿階梯式卡瓦座錐面下行，四個卡瓦體形成的圓逐漸減小推動鉆桿向中間收攏直到卡緊鉆桿。當給氣缸下部供氣時卡瓦體沿階梯式卡瓦座錐面上行，四個卡瓦體形成的圓逐漸增大，松開鉆桿同時讓出通道允許鉆桿從卡瓦中心自由通過�？ㄍ唧w的升降依靠氣缸帶動支撐盤通過連桿進行動作，卡瓦體下行靠氣缸拉力和卡瓦體自重及鉆桿與卡瓦體摩擦力共同作用�？ㄍ唧w上行靠氣缸推力和鉆桿與卡瓦體摩擦力作用，氣缸的動作由司鉆操作。
2有限元分析
由氣動卡瓦的工作原理可知，卡瓦的各個零件在夾緊的過程中的受力狀況是不同的，因此各零件也不是同時達到最大力的狀態(tài)。需要對卡瓦在夾緊時鉆桿、卡瓦體和固定塊進行應(yīng)力分析，以確定設(shè)計氣動卡瓦能在預定的鉆桿總重量要求下，夾緊鉆桿的同時強度可靠。
2.1 分析前處理
2.1.1模型建立
有限元分析的基礎(chǔ)就是建立合理良好的模型，所以建模是非常重要的一個過程。有限元模型的建立分為兩個方面：幾何建模和物理建模。幾何建模主要是建立結(jié)構(gòu)的幾何信息、數(shù)據(jù)庫并在屏幕上動態(tài)的顯示出來；物理建模主要是指建立單元、材料屬性，確定位移邊界條件。幾何模型的建立可以在
里直接完成也可通過其他建模軟件建立后導入。
自帶的建模功能不夠強大，對于建立較為簡單的模型比較方便，但是對于較為復雜的幾何模型，需要大量的工作，很麻煩，而且容易出錯。
圖1 
單元
本文利用
自帶建模功能建立鉆桿的幾何模型，利用
建立卡瓦體模型導入到。對于物理模型，材料屬性參照材料設(shè)置，鉆桿材料為45鋼，卡瓦體材料為
。
2.2.1 網(wǎng)格劃分
本文分析中采用
單元類型，如圖1所示。該單元為20節(jié)點的實體單元，每個節(jié)點有三個自由度，分別為x、y、z方向的移動自由度，這種單元比較適合于由曲線邊界的模型的網(wǎng)格劃分，并且這種單元具有可塑性、應(yīng)力強化、大變形、大應(yīng)變、蠕變等特性。使用掃略網(wǎng)格劃分方法對鉆桿進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置只能尺寸為4，得到單元數(shù)目為1428個，節(jié)點數(shù)目為9516個，如圖2所示。觀察劃分網(wǎng)格后的鉆桿實體，得到的網(wǎng)格較為均勻，并且對鉆桿實體中載荷作用面邊線處進行了網(wǎng)格加密劃分，通過網(wǎng)格單元檢查功能進行檢查，確定劃分的網(wǎng)格較合理。
圖2 鉆桿劃分網(wǎng)格
卡瓦體模型的結(jié)構(gòu)復雜，不適合采用映射網(wǎng)格劃分方法和掃略網(wǎng)格劃分方法，選用自由網(wǎng)格劃分的方法。通過對卡瓦體模型采用不同的網(wǎng)格邊長或是不同的設(shè)置不同的智能尺寸值，多次進行網(wǎng)格并求解，比較網(wǎng)格劃分質(zhì)量與求解結(jié)果，得出如圖所示的劃分結(jié)果，通過網(wǎng)格單元檢查功能進行檢查，確定劃分的網(wǎng)格較合理。
圖3 卡瓦體網(wǎng)格劃分
2.2 
求解
2.2.1 約束的添加
鉆桿的夾緊在卡瓦體內(nèi)會產(chǎn)生復雜應(yīng)力，這種復雜應(yīng)力是由兩種載荷的作用引起的，即拉伸載荷和壓縮載荷。拉伸載荷由鉆桿自重引起，其作用方向為沿鉆桿軸向；壓縮載荷是沿鉆桿徑向，由卡瓦體工作所產(chǎn)生。為了研究夾緊時卡瓦結(jié)構(gòu)的強度，各零件的約束應(yīng)該添加在不影響整個模型應(yīng)力，應(yīng)變的區(qū)域。通過分析，確定夾緊時各零件約束添加情況如下：鉆桿是截取了鉆桿管體的一部分建立的模型，上下兩個表面分別與鉆桿管體的其它部分相連接，因此，在上下兩個表面添加全自由度約束；卡瓦體在與鉆桿的載荷作用下壓向固定塊，因此，在與固定塊相接觸的面上添加
方向的約束。雖然忽略了卡瓦體與連接桿間的作用力，但是需要對
、
兩個方向進行約束，因此，在卡瓦體的上平面添加該兩個約束；固定塊添加大方瓦側(cè)面的全自由度約束、大方瓦下面的
方向約束和卡瓦體與夾緊鉆桿相對面的和
兩方向的約束。
2.2.2 載荷的添加
在相接觸的表面之間存在相互作用的擠壓力和摩擦力，另外，在卡瓦體與連接桿之間存在作用力，比較該作用力與其他擠壓力及摩擦力的大小可知，可以忽略此部分作用力的大小。將擠壓力看做是作用在各個單元表面的表面效應(yīng)力，表面力的方向垂直于單元表面并指向單元內(nèi)部，與擠壓力的方向相同，按照表面力press進行載荷添加。因此將實體表面按照擠壓力作用的區(qū)域劃分好范圍，用擠壓力除以相互接觸的表面積，即可得到壓力大小。而對摩擦力的添加進行近似處理，將摩擦力看做是作用到單元節(jié)點上的節(jié)點力，并按照集中載荷力進行添加。先將摩擦力依
、
方向進行分解，然后除以要作用區(qū)域的節(jié)點的數(shù)目，即得到要添加的載荷力的大小。
經(jīng)過分析計算得到各零件所受載荷力如表1所示。
表1 各零件所受載荷力
零件名稱
擠壓力的添加
摩擦力的添加
作用面積（mm）
Press(MPa)
節(jié)點數(shù)目
Force(N)
鉆桿
1.1829×105
21
1500
Y 653
卡瓦體
3.943×104
21
1722
Y -190
1.3588×104
67
728
X 99 Y 624
2.3 分析后處理
用
對鉆桿進行求解分析，得到如圖4所示的變形圖和應(yīng)力圖，對求解結(jié)果變形量放大500倍顯示。觀察ANSYS求解后鉆桿的變形圖：在三片卡瓦體的作用下，鉆桿變形均勻，最大變形量為0.21mm，變形量較�。粦�(yīng)力分布圖顯示：鉆桿的最大應(yīng)力在兩片卡瓦體與鉆桿接觸之間的鉆桿內(nèi)壁，最大應(yīng)力值為224.375MPa，大于鋼級E7的最小許用應(yīng)力345MPa。因此，滿足鉆桿最大重量為100噸時，氣動卡瓦夾緊鉆桿不壓潰鉆桿的設(shè)計要求。
卡瓦體的變形與應(yīng)力云圖如圖5所示（放大300倍顯示），卡瓦體的變形量很小，最大形變量為0.052927
。整體應(yīng)力的分布比較均勻，最大應(yīng)力值為311.038
。應(yīng)力值較大的區(qū)域多集中在楞邊、尖角的位置，因此，實際加工時，通過倒角可以減小此處的應(yīng)力值。在相同的載荷力作用下，增大卡瓦體的環(huán)形包角，各零件的接觸面積增大了，各零件的最大變形量和最大應(yīng)力都將減小，仍選用原來的材料仍然能夠滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。
根據(jù)氣動卡瓦的結(jié)構(gòu)特點，增大卡瓦體的環(huán)形包角，在卡瓦體運動過程中不會與其它零件發(fā)生運動干涉，仍能夠滿足設(shè)計的機械動力學要求。
a 變形圖 b 應(yīng)力圖
圖4 鉆桿分析結(jié)果
a 變形圖 b 應(yīng)力圖
圖5 卡瓦體分析結(jié)果
3 結(jié)論
采用動力卡瓦減輕了鉆井個人的勞動強度、加速了起下鉆作業(yè)、提高了工作效率；采用壓縮空氣采用壓縮空氣作為卡瓦結(jié)構(gòu)的動力介質(zhì)，減少設(shè)備投資、降低生產(chǎn)成本、不污染環(huán)境；選用中間擺軸式雙作用普通氣缸臥式結(jié)構(gòu)的方案，降低了結(jié)構(gòu)的整體高度。本文通過實例對啟動鉆井卡瓦進行了有限元分析，氣動卡瓦的結(jié)構(gòu)比較合理，滿足提升鉆井要求的最大鉆桿重量，又不壓潰鉆桿。而卡瓦體本身的變形量也很小，應(yīng)力較小且分布均勻。可見，運用氣動卡瓦進行鉆井作業(yè)非常安全可靠。
參考文獻
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