60T修井作業(yè)自動(dòng)卡瓦設(shè)計(jì)【SW三維】,SW三維,60,作業(yè),自動(dòng),設(shè)計(jì),SW,三維 目 錄 第1章 前言.........................................................1 第2章 卡瓦的發(fā)展概況...............................................2 2.1 國(guó)內(nèi)卡瓦的發(fā)展概況.......................................2 2.2 國(guó)外卡瓦的發(fā)展概況.......................................4 第3章 動(dòng)力卡瓦總體方案.............................................6 3.1 動(dòng)力卡瓦的作用及分類.....................................6 3.2 動(dòng)力卡瓦的工作原理.......................................7 3.3 總體方案的確定...........................................9 第4章 卡瓦座的設(shè)計(jì)及校核..........................................11 4.1 卡瓦座基本尺寸的確定....................................11 4.2 卡瓦座的受力分析........................................11 4.3 卡瓦座窄面接觸的受力分析................................12 4.4 卡瓦座定心套的設(shè)計(jì)......................................12 4.5 卡瓦座防扭轉(zhuǎn)措施的設(shè)計(jì)..................................13 4.6 卡瓦座的強(qiáng)度校核........................................13 第5章 卡瓦體的設(shè)計(jì)及校核..........................................15 5.1 卡瓦體的設(shè)計(jì)............................................15 5.2 卡瓦體的強(qiáng)度校核........................................16 第6章 卡瓦牙板的設(shè)計(jì)..............................................18 6.1 卡瓦牙齒面形狀布置的設(shè)計(jì)................................18 6.2 卡瓦牙型的設(shè)計(jì)..........................................19 6.3 卡瓦牙高度的設(shè)計(jì)........................................22 6.4 卡瓦牙環(huán)形包角的設(shè)計(jì)....................................23 第7章 起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)..............................................25 7.1 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)..........................................25 7.2 液壓缸的選擇............................................26 7.3 液壓缸連桿的設(shè)計(jì)........................................27 - II - 7.4 連桿耳座的設(shè)計(jì)..........................................28 7.5 限位端蓋的設(shè)計(jì)..........................................28 7.6 卡瓦心軸的設(shè)計(jì)..........................................30 第8章 結(jié)論........................................................31 參考文獻(xiàn)...........................................................32 致謝...............................................................33 - II- 第1章 前言 在石油與天然氣勘探開發(fā)的各項(xiàng)施工中，修井作業(yè)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。油氣水井在自噴、抽油或注水注氣過(guò)程中，隨時(shí)會(huì)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(yán)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(guò)井下作業(yè)來(lái)排除故障。 一套完善的修井設(shè)備，一般包括下述部分：主機(jī)（修井機(jī)），具有動(dòng)力、傳動(dòng)、絞車、井架、鉆臺(tái)、游動(dòng)系統(tǒng)。剎車系統(tǒng)以及液壓、氣動(dòng)、電氣系統(tǒng)；井口工具；井下工具；運(yùn)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(dòng)力大鉗、液壓套管鉗和修井液壓動(dòng)力鉗等。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)井口工具的公司主要有：江蘇如東通用機(jī)械有限公司、泰興石油機(jī)械有限公司、山東三田臨朐石油機(jī)械有限公司、牡丹江石油工具有限責(zé)任公司、海城市石油機(jī)械制造有限公司、鹽城市特達(dá)石油機(jī)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(biāo)：修井能力（即絞車功率的大?。?；井架性能（強(qiáng)度、剛度、安裝性）；移運(yùn)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(wú)特殊的防風(fēng)、防水、防凍、防塵及防腐蝕措施等。 在本次設(shè)計(jì)中，是用機(jī)械方法建立一個(gè)動(dòng)力卡瓦裝置，這是整個(gè)工作流程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是對(duì)油管、鉆鋌、鉆桿等管柱進(jìn)行井口拆卸的必要工序，這種動(dòng)力卡瓦的工作原理是通過(guò)起升裝置的帶動(dòng)與管柱表面進(jìn)行接觸，起到卡緊并懸掛管柱的作用。 第2章 卡瓦的發(fā)展概況 2.1 國(guó)內(nèi)卡瓦的發(fā)展概況 由于我國(guó)大部分油田大都已進(jìn)入開發(fā)中、后期，采油的難度越來(lái)越大，工藝越來(lái)越復(fù)雜，井況也越來(lái)越復(fù)雜，修井任務(wù)也越來(lái)越繁重。與修井任務(wù)越來(lái)越繁重的同時(shí)，修井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度十分高，修井的環(huán)境條件也十分惡劣，高溫酷寒，風(fēng)天雨天，井場(chǎng)條件差（泄漏出來(lái)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(yán)酷。所以要提高修井效率、減輕修井輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使工人盡量遠(yuǎn)離惡劣的工作環(huán)境，就要求有較高的井口設(shè)備機(jī)械化程度。 與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的鉆井工具相對(duì)落后，尤其在鉆井卡瓦的使用上，國(guó)外大多數(shù)使用機(jī)械手、氣動(dòng)卡瓦；而目前國(guó)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(shí)，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動(dòng)化程度低、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性能不高顯而易見，操作失誤會(huì)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(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的自動(dòng)鉆桿動(dòng)力卡瓦。而從國(guó)外購(gòu)買一臺(tái)氣動(dòng)卡瓦，至少也要5 ～ 8萬(wàn)美元，鉆井工具的進(jìn)步和更新完全依賴進(jìn)口將支付大量的外匯。所以針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)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(dòng)力卡瓦。勝利油田生產(chǎn)的一種液壓式動(dòng)力卡瓦、石油大學(xué)（北京）研制的氣動(dòng)卡瓦及江蘇油田工程研究院研制的氣動(dòng)卡瓦等等都取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益。我國(guó)江蘇如東通用機(jī)械廠生產(chǎn)的一種QD型氣動(dòng)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(hào)的卡瓦要改造方瓦，卡瓦也不是標(biāo)準(zhǔn)卡瓦，裝置本身要承受鉆桿載荷，只能提放鉆桿卡瓦。所以國(guó)內(nèi)在動(dòng)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(guó)內(nèi)出現(xiàn)比較早的動(dòng)力卡瓦。在此之后,一些石油相關(guān)廠家和石油院校對(duì)井口操作機(jī)械化裝置開始進(jìn)行研究,也對(duì)國(guó)外的一些已經(jīng)成熟的修井機(jī)進(jìn)行研究和借鑒,針對(duì)國(guó)內(nèi)修井的需要研制了不少自動(dòng)化修井機(jī)。修井機(jī)是整套的井口自動(dòng)化裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)油管的起升、下降、對(duì)接、自動(dòng)卡緊，上卸扣，排放油管等工藝。動(dòng)力卡瓦是其中的一個(gè)重要部分,人們對(duì)它的研究和認(rèn)識(shí)日益深入。 下面介紹幾個(gè)相關(guān)的研究成果（其中也包括鉆井中動(dòng)力卡瓦的研究成果）。 2000年浙江萬(wàn)里學(xué)院工程技術(shù)系的龐浩【1】對(duì)嵌入式卡瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，雖然所使用的力學(xué)模型為打撈器用的卡瓦，但是在井口上動(dòng)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(duì)在使用打撈器卡瓦作業(yè)時(shí),由于使用不當(dāng),常使工具損壞,或是定位不可靠等問(wèn)題對(duì)卡瓦工作部分的參數(shù)進(jìn)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(dòng)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(guò)連桿連接卡瓦體,氣缸和導(dǎo)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(shí)自動(dòng)給鉆桿刮泥的雙重功能,并且更換刮泥盤非常簡(jiǎn)單方便；卡瓦工作高度適當(dāng),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(dòng)力卡瓦。 2003年由崔時(shí)光開發(fā)的專利《油田修井自動(dòng)作業(yè)裝置》【3】是一種新型的有環(huán)保功能的修井自動(dòng)化作業(yè)裝置。其中的動(dòng)力卡瓦包括卡瓦箱體、卡瓦座、卡瓦、卡瓦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，卡瓦可由電驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)采用的是齒條齒輪傳動(dòng)，且有復(fù)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(gè)卡瓦的卡緊工作都是在一個(gè)封閉的空間內(nèi)進(jìn)行的，故能夠防止原油和污水進(jìn)入井場(chǎng),有利于環(huán)境的保護(hù). 同年由煤炭科學(xué)研究所總院西安分院研制的復(fù)式液壓夾持器【4】是適合于全液壓鉆機(jī)使用的產(chǎn)品。它的設(shè)計(jì)在常閉式夾持器的基礎(chǔ)上，增設(shè)了與回旋器聯(lián)動(dòng)的復(fù)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(diǎn)。這個(gè)產(chǎn)品外形尺寸小，開啟壓力低，有利于液壓系統(tǒng)各個(gè)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(dòng)功能的液壓系統(tǒng)中與液壓卡盤配合，可保證動(dòng)作協(xié)調(diào)。 2007年中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院的張寶增和王瑞和提出了一種自動(dòng)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(jiǎn)單,技術(shù)可行,并能夠與現(xiàn)有修井設(shè)備配合使用實(shí)現(xiàn)油田修井作業(yè)的自動(dòng)化。針對(duì)國(guó)內(nèi)修井機(jī)械數(shù)量多,不能全部棄用，而對(duì)于現(xiàn)有的修井機(jī)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(diǎn)能配合現(xiàn)有的修井機(jī)械完成懸吊管住的工作；除此之外，隨著材料科學(xué)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(duì)管柱表面的損傷極小,針對(duì)油田上過(guò)去曾經(jīng)使用過(guò)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(diǎn)有很好的使用意義。國(guó)外對(duì)這種材料已經(jīng)有了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究【6】。楔形卡瓦支座的實(shí)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(dòng)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(shí)夾持接箍下部的管體，使接箍完全外露，可以實(shí)現(xiàn)新型管柱起下作業(yè)方式。 2007年6月煤炭科學(xué)研究總院重慶分院劉衛(wèi)亮對(duì)不同齒面卡瓦對(duì)鉆機(jī)夾緊力影響的探討【7】發(fā)現(xiàn)光面齒面卡瓦與鉆具之間摩擦系數(shù)較低，對(duì)于預(yù)緊力的降低無(wú)濟(jì)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(guò)載打滑的時(shí)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(duì)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(shí)的夾緊力和裝配時(shí)的預(yù)緊力,更有利于夾緊系統(tǒng)的穩(wěn)定。也就是說(shuō)將現(xiàn)行鉆機(jī)夾緊系統(tǒng)使用的卡瓦齒面進(jìn)行調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定夾緊系統(tǒng)的目的是可行的;同時(shí),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(guó)外卡瓦的發(fā)展概況 現(xiàn)在世界上公認(rèn)的在生產(chǎn)動(dòng)力卡瓦方面取得領(lǐng)先的是美國(guó)的DEN-CON公司和 VARCO-BJ公司。他們公司生產(chǎn)的動(dòng)力卡瓦放于轉(zhuǎn)盤上，不必改造轉(zhuǎn)盤部件，卡瓦提升機(jī)構(gòu)本身不承受鉆柱或套管載荷。需正常鉆井時(shí)，可方便地將動(dòng)力卡瓦機(jī)構(gòu)提離井口。這種可提放鉆桿方瓦、套管卡瓦的動(dòng)力卡瓦提升結(jié)構(gòu)在國(guó)外應(yīng)用較廣。美國(guó)DEN-CON公司的動(dòng)力卡瓦分為氣動(dòng)和液動(dòng)，其功能是一樣的，從用量和現(xiàn)場(chǎng)使用方便性來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)卡瓦應(yīng)用更普遍一些。 美國(guó)DEN-CON公司氣動(dòng)卡瓦主要有鉆鋌、套管、鉆桿用氣動(dòng)卡瓦（如圖2-1）和多功能氣動(dòng)卡瓦。其原理采用卡瓦氣動(dòng)推入并隨動(dòng)夾緊方式，松開時(shí)氣動(dòng)抽出卡瓦并翻轉(zhuǎn)一定角度，使其脫離工作區(qū)。氣動(dòng)卡瓦優(yōu)點(diǎn)比較突出，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）安全性強(qiáng)：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(duì)人員的傷害；（2）快捷性：不用現(xiàn)場(chǎng)操作人員人工推、拉吊卡或提防卡瓦，節(jié)約起下鉆時(shí)效一半以上；（3）可操作性強(qiáng)：可實(shí)現(xiàn)井口一個(gè)人操作，大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境；（4）先進(jìn)性：卡瓦牙形狀設(shè)計(jì)合理不傷鉆桿，性能可靠而且使用壽命長(zhǎng)。（5）淺井施工節(jié)奏更快、勞動(dòng)強(qiáng)度更大，動(dòng)力卡瓦的安全、快捷優(yōu)勢(shì)就更加明顯。這種方式結(jié)構(gòu)和動(dòng)作都比較簡(jiǎn)單，重量輕，成本低廉，DEN-CON公司生產(chǎn)的動(dòng)力卡瓦在中國(guó)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(tái)工人的歡迎。 圖2-1 DEN-CON 公司生產(chǎn)的氣動(dòng)卡瓦 美國(guó)BJ公司的Varco BJ PS21/30液壓動(dòng)力卡瓦配有一套快速更換系統(tǒng)。PS2有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（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(gè)作業(yè)過(guò)程中使用；（3）不再需要傳統(tǒng)動(dòng)力卡瓦使用過(guò)程中所必須使用的手動(dòng)卡瓦來(lái)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(shí)更換；（5）鉗牙盒更換可以在5 分鐘或更少的時(shí)間內(nèi)完成；（6）特殊的“丟下即鎖定，拉出即松開”設(shè)計(jì)消除了諸如鉚釘和銷釘之類的易松動(dòng)件；（7）如果需要使用手動(dòng)卡瓦，PS21/30可以同手動(dòng)卡瓦套配套使用。 （a）液壓動(dòng)力卡瓦 （b）動(dòng)力卡瓦的快速更換系統(tǒng) 圖2-2 Varco BJ PS21/30 液壓動(dòng)力卡瓦 國(guó)內(nèi)在所有的修井井口自動(dòng)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(duì)實(shí)際的井場(chǎng)上的情況來(lái)安排設(shè)計(jì)方向設(shè)計(jì)重點(diǎn)和著眼點(diǎn)（如保護(hù)環(huán)境，保護(hù)人身安全）。目前對(duì)于修井用動(dòng)力卡瓦而言，重點(diǎn)大多放在對(duì)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(dòng)力卡瓦的設(shè)計(jì)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(wèn)題,改善其性能。再次，國(guó)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(guó)外車載修井機(jī)性能較好,但價(jià)格昂貴,不適于我國(guó)國(guó)情。故在設(shè)計(jì)動(dòng)力卡瓦的時(shí)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(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)修改現(xiàn)有的修井井口作業(yè)設(shè)備。 第3章 動(dòng)力卡瓦 3.1 動(dòng)力卡瓦的作用及分類 卡瓦的作用：用來(lái)卡住并懸掛下井的鉆桿、鉆鋌、動(dòng)力鉆具、套管等。 卡瓦的分類：按作用原理，卡瓦分為機(jī)械卡瓦和氣動(dòng)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(diǎn) 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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，并能夠容易地更換卡瓦牙。此種卡瓦對(duì)鉆柱的抱合長(zhǎng)度也不長(zhǎng)，因此能承受的負(fù)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(fù)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(diǎn)：是在卡瓦體之間用兩個(gè)軟性的活動(dòng)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(zhǎng)，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(diǎn)：是對(duì)鉆柱抱合角度大，抱合長(zhǎng)度長(zhǎng)，能承受較大負(fù)荷，適用于深井。缺點(diǎn)是因卡瓦牙較大，如果工作過(guò)程中有破損時(shí)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(gè)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(yè)卡瓦體、銷軸、擋環(huán)、左頁(yè)卡瓦體、左手把、鉸鏈銷、牙板、中頁(yè)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(yè)手把、右頁(yè)卡瓦體、銷軸、墊圈、開口銷、左頁(yè)卡瓦體、中頁(yè)卡瓦體、中頁(yè)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(yè)卡瓦體、邊手把、開口銷、左頁(yè)卡瓦體、連接銷、中頁(yè)卡瓦體、中頁(yè)手把、墊圈和牙板。 另有一種卡瓦叫做安全卡瓦，是防止沒(méi)有臺(tái)肩的管柱或工具發(fā)生滑脫落井的保險(xiǎn)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(lái)卡緊鉆鋌的。 3.2動(dòng)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(dòng)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(shí)的卡瓦楔體分別受到經(jīng)向壓力，和，同時(shí)在各個(gè)摩擦產(chǎn)生了相應(yīng)的摩擦力、和。 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 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(dòng)卡瓦楔體繼續(xù)下行，從而使卡瓦楔體楔緊卡住鉆柱，這時(shí)僅由鉆柱重力W所產(chǎn)生的受力情況如圖3-2。為簡(jiǎn)化起見，首先，計(jì)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(shí)是否帶動(dòng)卡瓦楔體而實(shí)現(xiàn)楔緊作用。楔緊作用越強(qiáng)，則鉆柱卡緊越可靠。這樣就要求鉆柱和卡瓦牙之問(wèn)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(wèn)阻止卡瓦楔體下行的阻力，即 (3-1) 根據(jù)卡瓦楔體的徑向受力平衡條件，當(dāng)鉆柱楔緊卡住狀態(tài)有 (3-2) 式中，為卡瓦楔體與卡瓦座體的摩擦力，；為鉆柱與卡瓦楔體之間的摩擦力，；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) 或 (3-4) 由式(3-3)或(3-4)可見，由于，所以只有當(dāng)時(shí)，才能使鉆柱被楔緊卡住。 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(lái)達(dá)到。牙板經(jīng)過(guò)淬火，其硬度大于鉆柱硬度，當(dāng)牙齒頂部和鉆柱表面接觸時(shí)，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(duì)于卡瓦座體內(nèi)錐面運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shí)，也總是大于，也就是說(shuō)，卡瓦楔體總能卡住鉆桿。 當(dāng)液壓缸對(duì)卡瓦楔體施加作用力F下行時(shí)，只能更有利于卡瓦楔體對(duì)鉆柱楔緊卡住。 3.2.2卡瓦楔體上提不自鎖的條件 鉆柱準(zhǔn)備上提時(shí)，應(yīng)先動(dòng)作液壓缸給卡瓦楔體一個(gè)上提作用力，然后再動(dòng)作鉆柱上提，然而為簡(jiǎn)化計(jì)算，首先，設(shè)想液壓缸與卡瓦楔體斷開聯(lián)接，再進(jìn)行上提鉆柱時(shí)的卡瓦楔體的受力分析，如圖3-3。上提鉆柱時(shí)，卡瓦楔體依靠卡瓦牙板與鉆柱的摩擦被帶動(dòng)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(duì)卡瓦楔體的反作用力。為保證卡瓦楔體的上移，應(yīng)使主作用力大于反作用力，即 圖 3-3 上提鉆柱時(shí)受力分析 (3-5) 由卡瓦楔體徑向受力平衡所得 (3-6) 解得 (3-7) 此式就是卡瓦上提不自鎖的條件，式中各符號(hào)意義同前。 與楔緊卡住鉆柱的條件相比較，當(dāng)時(shí)，在和滿足式(3-4)的條件下，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(gè)上提作用力，而這個(gè)作用力也僅使卡瓦楔體有上提的趨向，所以鉆柱上提時(shí)卡瓦楔體沒(méi)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(dòng)力卡瓦利用液壓缸作動(dòng)力通過(guò)連桿提放卡瓦楔塊，液壓缸固定在卡瓦座體上。當(dāng)液壓缸帶動(dòng)液壓缸連桿上行時(shí)，通過(guò)主軸的鍵連接將動(dòng)力傳遞至吊臂帶動(dòng)卡瓦楔塊上行，使卡瓦楔塊張開，從而通過(guò)油管上的節(jié)箍。當(dāng)液壓缸帶動(dòng)液壓缸連桿下行時(shí)，會(huì)帶動(dòng)卡瓦楔塊推動(dòng)油管居中(起到一定的對(duì)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。 圖3-4 新型動(dòng)力卡瓦的結(jié)構(gòu) 1-卡瓦耳座 2-長(zhǎng)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(duì)稱布置2對(duì)楔塊、2對(duì)墊塊。每對(duì)楔塊通過(guò)合頁(yè)連接，墊塊通過(guò)螺紋連接安裝在楔塊上，每個(gè)墊塊上開有3個(gè)燕尾槽用來(lái)安裝卡瓦牙板。卡瓦座兩側(cè)對(duì)稱安裝了2個(gè)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(shí)現(xiàn)液壓缸到楔塊的動(dòng)力傳遞。 在總體方案確定好后,接下來(lái)就是對(duì)一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行具體考慮以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能,對(duì)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(duì)各零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 第4章 卡瓦座的設(shè)計(jì)及校核 4.1 卡瓦座基本尺寸的確定 這次設(shè)計(jì)思想是將所有上解扣機(jī)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(jì)要求給定最大通徑為φ200mm，因此將卡瓦座通徑設(shè)定為200mm。卡瓦座的材料通常用中碳合金剛鑄成，因此選定材料為合金鋼。 要想卡瓦能夠達(dá)到卡緊與放松的動(dòng)作過(guò)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(guò)一些專利的介紹，先將卡瓦的座體設(shè)計(jì)確定為了斜面設(shè)計(jì)。那么這個(gè)時(shí)候就出現(xiàn)了一個(gè)斜度的問(wèn)題，在此，稱其為錐度,以K來(lái)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(guò)對(duì)K=1：3與K=1：1.866兩種情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)，錐度由1：3增加到1：1.866時(shí)，卡瓦施加給管子的最大總壓力P減少了32%。試驗(yàn)證明，K=1.866時(shí)的卡瓦只有在卡瓦和補(bǔ)芯的工作表面潤(rùn)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(dāng)K=1：3時(shí)，甚至在卡瓦和補(bǔ)芯的摩擦面之間使用水潤(rùn)滑也能可靠地卡住管子，這個(gè)錐度對(duì)現(xiàn)有各型卡瓦都是比較合理的。因此，設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，卡瓦的長(zhǎng)度一般都不少于200mm，但是最大長(zhǎng)度也不超過(guò)400mm；因?yàn)檠芯勘砻?，卡瓦長(zhǎng)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(jì)需要且節(jié)約耗材的同時(shí)，將卡瓦體長(zhǎng)度選擇為250mm。 卡瓦座底部可采用開口螺栓孔，直徑與井口法蘭螺栓孔保持一致，且要留出螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)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(jì)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(lái)約束，這就需要對(duì)應(yīng)力有個(gè)明確的分析。 已知條件： F= Nf ； F=Q ； Q=400 KN ； F= Nf ； α=9.47° ；f=0.3 ；f=0.15； 根據(jù)圖中所示列出以下平衡方程， 水平方向： Ncosα= N+ Fsinα （1） 豎直方向： F= Nsinα+ Fcosα （2） 由方程（2）得：Q=F= Nsinα+ Nf·cosα 解得 N=Q/( sinα+ f·cosα) =600000N/0.3372=1.78×10N 圖4-1 卡瓦體的受力分析 故卡瓦座受力大小約為1.78×10N。 4.3 卡瓦座窄面接觸受力分析 設(shè)計(jì)要求規(guī)定卡瓦體為四塊，每?jī)蓧K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(guò)程中，在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下，使得它們之間的角度關(guān)系不斷變化，同時(shí)它們與卡瓦座斜面的接觸關(guān)系也是一直在變化的，在實(shí)際的卡緊狀態(tài)下由于油管的長(zhǎng)期在地下受壓變形導(dǎo)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—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(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，用以承受 圖4-2卡瓦體窄面接觸俯視圖 施加力的是4個(gè)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(lái)自于卡緊油管時(shí)阻礙油管下滑的正壓力，計(jì)算得卡瓦座內(nèi)每條窄面受力F= N/4 =444.84KN。 4.4 卡瓦座定心套設(shè)計(jì) 為了使卡瓦體升起時(shí)能夠更好的張開，使油管接箍順利通過(guò)。設(shè)計(jì)時(shí)，在卡瓦座底部安裝了一個(gè)定心裝置，主要起到對(duì)準(zhǔn)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(dòng)，同時(shí)能夠準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)中心，設(shè)計(jì)了卡瓦座定心軸套這一零件。 圖4-3 定心套示意圖 定心套的內(nèi)圓柱面與上下端面采用了倒角設(shè)計(jì)，倒角度數(shù)為10×45°主要是為了起到一個(gè)良好的導(dǎo)向作用，由于，油管的接箍處要比油管大10mm左右，在上下移動(dòng)油管時(shí)，就容易將油管接箍卡住，而倒角的設(shè)計(jì)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(guò)。 4.5 卡瓦座防扭轉(zhuǎn)措施設(shè)計(jì) 1 2 考慮到在油管柱重力不夠時(shí)，卡瓦體會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故在本次設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，應(yīng)保證防扭擋塊的高度略高于卡瓦體。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)中卡瓦體處于卡緊狀態(tài)時(shí)，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 就造成了卡瓦體與防扭擋塊位置錯(cuò)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(shí)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(qiáng)度校核 圖4-5 卡瓦座強(qiáng)度校核分析圖 由SolidWorks軟件中的COSMOSWorks管理程序?qū)ζ溥M(jìn)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(gè)螺栓孔，受力面為四個(gè)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(dá)到6.204×108 N，經(jīng)計(jì)算可知安全系數(shù)約為2.06，因此壁厚35mm是同時(shí)滿足省材與安全條件的最佳值。 第5章 卡瓦體的設(shè)計(jì)及校核 5.1 卡瓦體的設(shè)計(jì) 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(gè)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(zhǎng)為60mm，深200mm。同時(shí)，應(yīng)注意到因加工工藝過(guò)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(jì)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(shí)的位置。）的上方12.6mm處，也就是卡瓦體需在水平方向上移動(dòng)2.1mm即為本次設(shè)計(jì)中設(shè)定理想位置。 卡瓦體應(yīng)是4塊，在位于卡緊位置時(shí)，卡緊角度應(yīng)各是90°，但需留出鉸鏈連接和卡瓦心軸的空間，故需有30mm的寬度，來(lái)容納鉸鏈和心軸。設(shè)計(jì)中考慮到了卡瓦體打開時(shí)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(shí)，本次設(shè)計(jì)考慮了防扭轉(zhuǎn)措施，即在卡瓦體背錐的上部分加一個(gè)邊沿，厚度為15mm，用來(lái)和防扭轉(zhuǎn)擋塊配合，以防上扣上到最后階段時(shí)慣性扭矩的控制以及解卡時(shí)的震動(dòng)。 卡瓦體是能夠活動(dòng)的零件，它的運(yùn)動(dòng)主要是為了能夠使油管接箍順利通過(guò)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(shí)現(xiàn)楔形卡緊，且能放置固定卡瓦牙，防止在解卡時(shí)卡瓦牙跟油管外壁順利分開。 卡瓦體主要承受來(lái)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(dān)的是讓卡瓦牙卡緊油管管柱的支持力，如圖5-1，燕尾槽是用來(lái)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 為，其寬度為,由于卡緊狀態(tài)下背錐面都是與卡瓦 座內(nèi)錐面接觸，即在整個(gè)背錐面可以看成固定面，顯然CD段為危險(xiǎn)斷裂面， （5.1） （5.2） 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(zhǎng)度； h ——卡瓦體承載面高度。 將式（5.2）整理得：（5.3） 從式（5.3）可以看出在考慮卡瓦體CD斷裂面的時(shí)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(zhǎng)度l成正比。 顯然，由于受力面積的影響，在面接觸受力時(shí)候卡瓦體所受最大應(yīng)力值比整個(gè)背錐接觸受力的最大應(yīng)力值要大，且在窄面接觸受力時(shí)其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與窄面相對(duì)的卡瓦體正面，越到卡瓦體厚度較小處彎曲的趨勢(shì)越明顯。 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(shí)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(rùn)滑也能可靠地楔緊卡住鉆柱。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇錐角。 5.2 卡瓦體的強(qiáng)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(shí)候卡瓦體所受最大應(yīng)力值比整個(gè)背錐接觸受力的最大應(yīng)力值要觸受力時(shí)其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與窄面相對(duì)的卡瓦體正面，越到卡瓦體厚度較小處彎曲的趨勢(shì)越明顯。 當(dāng)卡瓦處于卡緊狀態(tài)時(shí)，油管等管柱工具的重力通過(guò)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)）。而卡瓦體的主要受力部分為卡瓦體下部的突臺(tái)處，因此在校核強(qiáng)度時(shí)主要校核卡瓦體的突臺(tái)處。 卡瓦體主要受力部位是突臺(tái)面，主要是受管柱的重力，四塊卡瓦體總受力大小，單個(gè)卡瓦體受力大小為，其中=60t，所以 ，單個(gè)卡瓦體所受的力為 。 圖5-3 卡瓦體強(qiáng)度校核分析圖 通過(guò)圖5-3應(yīng)力分析圖不難看出，將147000N施加在凸臺(tái)上，凸臺(tái)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(yuǎn)小于它的屈服力。也就是說(shuō)，在滿足設(shè)計(jì)條件及運(yùn)動(dòng)需要的同時(shí)，卡瓦體不會(huì)承受過(guò)大壓力而產(chǎn)生斷裂，即此卡瓦體設(shè)計(jì)較為合理。 第6章 卡瓦牙板的設(shè)計(jì)及校核 由于設(shè)計(jì)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(jì)中要設(shè)計(jì)出兩套卡瓦牙板，以改變牙板的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)卡緊不同的管柱。 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(jì) 卡瓦牙是直接跟油管接觸的鋼體。在牙板的設(shè)計(jì)中，不同牙型對(duì)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(diǎn) 矩形溝槽齒面卡瓦具有加工簡(jiǎn)單，更換方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，但是這種齒面卡瓦與鉆具之間的摩擦系數(shù)比較低，當(dāng)鉆機(jī)需要的輸出轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，對(duì)于膠囊式卡盤來(lái)說(shuō)，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(huì)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(duì)臃腫；而對(duì)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(shí)卡盤裝配時(shí)所需的預(yù)緊力也要提高，這樣卡盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)下降。 2.菱形齒面溝槽卡瓦的特點(diǎn) 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(guò)增大卡瓦與鉆具之間的摩擦系數(shù)來(lái)降低碟形彈簧施加于卡瓦的正壓力，根據(jù)摩擦力計(jì)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(shí)復(fù)位力的降低和夾緊系統(tǒng)裝配時(shí)預(yù)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(duì)于矩形溝槽齒面，對(duì)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(shí)的預(yù)緊力都是十分有利的 ,即對(duì)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 圖6-2牙板形狀是矩形和菱形的卡瓦體視圖 對(duì)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(duì)于預(yù)緊力的降低無(wú)濟(jì)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(guò)載打滑的時(shí)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(guò)壓縮以斜面增力機(jī)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(fù)位力通過(guò)斜面增力機(jī)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(huì)打滑。 卡瓦牙可以設(shè)計(jì)成一條也可以設(shè)計(jì)成多條。本次設(shè)計(jì)中為了更換方便，將牙板設(shè)計(jì)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。卡瓦牙工作表面的硬度應(yīng)該較高，通?？ㄍ哐辣砻孀鳚B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(jì) 經(jīng)過(guò)以上比較，在對(duì)卡瓦牙板的設(shè)計(jì)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(jì)算，建立立體模型，建模時(shí)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?。ā悖轫斀?；（°）為齒前角；（°）為齒后角；，。圖中所示為討論的一個(gè)特殊情況，即==。利用ANSYS分析時(shí)設(shè)單元屬性為4node63；材料彈性模量;泊松比。 圖6-3卡瓦牙平面簡(jiǎn)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(gè)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(guò)卡牙張角的平分線時(shí)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(duì)三角卡牙受力情況并非最好，那就需要對(duì)其前后角度進(jìn)行分析，如圖6-5所示。 圖6-6 頂角°,°受力分析等值云圖 圖6-5 卡瓦牙平面簡(jiǎn)化模型 當(dāng)°時(shí)，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)力面積較大，這是因?yàn)榭ㄑ朗茌d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(dǎo)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(dāng)＝0°、10°、20°、30°、40°、50°時(shí)，＝0°時(shí)其應(yīng)力變化主要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(shí)其應(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(shí)減低；＝50°時(shí)其應(yīng)力變化主要集中在整個(gè)齒面靠近齒尖部分，且應(yīng)力變化區(qū)域比較對(duì)稱。其原因是在齒尖受橫向載荷Q和縱向載荷P時(shí)，其合力大小方向均沒(méi)有發(fā)生變化，但是卡牙張角逐漸變大，導(dǎo)致其張角平分線逐漸靠近=時(shí)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。 圖6-7 頂角°,° 受力分析等值云圖 圖6-8 頂角°, ° 受力分析等值云圖 受力分析等值云圖 圖6-9 =60°時(shí)卡牙截面應(yīng)力分布曲線 而通過(guò)對(duì)°，＝0°、10°、20°、30°、40°、50°情況作有限元分析時(shí)發(fā)現(xiàn)其路徑與路徑點(diǎn)所受應(yīng)力成反比。如圖6-9所示。顯然在材料屈服值以下都產(chǎn)生彈性變形，高于此值時(shí)則是塑性變形。由此圖可以看出角度越大 曲線越遠(yuǎn)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(jì)角度時(shí)，α=θ1+θ2∈[70°，80°],本設(shè)計(jì)中取頂角α=70°。 6.3卡瓦牙高度的設(shè)計(jì) 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(jì)算式。 （6.1） ——管柱的橫截面積；——管材的區(qū)服極限； ——卡瓦體長(zhǎng)度；——管柱平均半徑； ——橫向載荷系數(shù)，；為摩擦角；——卡瓦座內(nèi)錐傾斜角； 同時(shí)：卡瓦體與油管外壁的接觸力， 圖6-10 卡瓦懸掛結(jié)構(gòu)圖 帶入到式（6.1）有： 也就是在不擠毀管柱的情況下的當(dāng)量摩擦系數(shù)。 從式（6.1）看出動(dòng)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) （6.2）， 則式（6.1）變成 （6.3）， 即的最大值取決于，而由式（6.2）可知在［0，+∞）內(nèi)存在一個(gè)極值點(diǎn)。令，代入式（6.2）得 （6.4）， 顯然當(dāng)時(shí)在自變量有最值，即，代入式（6.3）得，當(dāng)即時(shí)卡瓦懸掛的重量存在最大值即。而觀察式（6.2）的函數(shù)圖像，以Φ76.2mm為例，其橫截面積A=1118mm2，，帶入式（6.4）得 （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(lái)看卡緊油管承重能力隨著動(dòng)力卡瓦的高度增加而增加。在此模型下，卡瓦體高度時(shí)其懸掛重量急劇增加到左右，但是圖像在卡瓦牙高度大于300mm時(shí)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(jì)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(jì) 圖6-11 油管受橫向載 荷的對(duì)稱模型 卡瓦牙的環(huán)形包角也是一個(gè)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(duì)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(duì)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6-12 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(duì)卡瓦體成對(duì)稱分布，在保持卡瓦體到油管中心距離H不變時(shí)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，但其位移變化較集中，變形量也較大。 第7章 起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 卡瓦中起升機(jī)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(jī)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(dòng)卡瓦體沿斜面上下運(yùn)動(dòng)。 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(lái)推動(dòng)卡瓦體直接卡緊管柱，此方案降低了設(shè)計(jì)高度，但水平移動(dòng)卡瓦體的能力有限，但它能在軸向、徑向、周向同時(shí)卡緊油管。 3.）氣壓回路，用一個(gè)圓環(huán)盤來(lái)帶動(dòng)連桿連接卡瓦體，且卡瓦座的內(nèi)錐斜面可有一個(gè)臺(tái)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(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是節(jié)省能源，減小污染。 4.）采用連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)都要經(jīng)過(guò)一個(gè)不與機(jī)架直接相連的中間構(gòu)件才能傳動(dòng)從動(dòng)件，故稱之為連桿機(jī)構(gòu)。 連桿機(jī)構(gòu)具有以下一些傳動(dòng)特點(diǎn)： ⑴連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副（故又稱為低副機(jī)構(gòu)）。其運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤(rùn)滑好，磨損小，加工制造容易，且連桿機(jī)構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對(duì)保證工作的可靠性有利。 ⑵在連桿機(jī)構(gòu)中，在原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的條件下，可用改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度來(lái)使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 ⑶在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上各點(diǎn)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(duì)長(zhǎng)度的改變而改變，故連桿曲線的形成多樣，可用來(lái)滿足一些特定工作的需要。 利用連桿機(jī)構(gòu)還可以很方便的達(dá)到改變運(yùn)動(dòng)的傳遞方向，擴(kuò)大行程，實(shí)現(xiàn)增力和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)等目的。 連桿機(jī)構(gòu)也存在如下一些缺點(diǎn)： ⑴由于連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)必須經(jīng)過(guò)中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞，因而傳動(dòng)路線較長(zhǎng)，易產(chǎn)生較大的誤差累積，同時(shí)也使機(jī)械效率降低。由于運(yùn)動(dòng)誤差累積較大，因而影響傳動(dòng)精度。 ⑵在連桿機(jī)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(jī)構(gòu)不宜用于高速運(yùn)動(dòng)。 經(jīng)過(guò)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特點(diǎn)的學(xué)習(xí)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意利用連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免或減少連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)誤差。 經(jīng)過(guò)以上比較，對(duì)比了幾種結(jié)構(gòu)后，本次設(shè)計(jì)自動(dòng)卡瓦中的升降機(jī)構(gòu)選擇使用連桿機(jī)構(gòu)。因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)又能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 7.1連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用的就是連桿起升機(jī)構(gòu)，如圖7-1所示。I軸為主要傳動(dòng)軸。連桿1、2通過(guò)I軸的傳遞達(dá)到運(yùn)動(dòng)的一致性的。起升機(jī)構(gòu)的作用是將卡瓦體抬起，使油管能夠上下游動(dòng)，并確保抬起的距離足以使在水平方向上能通過(guò)油管的接箍，設(shè)計(jì)時(shí)可由相關(guān)三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造實(shí)體模型，來(lái)確保實(shí)現(xiàn)的動(dòng)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(jì)中，要考慮在解卡時(shí)，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(guò)大而產(chǎn)生的 圖7-1 連桿起升機(jī)構(gòu) 粘黏，則使在油管上提時(shí)存在將粘黏結(jié)點(diǎn)破壞所需 要的瞬間作用力。除此運(yùn)動(dòng)過(guò)程外，此系統(tǒng)只受卡瓦體的重力。運(yùn)動(dòng)時(shí)要保證提心軸時(shí)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(guò)，而不至于發(fā)生碰撞。 另外設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)要考慮避免出現(xiàn)死點(diǎn)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(shí)的沖力會(huì)讓液壓缸有稍微的回油，故設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)考慮緩沖。 7.2液壓缸的選擇 液壓缸是卡瓦中的主要?jiǎng)恿ρb置。液壓缸進(jìn)、出油運(yùn)動(dòng)使得活塞不斷運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。因此在液壓缸的選擇上，既要保證能夠帶動(dòng)卡瓦體按規(guī)定動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，又要在空間上使整個(gè)卡瓦體的安裝結(jié)構(gòu)可行且協(xié)調(diào)。 在選擇液壓缸時(shí)，液壓缸行程與半徑是兩個(gè)重要參數(shù)。行程即為卡瓦體處于最低點(diǎn)與最高點(diǎn)時(shí)，液壓缸活塞的變化值，這一尺寸可在平面圖中量出。本次設(shè)計(jì)的液壓缸行程為20mm即可滿足要求。而液壓缸的半徑，就需要進(jìn)一步的計(jì)算了。如圖示，根據(jù)力矩的平衡條件可知 (1) 式中G代表重力，由于卡瓦運(yùn)動(dòng)時(shí)，油管的壓力施加給卡瓦座，而連桿只受到與其相連的零件的重力兩片卡瓦體的重力，因此此處的重力為兩片卡瓦體 圖7-2 力矩分析 的重力，兩片卡瓦牙板的重力與卡瓦心軸的重力三者之和； F則代表活塞直徑力；L1、L2 分別為連桿與液壓缸的力矩，兩者均可由平面圖中測(cè)量得出，重力亦可通過(guò)軟件計(jì)算得出，帶入(1)式，得 （2） 又知 (已知P=10MPa) （3） 將（2）式帶入（3）式得 （4） 圓的面積公式 （5） 將（4）式帶入（5）式得 故 至此，液壓缸的兩個(gè)重要參數(shù)都已得出，而最小的液壓缸尺寸規(guī)格為液壓缸內(nèi)徑r=40mm，此規(guī)格的液壓缸足以滿足設(shè)計(jì)要求，行程設(shè)計(jì)為90mm同樣足以滿足行程需要，故選用此型號(hào)液壓缸。 7.3液壓缸連桿的設(shè)計(jì) 液壓缸連桿是定心軸帽和長(zhǎng)銷軸之間的一個(gè)桿狀連接件。其中一端為方孔設(shè)計(jì)，方孔與長(zhǎng)銷軸的方頭端相連接的，而另一端與定心軸帽相連接。 液壓缸連連桿主要起到了升降機(jī)構(gòu)之間的力的傳遞的作用。當(dāng)液壓缸的活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)了液壓缸連桿的運(yùn)動(dòng)，連桿與長(zhǎng)銷軸之所以以方孔相連接，關(guān)鍵就在于此，方孔的連接有效的避免了圓孔與圓桿間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得長(zhǎng)銷軸能夠時(shí)刻隨連桿的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。長(zhǎng)銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)后，帶動(dòng)了與之采用鍵的方式連接的彎連桿的運(yùn)動(dòng)。而彎連桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了連桿的運(yùn)動(dòng)，連桿又與卡瓦心 圖7-3液壓缸連桿示意圖 軸相連接，致使卡瓦心軸隨著連桿的上下運(yùn) 動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因此與之相連接的卡瓦體組也就隨之上下運(yùn)動(dòng)，這一系列的動(dòng)作傳遞最終實(shí)現(xiàn)了卡緊與松卡的目的，完成卡瓦的作用。 7.4 連桿耳座的設(shè)計(jì) 連桿耳座，是將連桿與液壓缸連接的起始端