液壓動力卡瓦的研究與設計

1、5 5 液壓動力卡瓦的研究與設計液壓動力卡瓦的研究與設計5.15.1 不壓井裝備卡瓦的工況及要求不壓井裝備卡瓦的工況及要求卡瓦是不壓井裝備的核心部件之一，不壓井裝備在作業(yè)過程中，利用卡瓦卡緊管柱，實現對管柱的控制，防止管柱掉入井內或者從井口飛出。在不壓井起下管柱作業(yè)時，卡瓦的工作頻率非常高，從而加快卡瓦牙的磨損。此外，卡瓦的工況也較為惡劣，卡瓦牙接觸的管柱表面通常覆蓋了一層約有 1mm 厚的銹蝕層或粘滿了原油、水或混合物，有時管柱的表面還蓋著一層石蠟等。根據不壓井作業(yè)時卡瓦的工況特點，對卡瓦提出如下要求：根據不壓井作業(yè)時卡瓦的工況特點，對卡瓦提出如下要求：（1）卡瓦開閉頻繁，要求卡瓦安全可靠，

2、卡瓦能可靠地卡緊管柱時，既不能打滑，也不能咬傷管柱。（2）要求卡瓦的通徑有一定的變化范圍，正常作業(yè)時，小油管能自由通過，當下放大徑的工具如封隔器、 配水器時， 卡瓦能把直徑變大， 允許大徑工具通過。（3）要求結構簡單，尺寸重量小，便于裝拆、維護等。液壓動力卡瓦因其結構緊湊， 響應速度高， 穩(wěn)定性容易得到保證， 安全可靠。因此，不壓井裝備宜采用液壓動力卡瓦。5.25.2 國內外液壓動力卡瓦的現狀國內外液壓動力卡瓦的現狀卡瓦廣泛用于鉆井工程中卡緊管柱以實現對管柱的控制， 為了降低工人的勞動強度，提高工效，機械化的動力卡瓦在國外得到了廣泛應用，在我國目前應用尚不普遍，而且主要是氣動卡瓦。目前國外生產

3、液壓動力卡瓦的主要是美國 TES 公司和 Hydra Rig 公司。美國TES 公司是生產液壓動力卡瓦的專業(yè)公司，其產品結構緊湊、使用方便、安全可靠，適用于 19 5/8的作業(yè)管柱。圖 5.1 和表 5-1 是 TES 公司生產的液壓動力卡瓦的外形結構和基本參數。圖 5.2 和表 5-2 是 Hydra Rig 公司生產的液壓動力卡瓦的外形結構和基本參數。國內目前還沒有生產液壓動力卡瓦的廠家。表表 5-15-1 美國美國 TESTES 公司生產的液壓動力卡瓦型號及參數公司生產的液壓動力卡瓦型號及參數型型號號350350 型型550550 型型762762 型型963963 型型外形尺寸（英寸）

4、長寬高15.88 x16.5 x 1818.38 x21 x 2123.75 x22 x2326 x26 x 26作業(yè)管柱尺寸（英寸）1 3 2 1/8 5 2-3/8 7-5/84- 9-5/8最大通過直徑（英寸）6”8-”10-3/8”12“額定載荷（lbs）150,000300,000400,000600,000表表 5-2美國美國 Hydra Rig 公司生產的液壓動力卡瓦型號及參數公司生產的液壓動力卡瓦型號及參數350 型550 型762 型圖圖 5.1 美國美國 TES 公司生產的液壓動力卡瓦公司生產的液壓動力卡瓦HR-150 型HR-225 型HR-340 型圖圖 5.2美國美國

5、 Hydra Rig 公司生產的液壓動力卡瓦公司生產的液壓動力卡瓦型型號號HR-150HR-150HR-225HR-225HR-340HR-340HR-600HR-600額定載荷（lbs）150,000225,000340,000600,000作業(yè)管柱尺寸（英寸）1.3152.8753.505.503.507.6253.508.625重量（lbs）3009501,1001,250開啟高度（英寸）15.7519.525.025.0最大通過直徑（英寸）4.3758.08.12511.1255.35.3 動力卡瓦的方案研究動力卡瓦的方案研究油管卡瓦的結構類型通常有以下幾種：5.3.15.3.1 軸向

6、式軸向式軸向式卡瓦開口尺寸的變化與卡緊是靠液壓缸通過連桿鉸鏈機構帶動卡瓦體沿著不動的斜面外殼上下滑動而實現的。其結構如圖 5.3 所示。這種結構形式的優(yōu)點是卡緊可靠，結構簡單。突出的缺點是開口尺寸變化較大時，卡瓦軸向尺寸過長。因此，這種結構通常用在卡持管徑較小的場合。5.3.25.3.2 徑向式徑向式徑向式卡瓦的液壓缸沿徑向安裝，其開口尺寸變化是靠徑向液缸推動實現的， 卡緊主要靠液缸推進實現， 當然也有及斜面的楔形作用。 如圖5.4所示。徑向式卡瓦的優(yōu)點是開口尺寸變化范圍大，軸向尺寸小，方便操作。缺點是卡緊效果較差。圖圖 5.3軸向式卡瓦示意圖軸向式卡瓦示意圖1環(huán)板；2液缸；3卡瓦座；4卡瓦牙

7、圖圖 5.4徑向式卡瓦示意圖徑向式卡瓦示意圖1殼體；2卡瓦座；3卡瓦牙；4液缸5.3.35.3.3 軸徑合一式軸徑合一式這類卡瓦結構如圖 5.5 所示， 既保持了軸向移動的液缸驅動形式，又采取了徑向絲桿調節(jié)方式；既具有軸向卡緊的可靠性，又吸取了徑向式變化范圍大的優(yōu)點。但頂絲受力嚴重，結構也較復雜，制造以及維護困難。5.3.45.3.4 補心式補心式補心式卡瓦結構如圖 5.6 所示，它是在可動卡瓦座與固定殼體間加了一個與轉盤大方瓦相似的補心。當通過大直徑管柱時，可以把補心提走，正常工作時再放入。補心不一定做成一周，可根據卡瓦片數做成幾塊鑲條。這種結構形式具有軸徑合一的優(yōu)點。不壓井裝備起下管柱作業(yè)

8、時，既要求其具有良好的可靠性，又要求其結構緊湊，同時還要考慮產品的制造成本以及使用成本。經過以上的對比分析，方案一具有卡緊可靠、結構簡單的優(yōu)點，其裝拆、維護也方便，因此，采用方案一，其驅動方式采用液壓驅動。5.45.4 動力卡瓦設計的基本理論動力卡瓦設計的基本理論對卡瓦機構的分析表明，只有在以下三個主要值成最佳比例的時候才能可靠地卡住管柱：卡瓦的傾斜角度、卡瓦與管柱的咬合系數、卡瓦牙背面與卡瓦座之間的摩擦系數。5.4.15.4.1 卡瓦卡緊管柱的條件卡瓦卡緊管柱的條件卡瓦的卡緊過程是靠油管由于自重下行時，與卡瓦牙接觸，并且?guī)涌ㄍ唧w一起下行而逐漸楔緊的。受力情況如圖 5.7 所示。在楔緊的過程

9、中管柱的重量 Q為主動力，在 Q 力的作用下，靠管柱與卡瓦牙之間的摩擦力 F2帶動卡瓦一起下圖圖 5.5 軸徑式卡瓦示意圖軸徑式卡瓦示意圖1環(huán)板；2液缸；3頂絲；4滑道；5滑座；6卡瓦牙圖圖 5.6 補心式卡瓦示意圖補心式卡瓦示意圖1環(huán)板；2液缸；3殼體；4補心；5卡瓦座；6卡瓦牙行，使卡瓦楔緊管柱。因此，卡瓦卡緊管柱的基本條件是管柱下行時能否帶動卡瓦牙而實現楔緊作用。楔緊作用越強，則管柱卡緊越可靠。為此應保證sincos112NFF（5-1）圖圖 5.7卡瓦受力分析圖卡瓦受力分析圖式中1F卡瓦體與卡瓦座之間的摩擦力，111fNF ；2F卡瓦體與管柱之間的摩擦力，222fNF ；1N法向反力；

10、2N正壓力；1f卡瓦體與卡瓦座之間的摩擦系數；2f卡瓦體與管柱之間的摩擦系數；斜角；當卡瓦卡緊后，根據平衡條件有cossin0sincos0112112NFNXNFFY（5-2）整理得tan1tan112fff（5-3）上式就也是卡瓦正常工作的必要條件，分析上式，可以得出以下結論：（1）必須有當12ff 時，才能使卡瓦牙保持平衡，從而卡住管柱。因此使用時要保持卡瓦牙背部清潔光滑，及時檢查卡瓦牙的磨損情況，一旦發(fā)現磨損嚴重時要立即更換；（2）越小，則卡緊越易，但過小會使卡瓦軸向尺寸過長，并且產生自鎖現象，而且也會進一步增大對管柱的壓力。因此，必須合理的確定。5.4.25.4.2 卡瓦上提不自鎖條

11、件卡瓦上提不自鎖條件卡瓦在工作時，必須靠油管上提來實現松卡，然后通過卡瓦的舉升液壓缸的舉升力把卡瓦牙帶出卡瓦座。因此，要求卡瓦座不能產生自鎖現象?？ㄍ卟蛔枣i的條件是卡瓦斜角應大于卡瓦牙與卡瓦座之間摩擦角，即（5-4）為防止卡瓦牙與卡瓦座發(fā)生自鎖現象，設計時應保證，又1tanf，所以1tanf（5-5）卡瓦牙體與卡瓦座之間的摩擦系數1f取值范圍為 0.050.15， 當摩擦條件惡劣時，15. 01f，所以31815. 0arctan（5-6）即斜角應大于 831才不致于產生自鎖現象。在實際應用中，常采用92745230，此時錐度 k1：3，為標準錐度，便于加工。資料26表明，當錐度 k1：3 時

12、，即使在卡瓦牙和卡瓦座的摩擦表面只用水潤滑也能可靠地卡緊管柱，這個錐度對現有各型卡瓦是比較合理的。我國已頒布了鉆井卡瓦技術條件的部頒標準（SY504984） 。其中規(guī)定卡瓦的錐度 k1：3，其半錐角92745230 。5.4.35.4.3 最大斜角最大斜角max的討論的討論無論是從不產生自鎖要求出發(fā)，還是從盡量減小卡瓦軸向長度出發(fā)，都希望能增大。分析式（5-3）可知，當1f越小，2f越大，則越大。減小1f的途徑可通過提高卡瓦牙與卡瓦座的加工精度，降低表面粗糙度和改善潤滑條件實現。但在計算時仍保守地取1f0.15，以保證安全。增大2f的途徑是提高牙板材料，改進熱處理條件，合理選擇牙板牙形來實現，

13、據資料介紹，2f可達 0.5 之多。這時卡瓦牙與管柱之間已不能簡單地用剛體摩擦來解釋了， 實際上彼此有變形、 吃入現象。如果把1f0.15，2f0.5 代入式 （5-3） 中可得出角稍大于15。因此取max15。此時恰為 k1：1.866 的標準錐度（圖 5.8） 。實際上，當15時，2f0.4250.5，因而是可行的。圖圖5.8 不同錐度下不同錐度下min2f和和P/Q與與1f之間的關系曲線之間的關系曲線5.4.45.4.4 卡瓦的最小工作面積卡瓦的最小工作面積鉆桿或套管的卡緊會在卡瓦內產生復雜應力。 這種復雜應力是由兩種載荷的作用引起的，即拉伸載荷和壓縮載荷。拉伸載荷由管柱自重引起，其作用

14、方向為軸向，壓縮載荷是徑向的，為卡瓦工作時所產生。前面已經分析過，這兩種載荷互相聯系、取決于卡瓦與卡瓦座斜角以及摩擦系數的大小。改進卡瓦結構的另一途徑是增加牙板對管柱的環(huán)形包角， 以使卡瓦的壓力能更均勻地加到管柱上、這對增加卡瓦的懸重能力，避免卡瓦咬傷管壁很重要。只有卡瓦面上有足夠的正壓力，才能產生足夠的軸向和周向摩擦力。但如果卡瓦面上單位面積的載荷過大，一方面可能將管柱擠壞，另一方面也會使卡瓦牙快速磨損而無法正常工作。根據力學平衡條件及前面的推導， 各卡瓦牙施加給管柱的徑向壓緊力的總和為tantan111ffQP（5-7）式中P卡瓦表面正壓力；Q管柱重量。因此卡瓦的最小接觸面積S為壓PS （

15、5-8）在管柱直徑一定的條件下，卡瓦總周長實際上是一定的，因此求接觸面積 S的目的是確定卡瓦的長度。目前卡瓦的長度一般不少于 200mm，但最大長度不超過 400mm，因研究表明，載荷并不隨長度按同比例增加。當卡瓦長度從 300mm 加大到 400mm，所能增加的軸向載荷不大于 1012。5.4.55.4.5 卡瓦牙的牙形卡瓦牙的牙形卡瓦牙的牙形對卡瓦的性能有很大影響。確定卡瓦的牙形既要考慮管子的臟污程度， 同時又要考慮卡瓦牙的耐磨性和牙齒之間消除污物的自潔能力，特別是產生的銹圖圖 5.9 螺紋型切牙示意螺紋型切牙示意圖蝕。根據實際使用的情況，主要有兩種牙形被廣泛采用。第一種切牙是螺紋，牙距h

16、78mm，和80（圖 5.9） ；第二種切牙是一種凸塊，每個凸塊呈切頂角錐形，切頂表面約為 33mm（如圖 5.10） 。這種形狀和尺寸的切牙能夠保證卡瓦與油管的結合系數不論表面在干的或濕的狀態(tài)都能滿足要求。有資料表明，咬合系數隨油管在卡瓦中的軸向位移增大而增大。5.4.65.4.6 卡瓦的材料卡瓦的材料卡瓦牙和卡瓦座是卡瓦的主要零部件，卡瓦牙的牙形、材料和硬度對于卡瓦的卡緊管柱能力、 卡瓦牙壽命及保護管柱體表面等都有很重要的影響。目前大多采用 20CrMo、12CrNi 之類的低碳合金結構鋼作卡瓦牙，經過滲碳淬火后使其硬度達 HRC4352 或采用高碳合金鋼進行高頻加熱與淬火。卡瓦牙屬于易損

17、零件，其拆換應力求方便。卡瓦座通常用中碳合金結構鋼， 鑄成后熱處理的硬度為HB207328?？ㄍ叩膹姸葢醋畲笞饔幂d荷并考慮 25的可能過載進行計算。計算時所取的安全系數應不小于 2。5.55.5 動力卡瓦的結構設計及力學分析動力卡瓦的結構設計及力學分析5.5.15.5.1 動力卡瓦的結構設計動力卡瓦的結構設計通過分析國外液壓動力卡瓦的結構， 結合國內制造技術現狀， 本文利用 pro/E軟件對卡瓦的零部件進行結構設計，并通過了組裝和干涉檢驗。液壓動力卡瓦的結構如圖 5.11 和圖 5.12 所示，動力卡瓦由卡瓦座 6、活塞桿 3、壓圈 1、連桿 2和卡瓦牙 4 等組成。卡瓦座上對稱設置有兩個液

18、缸 7，兩個活塞桿連接在一個壓圈上， 保證活塞桿的同步往復運動，從而帶動兩片或四片卡瓦牙在卡瓦座內導向槽上下移動，實現對管柱的卡緊和松開。其主要特點是：零部件少，結構簡單，工藝性好，總體尺寸小，可倒置安裝。圖圖 5.10凸塊型切牙示凸塊型切牙示意圖 圖圖 5.11兩片式液壓動力卡瓦結構裝配圖兩片式液壓動力卡瓦結構裝配圖1壓圈；2連桿；3活塞桿；4卡瓦牙；5缸蓋螺母；6卡瓦座；7液缸；8油口；9安裝螺孔圖圖 5.12四片式液壓動力卡瓦結構裝配圖四片式液壓動力卡瓦結構裝配圖1壓圈；2連桿；3活塞桿；4卡瓦牙；5缸蓋螺母；6卡瓦座；7液缸；8油口；9安裝螺孔5.5.25.5.2 動力卡瓦的基本技術指

19、標動力卡瓦的基本技術指標30T 不壓井起下裝置選用圖 5.11 所示兩片示式液壓動力卡瓦， 該動力卡瓦的基本技術指標見表 5-3：表表 5-3液壓動力卡瓦技術指標液壓動力卡瓦技術指標序號序號項目項目參數參數1最大通徑130mm2卡瓦片數23液缸數24關閉高度400mm5額定載荷40 t6開啟高度638mm7液缸直徑40mm8控制壓力4.0 Mpa9半錐角9.510液缸行程238mm11整體重量220kg5.5.35.5.3 動力卡瓦的力學分析動力卡瓦的力學分析對卡瓦來說，卡瓦牙（圖 5.13）和卡瓦座（圖 5.17）是兩個主要受力部件，要使卡瓦正常工作，必須保證這兩個零件的強度滿足使用要求。本

20、文使用了有限元分析軟件 ANSYS 按照第四強度理論對這兩個零件進行了強度分析。（1）卡瓦牙的力學分析）卡瓦牙的力學分析 卡瓦牙的三維實體模型卡瓦牙的三維實體模型如圖5.13所示材料：20CrMo；熱處理硬度：HRC4352；屈服極限：s685 Mpa；強度極限：b885 Mpa；彈性模量：206000Mpa；泊松比：0.3 卡瓦牙的簡化計算模型及網格劃分卡瓦牙的力學分析是為了了解牙體的應力分布情況，由于卡瓦牙的對稱結構，為了便于簡化計算，將牙型簡化成圓柱面，并忽略連接結構，卡瓦牙的計算模型及網格劃分如圖 5.14 所示。 卡瓦牙的載荷邊界條件根據卡瓦牙的工作情況，牙體與管柱接觸的柱面受垂直向

21、下的拉力和垂直柱面的壓力，斜面承受來自卡瓦座的壓力。在對稱面所有節(jié)點 Z 向位移為 0，斜面節(jié)點限制 X、Y 方向的自由度。如圖 5.15 所示。有限元計算結果及分析由于卡瓦牙體受拉壓綜合作用力，按照第四強度理論計算其 Von Miss 相當應力，計算結果如圖 5.16 所示。最大應力：239.155 Mpa，平均應力：66.650 Mpa。 圖圖 5.13卡瓦牙三維實體模型卡瓦牙三維實體模型圖圖 5.14 卡瓦牙的計算模型卡瓦牙的計算模型從應力分布圖看出，牙體應力分布比較均勻，最大應力發(fā)生在內圓柱面與對稱面相交處和外圓柱面與牙體相交處，最大 Von Miss 應力max239.155 Mpa

22、，滿足設計安全系數大于 2 的要求。 發(fā)生在外圓柱面與牙體相交處的應力集中可通過過渡圓角得到改善。（2）卡瓦座的力學分析）卡瓦座的力學分析 卡瓦座的三維實體模型卡瓦座的三維實體模型如圖 5.17 所示 圖圖 5.17卡瓦座三維實體模型卡瓦座三維實體模型圖圖 5.16 節(jié)點應力云圖節(jié)點應力云圖圖圖 5.15 卡瓦牙載荷邊界卡瓦牙載荷邊界條件材料：40Cr；熱處理硬度：HB207328；屈服極限：s685 Mpa；強度極限：b490 Mpa；彈性模量：206000Mpa；泊松比：0.3 卡瓦座的簡化計算模型及網格劃分由于卡瓦座的對稱結構，為了便于簡化計算，取其四分之一作為計算模型，卡瓦座計算模型及網格劃分如圖 5.18 所示。 卡瓦座的載荷邊界條件根據卡瓦座的工作情況，卡瓦座與卡瓦牙接觸的斜面承受垂直斜面的壓力，工作壓力為 40 Mpa。 在卡瓦座對稱面所有節(jié)點垂直對稱面