基于有限元的球鉸萬向軸剩余強(qiáng)度及偏載分析

唐珊，姜中艦，白明，李杰

基于有限元的球鉸萬向軸剩余強(qiáng)度及偏載分析

唐珊，姜中艦，白明，李杰

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 成都 618300）

在井下鉆井工況，球鉸萬向軸相對(duì)于花瓣萬向軸具有壽命高、傳遞扭矩大、下井工作后經(jīng)簡(jiǎn)易維護(hù)可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。但也存在球鉸萬向軸內(nèi)的接觸副需要油潤(rùn)滑、油封橡膠套一旦失效后將加速磨礪磨損等缺點(diǎn)。因此定量地分析球鉸萬向軸磨損后的剩余強(qiáng)度，合理地規(guī)劃其下井次數(shù)，有助于在保證安全的情況下降低其使用成本。分析結(jié)果表明，球鉸萬向軸所能承受的扭矩并未隨著均勻磨損的發(fā)展而明顯降低，而鋼球及球窩磨損所造成的偏載才是造成嚴(yán)重后果的根源。

球鉸萬向軸；磨損；剩余強(qiáng)度；偏載

1 引言

球鉸萬向軸相對(duì)于花瓣萬向軸具有壽命高、傳遞扭矩大、下井工作后易于維護(hù)且經(jīng)過維護(hù)可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油鉆采領(lǐng)域[1]。其內(nèi)部的鋼球?qū)⒒瑒?dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，有效地降低了萬向軸球窩受到的摩擦阻力，延長(zhǎng)了萬向軸的使用壽命，在增大鉆井扭矩傳遞效率的同時(shí)降低了鉆井成本。傳統(tǒng)認(rèn)為，當(dāng)萬向軸的橡膠套破損后，在鉆井液中磨礪的作用下，鋼球以及球窩將加速磨損，因此當(dāng)橡膠套破損后則不再繼續(xù)修復(fù)使用，但未分析鋼球的磨損量對(duì)于扭矩傳遞的定量影響，本文將對(duì)球鉸萬向軸磨損前后進(jìn)行受力分析，研究其在磨損的情況下對(duì)扭矩傳遞的影響，對(duì)于萬向軸的使用方法優(yōu)化有一定指導(dǎo)意義。

2 球鉸萬向軸結(jié)構(gòu)有限元分析

球鉸萬向軸的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，當(dāng)螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)萬象軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鑲嵌在連接桿球窩中的鋼球通過花瓣套上的球窩將扭矩傳遞出去。本文研究的球鉸萬向軸連接桿的最大傾角為5°；螺桿馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速為60～ 180 r/min，最大輸出扭矩為16 000 Nm，由于工作轉(zhuǎn)速較低，而萬向軸內(nèi)部零件的質(zhì)量不大，因此不考慮離心運(yùn)動(dòng)對(duì)萬向軸的力學(xué)作用；連接桿、花瓣套的材質(zhì)均為4 330 V，鋼球的材質(zhì)為高強(qiáng)度軸承鋼，其彈性模量均為2×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

圖1 球鉸萬向軸總體結(jié)構(gòu)

2.1 球鉸萬向軸的結(jié)構(gòu)有限元模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，首先認(rèn)為萬向軸內(nèi)各鋼球均載，鋼球與球窩的接觸面定義為不分離無摩擦接觸[2-3]，在有限元模型中，將簡(jiǎn)化的花瓣套底端施加固定約束，并通過簡(jiǎn)化的連接桿頂部施加扭矩。同時(shí)為了保證萬向軸應(yīng)力場(chǎng)分析的正確性，在簡(jiǎn)化建模過程中依然保證鋼球及球窩為實(shí)際尺寸，未經(jīng)磨損的鋼球、花瓣套及連接桿球窩直徑均25.4 mm。本文認(rèn)為鋼球與球窩的磨損速度等同，因此假定磨損后鋼球直徑為 25 mm，磨損后球窩的直徑為25.8 mm，應(yīng)力分析有限元模型如圖2所示。

圖2 球鉸萬向軸應(yīng)力分析網(wǎng)格模型

2.2 球鉸萬向軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

磨損前后球鉸萬向軸的鋼球及連接桿頭部的Mises應(yīng)力分布云圖分別如圖3、圖4所示，可以看出，磨損前鋼球及球窩處的最大Mises應(yīng)力均約為540 MPa；磨損后鋼球及球窩處的最大Mises應(yīng)力均約為560 MPa；且最大應(yīng)力發(fā)生在連接桿的球窩與鋼球接觸的地方，尤其是在連接桿球窩及鋼球的兩側(cè)邊，這與工業(yè)事實(shí)是相符的。

圖3 磨損前鋼球及連接桿Mises應(yīng)力分布

圖4 磨損后鋼球及連接桿Mises應(yīng)力分布

注意到在萬向軸受到扭矩相同的情況下，鋼球及連接桿球窩的磨損并未對(duì)扭矩傳遞能力產(chǎn)生顯著影響，因此為追 求萬向軸壽命的最大化而單一地將鋼球直徑做大的意義并不大。

2.3 球鉸萬向軸的偏載分析

在實(shí)際工作中，考慮到鋼球及球窩的磨損更可能是非均勻的，這將造成萬向軸的偏載，可能會(huì)對(duì)萬向軸的扭矩傳遞造成更惡劣的負(fù)面影響，因而有必要進(jìn)行萬向軸的偏載分析，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)萬向軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，某個(gè)鋼球因偏磨無法與花瓣套或連接桿的球窩接觸。

萬向軸偏載分析的Mises應(yīng)力分布如圖5所示，連接桿球窩及鋼球的最大應(yīng)力分別達(dá)到了887 MPa及932 MPa，可以看出萬向軸的偏磨相對(duì)于均勻磨損，能夠產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。因此在球鉸萬向軸的修復(fù)使用過程中，為保證萬向軸能夠達(dá)到預(yù)定使用壽命，需要在直徑檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加對(duì)鋼球及球窩均勻性檢測(cè)。

3 結(jié)束語

對(duì)鉆井過程中球鉸萬向軸的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，得到了萬向軸在均勻磨損前后以及偏磨后的應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果表明，當(dāng)萬向軸的鋼球及球窩均勻磨損時(shí)，鋼球的直徑對(duì)萬向軸的扭矩傳動(dòng)能力削弱能力有限，但是鋼球的磨損常常是不均勻的，這將導(dǎo)致鋼球無法與連接桿或花瓣套球窩充分接觸，從而產(chǎn)生較大的偏載應(yīng)力，因此在球鉸萬向軸球窩加工后的檢驗(yàn)及下井后的修復(fù)檢驗(yàn)中，需要充分考慮尺寸不均勻性所帶來的偏載影響。

圖5 萬向軸偏磨后鋼球未完全接觸時(shí)的應(yīng)力云圖

［1］劉璐，趙廣慧，魏秦文，等.螺桿鉆具球式萬向軸失效分析及改進(jìn)措施［J］.鉆采工藝，2017，40（3）：71-74.

［2］樸建溢.球鉸式等速萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性和有限元分析［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2013．

［3］陳靜，史文庫.球鉸式等速萬向節(jié)內(nèi)部接觸應(yīng)力的有限元分析［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2006，28（6）：937-943．

TE921

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.032

2095－6835（2021）01－0089－02

唐珊（1985—），女，本科，工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，研究方向?yàn)槭豌@采裝備等。

〔編輯：王霞〕