螺桿轉具中空萬向軸設計研究

◇西南石油大學成都校區機電工程學院 竇宇祥 高 敬 賀子煜 陳 磊

隨著油氣勘探鉆井作業的逐步推進，普通實心螺桿鉆具無法滿足現場投球作業的需求，本文針對這一問題，對萬向軸的水帽接頭、轉子接頭以及球鉸連桿等關鍵零部件結構設計，完成了中空萬向軸的結構設計。利用有限分析進行受力分析結果表明，萬向軸的關鍵零件的強度滿足要求。

1 前言

螺桿鉆具主要由旁通閥總成、防掉總成、馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成等組成。經過多年發展萬向軸總成有多種形式，具體報告花瓣式、撓軸式、球鉸接式等多種形式。目前，技術成熟且應用較為普遍的萬向軸主要為花瓣式、球鉸接式以及撓軸式萬向軸。隨著油氣鉆井不斷發展，鉆井過程中可能需要投放“圓球”，而目前螺桿鉆具的萬向軸總成主要為實心零件，無法滿足“投球”的工藝要求，目前也有科研單位和公司開發了中空螺桿鉆具，但在現場應用的效果不是很理想。為了滿足工藝要求，本文將主要針對球鉸鏈萬向總成進行中空結構設計。

2 中空萬向軸結構設計

球絞式萬向軸總成主要由水帽接頭、球絞連桿、半環、壓環（鎖緊帽）、滾柱（或滾珠）、承壓鋼球以及轉子接頭等結構組成。球絞連桿與兩端接頭主要通過承壓鋼球與滾柱連接，接著通過半環和壓環鎖緊，最后用密封橡膠進行密封。通過承壓鋼球傳遞軸向力，連桿兩端外圓表面上的滾柱傳遞扭矩和轉速。中間連接桿通過繞承壓鋼球做定心轉動及兩端滑到內的滾柱滾動來實現萬向作用，中空萬向軸的總體結構如圖1所示。

圖1 萬向軸總成結構

球絞連桿的兩端通過滾珠實現與轉子接頭和水帽接頭的連接。由于螺桿鉆具在工作時主要承受剪切應力，為了提高其使用壽命，兩段分別采用了8個滾珠進行鉸鏈。連接桿兩段通過繞承壓鋼球做定心轉動及兩端滑到內的滾柱滾動來實現萬向作用，具體結構設計如圖2所示。水帽接頭以及轉子接頭的具體結構設計如圖3和圖4所示。

圖2 球絞連桿

圖3 轉子接頭

圖4 水帽接頭

3 中空萬向軸萬向節有限元分析

以172型螺桿鉆具為例，利用有限元軟件對中空萬向軸的關鍵零部件進行限元分析。

3.1 網格劃分及施加載荷

在進行有限元分析時，采用網格適應性更強的SOLID92（10節點的四面體）單元。采用該單元時，曲面邊界能夠更好地逼近結構的曲面邊界，因此當待分析零件結構形狀不規則且應力分布或變形較為復雜時，可以采該單元進行應力應變分析。如圖5所示，在每一個球鉸鏈的位置施加800Nm的扭矩，攻擊6400Nm的扭矩，在螺紋連接側施加全約束（ALL DOF）。

圖5 水帽接頭有限元模型

3.2 結果分析

利用ANSYS軟件的結果處理器對求解結果進行分析，通過對輸出結果進行分析，可以得到關鍵零件在工作過程中所承受的應力以及發生的應變情況，并以此為依據，判斷零部件的強度是否滿足設計要求。本文對比分析了實心結構萬向軸與空心結構萬向軸的受力情況。連接軸以及水帽接頭的材質為40CrNiMo，許用壓應力[T]＝980MPa，許用切應力[r]=500MPa。

圖6 實心球絞連桿的等效應力

圖7 空心球絞連桿等效應力

圖8 實心水帽接頭等效應力

圖9 空心水帽接頭等效應力

分析結果表明，實心球絞連桿的最大等效應力為149MPa，空心球絞連桿的最大等效應力為155MPa，實心球絞連桿等效應力為350MPa，空心球絞連桿等效應力為441MPa，均小于許用切應力。因此，本文所設計的中空萬向軸的關鍵零部件強度均滿足要求。

4 結論

（1）隨著油氣鉆井的快速發展，現場需要投球滿足工藝需求，完成了中空球鉸鏈的萬向軸設計。

（2）以172型螺桿鉆具為列，利用有限軟件，對所設計的中空萬向軸進行了受力分析，結果表明材料強度足夠。