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机械毕业设计全套

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JXSW01-011@修井作业自动卡瓦设计(60t),机械毕业设计全套

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- I - 目 录 第 1章 前言 .1 第 2章 卡瓦的发展概况 .2 2.1 国内卡瓦的发展概况 .2 2.2 国外卡瓦的发展概况 .4 第 3章 动力卡瓦总体方案 .6 3.1 动力卡瓦的作用及分类 .6 3.2 动力卡瓦的工作原理 .7 3.3 总体方案的确定 .9 第 4章 卡瓦座的设计及校核 .11 4.1 卡瓦座基本尺寸的确定 .11 4.2 卡瓦座的受力分析 .11 4.3 卡瓦座窄面接触的受力分析 .12 4.4 卡瓦座定心套的设计 .12 4.5 卡瓦座防扭转措施的设计 .13 4.6 卡瓦座的强度校核 .13 第 5章 卡瓦体的设计及校核 .15 5.1 卡瓦体的设计 .15 5.2 卡瓦体的强度校核 .16 第 6章 卡瓦牙板的设计 .18 6.1 卡瓦牙齿面形状布置的设计 .18 6.2 卡瓦牙型的设计 .19 6.3 卡瓦牙高度的设计 .22 6.4 卡瓦牙环形包角的设计 .23 第 7章 起升机构的设计 .25 7.1 连杆机构 的设计 .25 nts - II - 7.2 液压缸的选择 .26 7.3 液压缸连杆的设计 .27 7.4 连杆耳座 的设计 .28 7.5 限位端盖的设计 .28 7.6 卡瓦心轴的设计 .30 第 8章 结论 .31 参考文献 .32 致谢 .33nts - 1 - 第 1 章 前言 在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要的环节。油气水井在自喷、抽油或注水注气过程中，随时会发生故障，造成油井减产甚至停产。如：油井下沙堵、井筒内严重结蜡、结盐、油层堵塞、渗透降低、油气水层互相串通、生产油层枯竭等油井本身的故障；油管断裂、油管连接脱扣、套管挤扁、断劣和渗漏等油井结构损坏；抽油杆 弯曲、断裂或脱扣、抽油泵工作不正常等井下采油设备故障。出现故障后，只有通过井下作业来排除故障。 一套完善的修井设备，一般包括下述部分：主机（修井机），具有动力、传动、绞车、井架、钻台、游动系统。刹车系统以及液压、气动、电气系统；井口工具；井下工具；运输工具；起吊及发电装置等。其中，井口工具主要包括吊环、吊卡、吊钳、液压动力大钳、液压套管钳和修井液压动力钳等。 国内生产井口工具的公司主要有： 江苏如东通用机械有限 公司 、 泰兴石油机械有限公司 、 山东三田临朐石油机械有限公司 、 牡丹江石油工具有限责任公司 、海 城市 石油 机械 制造有限公司 、 盐城市特达石油机械 有限公司 、 江苏新象股份有限公司 等公司。 在衡量修井设备的性能上，一般有下述指标：修井能力（即绞车功率的大小）；井架性能（强度、刚度、安装性 ）；移运性；控制是否方便、灵敏；提供操作条件好坏；配套设备及工具是否完善；工作可靠性；有无特殊的防风、防水、防冻、防尘及防腐蚀措施等。 在本次设计中，是用机械方法建立一个 动力卡瓦 装置，这是整个工作流程的一个重要环节 ，是对 油管、钻铤、钻杆等管柱进行井口拆卸的 必要工序， 这种动力卡瓦的工作原理是通过 起升装置的带动与管柱表面进行接触，起到卡紧并悬挂管柱的作用。 nts - 2 - 第 2 章 卡瓦的发展概况 2.1 国内 卡瓦的发展概况 由于我国大部分油田大都已进入开发中、后期，采油的难度越来越大，工艺越来越复杂，井况也越 来越复杂，修井任务也越来越繁重。 与修井任务越来越繁重的同时，修井工人的劳动强度十分高，修井的环境条件也十分恶劣，高温酷寒，风天雨天，井场条件差（泄漏出来的天然气和有毒气体的侵熏和井喷），特别是地处高原的西部地区，油井较深、自然及环境条件十分严酷。所以要提高修井效率、减轻修井轻工人的劳动强度，使工人尽量远离恶劣的工作环境，就要求有较高的井口设备机械化程度。 与发达国家相比较，我国的钻井工具相对落后，尤其在钻井卡瓦的使用上，国外大多数使用机械手、气动卡瓦；而目前国内绝大部分油气田 (或地质 )钻井工程中起下钻作业时 ，大都采用双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦作业方式，自动化程度低、效率低、劳动强度大、安全性能不高显而易见，操作失误会造成重大的设备和人身事故。特别是手提式卡瓦重量大都在 80 kg 以上，迫切需要一种可减轻钻井劳动强度、提高工作效率的自动钻杆动力卡瓦。而从国外购买一台气动卡瓦，至少也要 5 8万 美元，钻井工具的进步和更新完全依赖进口将支付大量的外汇。所以针对这些问题，我国的科技工作者和部分厂家也纷纷开发研制了适合自己情况的动力卡瓦。胜利油田生产的一种液压式动力卡瓦、石油大学（北京）研制的气动卡瓦及江苏油田工程 研究院研制的气动卡瓦等等都取得了不错的经济以及社会效益。我国江苏如东通用机械厂生产的一种 QD型气动套管 /吊卡用于起下套管，既可夹持套管也可作为吊卡起、下套管。但其体积庞大，总高 1027 mm，总重约 3 t。胜利油田生产的某种型号的卡瓦要改造方瓦，卡瓦也不是标准卡瓦，装置本身要承受钻杆载荷，只能提放钻杆卡瓦。所以国内在动力卡瓦的研究生产方面还有很多研究工作要做。 上述几种卡瓦是在国内出现比较早的动力卡瓦。在此之后 ,一些石油相关厂家和石油院校对井口操作机械化装置开始进行研究 ,也对国外的一些已经成熟的修井机进行研 究和借鉴 ,针对国内修井的需要研制了不少自动化修井机。修井机是整套的井口自动化装置 ,能够实现油管的起升、下降、对接、自动卡紧，上卸扣，排放油管等工艺。动力卡瓦是其中的一个重要部分 ,人们对它的研究和认识日益深入。 下面介绍几个相关的研究成果（其中也包括钻井中动力卡瓦的研究成果）。 2000年浙江万里学院工程技术系的庞浩 【 1】 对嵌入式卡瓦结构进行分析，虽然nts - 3 - 所使用的力学模型为打捞器用的卡瓦，但是在井口上动力卡瓦的卡牙卡紧油管的研究中，其嵌入式卡紧原理相同，也有借鉴作用。作者针对在使用打捞器卡瓦作业时 ,由于使用不当 ,常使工具损坏 ,或是定位不可靠等问题对卡瓦工作部分的参数进行分析、优化，并在工具使用中应用 ,取得了较好的效果。 2003 年江苏油田工程院成功研制了一种石油钻柱气动卡瓦 【 2】 ,在钻井生产中推广应用已形成产品。此卡瓦安装在转盘大方瓦孔内取代转盘大方瓦 ,由支撑盘通过连杆连接卡瓦体 ,气缸和导向杆与支撑盘固定连接。卡瓦体与钻杆有足够的接触面积，悬挂能力大；工作安全可靠 ,安装方便；具有卡持钻杆和起钻时自动给钻杆刮泥的双重功能 ,并且更换刮泥盘非常简单方便；卡瓦工作高度适当 ,不影响液压钳的上卸扣工作，而且能提高起下钻速度。是 目前非常常见的动力卡瓦。 2003 年由崔时光开发的专利油田修井自动作业装置 【 3】 是一种新型的有环保功能的修井自动化作业装置。其中的动力卡瓦包括卡瓦箱体、卡瓦座、卡瓦、卡瓦驱动机构，卡瓦可由电驱动 ,驱动机构在卡瓦箱体的外侧，结构上卡瓦座跟卡瓦体采用锥面配合，卡瓦体的上下移动采用的是齿条齿轮传动，且有复位装置。值得借鉴的是卡瓦座、卡瓦体都在卡瓦箱体内 ,整个卡瓦的卡紧工作都是在一个封闭的空间内进行的，故能够防止原油和污水进入井场 ,有利于环境的保护 . 同年由煤炭科学研究所总院西安分院研制的复式液压夹持器 【 4】 是适合于全液压钻机使用的产品。它的设计在常闭式夹持器的基础上，增设了与回旋器联动的复油缸，它具有弹簧夹紧的常闭式夹持器工作安全可靠和油压夹紧的常开式夹持器夹紧力大的双重优点。这个产品外形尺寸小，开启压力低，有利于液压系统各个之路间的压力协调，也提高了液压系统的效率；在有联动功能的液压系统中与液压卡盘配合，可保证动作协调。 2007 年中国石油大学 (华东 )石油工程学院的张宝增和王瑞和提出了一种自动起下管柱作业系统 【 5】 ，该系统构思新颖 ,结构简单 ,技术可行 ,并能够与现有修井设备配合使用实现油田修井作业的自动 化。针对国内修井机械数量多 ,不能全部弃用，而对于现有的修井机改造有很重要的意义。此作业系统中提出了一种新型卡瓦，其主要特点能配合现有的修井机械完成悬吊管住的工作；除此之外，随着材料科学的发展 ,目前已经能够制造出一种新型弹性材料 ,在这种弹性材料中 ,由嵌入微型卡紧条制成的楔形卡瓦对管柱表面的损伤极小 ,针对油田上过去曾经使用过夹持油管本体作业方式 ,容易损伤油管 ,缩短油管的使用寿命的缺点有很好的使用意义。国外对这种材料已经有了相关的实验和研究 【 6】 。楔形卡瓦支座的实现方案为防止楔形卡瓦卡伤管柱表面 ,影响管柱的使用寿 命和耐腐蚀能力 ,卡瓦与管柱接触部分采用弹性体微条嵌入式结构。另外在这种新型自动起下管柱装置中为使桶式吊卡卡住接箍提供方便 ,卡瓦在卡紧管柱时夹持接箍下部的管体，使接箍完全外露，可以实现新型管柱起下作业方式。 2007 年 6 月煤炭科学研究总院重庆分院刘卫亮对不同齿面卡瓦对钻机夹紧力nts - 4 - 影响的探讨 【 7】 发现光面齿面卡瓦与钻具之间摩擦系数较低，对于预紧力的降低无济于事；齿面颗粒状卡瓦虽然摩擦系数较大 ,但在卡瓦与钻具过载打滑的时候对钻具伤害较大 ,故不予考虑。齿面形状为菱形沟槽的卡瓦在同等条件下相对于矩形沟槽齿面的摩擦系数更 大 ,更有助于降低夹紧系统工作时的夹紧力和装配时的预紧力 ,更有利于夹紧系统的稳定。也就是说将现行钻机夹紧系统使用的卡瓦齿面进行调整达到稳定夹紧系统的目的是可行的 ;同时 ,这种方法还可以应用到其他修井设备的夹紧系统中其作用是积极的。 2.2 国外卡瓦的发展概况 现在世界上公认的在生产动力卡瓦方面取得领先的是美国的 DEN-CON公司和 VARCO-BJ公司。他们公司生产的动力卡瓦放于转盘上，不必改造转盘部件，卡瓦提升机构本身不承受钻柱或套管载荷。需正常钻井时，可方便地将动力卡瓦机构提离井口。这种可提放钻杆方瓦、套管 卡瓦的动力卡瓦提升结构在国外应用较广。 美国 DEN-CON公司的动力卡瓦分为气动和液动，其功能是一样的，从用量和现场使用方便性来说，气动卡瓦应用更普遍一些。 美国 DEN-CON公司气动卡瓦主要有钻铤、套管、钻杆用气动卡瓦 （如图 2-1）和多功能气动卡瓦。 其原理采用卡瓦气动推入并随动夹紧方式，松开时气动抽出卡瓦并翻转一定角度，使其脱离工作区。 气动 卡瓦优点比较突出，表现在如下几个方面 ：（ 1） 安全性强：可取消倒换双吊卡工序，从根本上避免单吊卡事故发生，避免了人为发生的钻杆折断或弯曲现象以及对人员的伤害； （ 2） 快捷性：不用现场操作人员人工推、拉吊卡或提防卡瓦，节约起下钻时效一半以上； （ 3） 可操作性强：可实现井口一个人操作，大大降低工人劳动强度，改善工作环境； （ 4） 先进性：卡瓦牙形状设计合理不伤钻杆，性能可靠而且使用寿命长。 （ 5） 浅井施工节奏更快、劳动强度更大，动力卡瓦的安全、快捷优势就更加明显 。 这种方式结构和动作都比较简单，重量轻，成本低廉， DEN-CON公司生产的动力卡瓦在中国海洋油田已得到应用并取得良好的应用效果，深受海洋平台工人的欢迎。 图 2-1 DEN-CON 公司生产的气动卡瓦 nts - 5 - 美国 BJ公司的 Varco BJ PS21/30液压动力卡瓦配有一套快速更换系统。 PS2有以下几个优点：（ 1） PS21 型可以操作所有类型和尺寸的管子； （ 2）可以很快地从井底钻具状态改为钻杆状态，使得 PS21/30可以在整个作业过程中使用；（ 3）不再需要传统动力卡瓦使用过程中所必须使用的手动卡瓦来操作钻 铤 或井底钻具；（ 4）钳牙盒可以在管柱仍在井眼中随时更换；（ 5）钳牙盒更换可以在 5 分钟或更少的时间内完成；（ 6）特殊的“丢下即锁定，拉出即松开”设计消除了诸如铆钉和销钉之类的易松动件；（ 7）如果需要使用手动卡瓦， PS21/30可 以同手动卡瓦套配套使用 。 （ a） 液压动力卡瓦 （ b）动力卡瓦的快速更换系统 图 2-2 Varco BJ PS21/30 液压动力卡瓦 国内在所有的修井井口自动化设备中都逐渐的开发新的产品，应用新的技术，更多的是面对实际的井场上的情况来安排设计方向设计重点和着眼点（如保护环境，保护人身安全）。目前对于修井用动力卡瓦而言，重点大多放在对不压井的应用中，即在保证可靠卡紧管柱的前提下让总体质量更轻，工作高度更小 ，操作更方便，结构更紧凑。其次，动力卡瓦的设计和制造还应该注重互换性、通用性 ,这样能集中精力解决矛盾突出的问题 ,改善其性能。再次，国内各油田已经拥有大量修井设备 ,修井作业方式急需改革 ,但又不能全部弃用现有设备。国外车载修井机性能较好 ,但价格昂贵 ,不适于我国国情。故在设计动力卡瓦的时候应该多注意同以前的修井作业相结合的措施，根据现场的经验修改现有的修井井口作业设备。 nts - 6 - 第 3 章 动力卡瓦 3.1 动力卡瓦的作用及分类 卡瓦的作用： 用来卡住并悬挂下井的钻杆、钻铤、动力钻具、套管等。 卡瓦的分类：按作用原理， 卡瓦分为机械卡瓦和气动卡瓦两种。 按结构，卡瓦分为三片式、四片式、多片式三种。 按用途，卡瓦分为钻杆卡瓦、钻铤卡瓦和套管卡瓦三种。 卡瓦的结构及特点 卡瓦的结构大体为卡瓦体、卡瓦牙、手柄以及连接件等组成。 三片式卡瓦 三片式卡瓦结构：手柄、卡瓦体、卡瓦牙、衬套。三片式卡瓦由三片扇形的卡瓦体组成。三片卡瓦体用铰链销钉连接，但不封闭。每片卡瓦体内开有轴向燕尾槽，并装有衬板和卡瓦牙，一副卡瓦要装 60 块卡瓦牙。 三片式卡瓦的特点是结构简单，操作方便，并能够容易地更换卡 瓦牙。此种卡瓦对钻柱的抱合长度也不长，因此能承受的负荷较小。采用这种结构形式的有87.5 114.3mm 和 127 177.8mm 的卡瓦。 为了满足大负荷的要求，产生了大包角三片式卡瓦。 大包角三片式卡瓦的结构：右卡瓦体、中瓦体、左瓦体、卡瓦牙板、弹簧、手柄和铰链销钉。大包角三片式卡瓦的结构特点：是在卡瓦体之间用两个软性的活动铰链组件铰接，每片卡瓦体内开有几条周向燕尾槽装卡瓦牙，卡瓦牙体较长，一副卡瓦只要装 18 块或者 24 块，卡瓦牙之间不接触。 大包角三片式卡瓦的特点：是对钻柱抱合角度大，抱合长度 长，能承受较大负荷，适用于深井。缺点是因卡瓦牙较大，如果工作过程中有破损时卡瓦牙易脱落。 四片式卡瓦 四片式卡瓦结构：手柄、卡瓦体、铰链销钉和卡瓦牙。四片式卡瓦的四片卡瓦体分为二副组合，每副卡瓦体两片之间用铰链销钉连接。卡瓦牙形式上与上述的三片式卡瓦的前一种形式相同。 十一片式卡瓦 十一片式卡瓦的结构：卡瓦连接销、右卡瓦体、左卡瓦体、手把连接销、手把、开口销、卡瓦牙、卡瓦固定销和中卡瓦体。十一片式卡瓦是由十一片卡瓦体组成。十一片卡瓦体用连接销相互铰接，但不密封。每个卡瓦体内开有周向燕尾槽，用于装卡瓦牙。 nts - 7 - 钻杆卡瓦结构：右手把、右页卡瓦体、销轴、挡环、左页卡瓦体、左手把、铰链销、牙板、中页卡瓦体、中手把、沉头螺钉、锁紧螺母、垫圈和开口销。 套管卡瓦的结构：边页手把、右页卡瓦体、销轴、垫圈、开口销、左页卡瓦体、中页卡瓦体、中页手把、卡瓦体连接销、牙板和螺钉。 钻铤卡瓦的结构：右页卡瓦体、边手把、开口销、左页卡瓦体、连接销、中页卡瓦体、中页手把、垫圈和牙板 。 另有一种卡瓦叫做安全卡瓦，是防止没有台肩的管柱或工具发生滑脱落井的保险卡紧工具，是用于防止从卡瓦中滑脱的重要辅助工具。其主要由牙板套、卡瓦牙、弹簧、 调节丝杆、螺母、手柄以及连接杆组成。它是依靠拧紧螺栓来卡紧钻铤的。 3.2动力卡瓦的工作原理 3.2.1卡瓦楔块楔紧并卡住钻柱的条件 液压缸施加作用力 F 推动卡瓦楔体沿卡瓦座体内锥面下行收拢，直至楔紧钻柱。由图 3-1 可见，这时的卡瓦楔体分别受到经向压力1NF，和2NF，同时在各个摩擦 产生了相应的摩擦力1F、和2F。 图 3-1 卡瓦楔体受力分析 图 3-2 卡瓦楔体卡紧钻柱的受力分析 在钻柱重力 W 作用下，依靠钻柱与卡瓦牙之间的摩擦力4F带动卡瓦楔体继续下行，从而使卡瓦楔体楔紧卡住钻柱，这时仅由钻柱重力 W 所产生的受力情况如图 3-2。为简化起见，首先，计算分析仅由钻杆重力 W作用下所产生的受力情况。nts - 8 - 这样，卡瓦楔体卡紧钻柱的基本条件是钻柱下行时是否带动卡瓦楔体而实现楔紧作用。楔紧作用越强，则钻柱卡紧越可靠。这样就要求钻柱和卡瓦牙之问的摩擦力4F应大于或等于卡瓦楔体背锥面与卡瓦座体内锥面之问阻止卡瓦楔体下行的阻力，即 4 4 3s i n c o sNF F F(3-1) 根据卡瓦楔体的径向受力平衡条件，当钻柱楔紧卡住状态有 3 4 3c o s s i nNNF F F(3-2) 式中，3F为卡瓦楔体与卡瓦座体的摩擦力，3 4 1NF F f；4NF为钻柱与卡瓦楔体之间的摩擦力，4 3 2NF F f；1f为卡瓦血体与卡瓦座体之间的摩擦因数；2f为钻柱与卡瓦座体之间的摩擦因数； 为卡瓦楔体外锥或卡瓦座体内锥的半锥角。 由式 (3-1)与 (3-2)可解得保证楔紧卡住钻柱的 条件 1212ta n 1ffff (3-3) 或 121ta n1 ta nff f (3-4) 由式 (3-3)或 (3-4)可见，由于 0 ，所以只有当21ff时，才能使钻柱被楔紧卡住。 因数1f和2f之间的这种关系，依靠在卡瓦楔体上安装牙板以增大2f来达到。牙板经过淬火，其硬度大于钻柱硬度，当牙齿顶部和钻柱表面接触时，就产生接触应力，该应力能够保证接触表面处于干摩擦或半干摩擦状态。而卡瓦楔体相对于卡瓦座体内锥面运动时，往往形成液体摩擦或半液体摩擦。因此，仅由钻柱重力 W产生作用时，2f也总是大于1f，也就是说，卡瓦楔体总能卡住钻杆。 当液压缸对卡瓦楔体施加作用力 F 下行时，只能更有利于卡瓦楔体对钻柱楔紧卡住。 3.2.2卡瓦楔体上提不自锁的条件 钻柱准备上提时，应先动作液压缸给卡瓦楔体一个上提作用力，然后再动作钻柱上提，然而为简化计算，首先，设想液压缸与卡瓦楔体断开联接，再进行上提钻柱时的卡瓦楔体的受力分析，如图3-3。上提钻柱时，卡瓦楔体依靠卡瓦牙板与钻柱的摩擦被带动上移，因而其摩擦力凡为卡瓦楔体上行的主作用力，摩擦力3F为卡瓦座体 对卡瓦楔体的反作用力。为保证卡瓦楔体的上移，应使主作用力4NF大于反作用力3F， 即 图 3-3 上提钻柱时受力分析 nts - 9 - 4 3 4c o s s i nN N NF F F(3-5) 由卡瓦楔体径向受力平衡所得 3 4 3c o s s i nNNF F F(3-6) 解得 1211f tgf f tg (3-7) 此式就是卡瓦上提不自锁的条件，式中各符号意义同前。 与楔紧卡住钻柱的条件相比较，当 0 时，在1f和2f满足式 (3-4)的条件下，式 (3-7)是恒满足的。即在满足卡瓦楔体楔紧卡住钻柱的条件下，能够保证卡瓦楔体上提不自 锁。再者，由于液压缸也给卡瓦楔体一个上提作用力，而这个作用力也仅使卡瓦楔体有上提的趋向，所以钻柱上提时卡瓦楔体没有产生自锁的可能。 3.3总体方案的确定 如图 3-4所示，这种修井动力卡瓦利用液压缸作动力通过连杆提放卡瓦楔块，液压缸固定在卡瓦座体上。当液压缸带动液压缸连杆上行时，通过主轴的键连接将动力传递至吊臂带动卡瓦楔块上行，使卡瓦楔块张开，从而通过油管上的节箍。当液压缸带动液压缸连杆下行时，会带动卡瓦楔块推动油管居中 (起到一定的对中作用 )，然后卡瓦楔块沿着卡瓦座内锥面下行收拢，直至楔紧并卡住油管。 图 3-4 新型动力卡瓦的结构 1-卡瓦耳座 2-长销轴 3-液压缸连杆 4-销轴 5-连杆 6-销轴 7-卡瓦体 8-卡瓦牙板 9-压板 10-卡瓦心轴 11-弯连杆 12-销轴 13-液压缸 14-卡瓦座 15-液压缸轴 nts - 10 - 卡瓦座内分为 2部分，对称布置 2对楔块 、 2对垫块。每对楔块通过合页连接，垫块通过螺纹连接安装在楔块上，每个垫块上开有 3个燕尾槽用来安装卡瓦牙板。卡瓦座两侧对称安装了 2 个液压缸，液压缸连接液压缸连杆，液压缸连杆与主轴采用键连接，吊臂及吊臂连杆也同主轴键连接，最终实 现液压缸到楔块的动力传递 。 在总体方案确定好后 ,接下来就是对一些关键环节进行具体考虑以实现其相应功能 ,对此 ,我主要在以下方面作了一些工作 :确定各零部件的结构尺寸，对各零部件进行强度校核。 nts - 11 - 第 4 章 卡瓦 座的 设计 及校核 4.1 卡瓦座 基本尺寸的确定 这次设计思想是将所有上解扣机构放在卡瓦座上，卡瓦座安放在井口法兰上，卡瓦座与井口法兰有螺栓螺母连接。设计要求给定最大通径为 200mm，因此将卡瓦座通径设定为 200mm。卡瓦座的材料通常用中碳合金刚铸成，因此选 定材料为合金钢。 要想卡瓦能够达到卡紧与放松的动作过程也就意味着卡瓦的内径是可以调节与变化的，并且通过一些专利的介绍，先将卡瓦的座体设计确定为了斜面设计。那么这个时候就出现了一个斜度的问题，在此，称其为锥度 ,以 K 来表示。为了减少卡瓦片施加给管子表面的总径向压紧力 P，最好使锥度 K值增加到最大允许值。通过对 K=1： 3 与 K=1： 1.866 两种情况进行对比，发现，锥度由 1： 3 增加到 1：1.866 时，卡瓦施加给管子的最大总压力 P 减少了 32%。试验证明， K=1.866 时的卡瓦只有在卡瓦和补芯的工作表面润滑充分，且牙板牙 齿尖锐的情况下能卡住管子。所以生产中不宜使用这种锥度的卡瓦。而当 K=1： 3时，甚至在卡瓦和补芯的摩擦面之间使用水润滑也能可靠地卡住管子，这个锥度对现有各型卡瓦都是比较合理的。因此，设计中选取 K=1： 3 作为卡瓦座的锥度，也就是 tg =0.1667（或 =9 27 45），即 与竖直方向成 9.47角。 在 目前来说，卡瓦的长度一般都不少于 200mm，但是最大长度也不超过 400mm；因为研究表明，卡瓦长度从 300mm加大到 400mm，所能增加的轴向载荷不大于 10 12%。因此，在满足设计需要且节约耗材的同时， 将卡瓦体长度选择为 250mm。 卡瓦座底部可采用开口螺栓孔，直径与井口法兰螺栓孔保持一致，且要留出螺母的转动空间与扳手空间。取卡瓦座下端与法兰接触面厚度为 50mm，螺栓长度为 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 卡瓦座承载面厚度的设计 需要借助 solidworks 软件的应力分析，也就是卡瓦座的厚度完全由施加在其身上的作用力来约束，这就需要对应力有个明确的分析。 已知条件： F1= N1 f1 ； F1 =Q ； Q=400 KN ； F2 = N2f2； =9.47 ； f1 =0.3 ； f2=0.15； nts - 12 - 根据图中所示列出以下平衡方程， 水平方向： N2cos = N1 + F2 sin （ 1） 竖直方向： F1 = N2sin + F2 cos （ 2） 由方程（ 2）得： Q=F1 = N2sin + N2f2 cos 解得 N2=Q/( sin + f2 cos ) =600000N/0.3372=1.78 106 N 图 4-1 卡瓦体的受力分析 故卡瓦座受 力大小约为 1.78 106 N。 4.3 卡瓦座窄面接触受力 分析 设计要求 规定卡瓦体为四块 ， 每两块为一组以卡瓦心轴连接，每一组卡 瓦体沿卡瓦座斜壁上升过程中， 在扭转弹簧的作用下，使得它们之间的角度关系不断变化 ，同时它们与卡瓦座斜面的接触关系也是一直在变化 的， 在实际的卡紧状态下由于油管的长期在地下受压变形导致卡瓦体的背锥与卡瓦座的内锥面不完全是面 面接触，而是线接触，在1N、2N挤压的状态下演变成窄面 窄面接触，如图 4-2 所示。 1-卡瓦座内锥面； 2-卡瓦体 因此，在用软件进行应力分析时，用以承受 图 4-2卡瓦体窄面接触俯视图 施加力的是 4个宽为 3.06毫米的窄面。 且窄面承 受的不仅 是摩擦力，还有卡瓦体 所施加的压力，即 来自于卡紧油管时阻碍油管下滑的正压力， 计算 得 卡瓦座内每 条窄面受力 F= N2/4 =444.84KN。 4.4 卡瓦座 定心套设计 为了使卡瓦体升起时能够更好的张开，使油管接箍顺利通过。设计时，在卡瓦座底部安装了一个定心装置，主要起到对准中心的作用。 卡瓦座内径为 200mm，而所要卡紧的管柱直径为 76.2mm 和 88.9mm，也就是管柱与卡瓦座之间有很大的间隙，为了防止管柱的摇晃及摆动，同时能够准确的对准中心，设计了卡瓦座定心轴套这一零件。 nts - 13 - 定心套的内圆柱面与上下端面 采用了 倒角设计 ，倒角度数为 10 45 主要是 为了 起到一个良好的导向作用，由于， 油管的接箍处要比油管大 10mm左右，在上下移动油管时， 就 容易 将 油管 接箍卡住 ，而倒角的设计可使接箍处沿倒角产生的斜面下滑，从而使油管顺利通过。 4.5 卡瓦座 防扭转措施设计 考虑到在油管柱重力不够时，卡瓦体会产生扭转，故在本次设计中增加了防扭转措施，即在卡瓦顶面铣出深 15mm 的环槽，用以安装防扭转挡块。 为了能使 防扭 转块起到有效的防扭转作用，因此在设计时，应保证防扭 挡块的 高度 略 高于卡瓦体。这是因为 设计中 卡瓦体 处于 卡紧状态 时，将卡紧位置提升了一定的高度，即 卡 瓦体的上表面并 不 是与 1 防扭挡块 2 螺栓 卡瓦座上表面平齐的， 而是高出 了一定的高度，这 图 4-4 防扭挡块示意图 就造成了卡瓦体 与防扭挡块位置错开，防扭转措施 失效。反之，若是防扭挡块高于卡瓦座凹槽深度，则在卡瓦体卡紧时依然满足防扭转条件起到防 扭转作用。 4.6 卡瓦座的强度校核 图 4-5 卡瓦座强度校核分析图 1 2 图 4-3 定心套示意图 nts - 14 - 由 SolidWorks软件中的 COSMOSWorks管理程序对其进行静态应力分析得到，约束 面为卡瓦座下方与法兰连接的十个螺栓孔，受力面为四个窄面，大小为444.84KN。得到如下图所示结果。 图中所示，卡瓦座所受最大应力为 3.012108 N,而卡瓦座的极限屈服力则达到6.204108 N，经计算可知安全系数约为 2.06，因此壁厚 35mm 是同时满足省材与安全条件的最佳值。 nts - 15 - 第 5 章 卡瓦体的设计及校核 5.1 卡瓦体的设计 由于要卡紧两种不同尺寸油管和抽油杆，这就需要需牙板和卡瓦体可拆卸更换。其中牙板与卡瓦体用燕尾槽连接，且卡瓦体上需要安放压板压住牙板，防止其向上窜出燕尾槽 ，故在燕尾槽两侧钻出两个螺栓孔以固定压板，考虑到承受载荷较大，燕尾槽两斜面夹角为 15，长为 60mm，深 200mm。同时，应注意到因加工工艺过程需要，应在燕尾槽底部加工出退刀槽，宽度 62mm 即可，供加工后的铣刀退刀。卡瓦体整体高度为 250mm，其背锥度需和卡瓦座内锥接触配合，但接触为抽象出的窄面接触。本次设计中，将卡紧位置设定在理想位置（卡瓦体的理想位置：即卡瓦体的背锥与卡瓦座的内锥紧密配合，形成面 面接触时的位置。）的上方 12.6mm 处，也就是卡瓦体需在水平方向上移动 2.1mm 即为本次设计中设定理想位置。 卡瓦体应是 4 块，在位于卡紧位置时，卡紧角度应各是 90，但需留出铰链连接和卡瓦心轴的空间，故需有 30mm 的宽度，来容纳铰链和心轴。设计中考虑到了卡瓦体打开时的阻力情况，因此在卡瓦心轴上留出了放扭转弹簧的位置。同时，本次设计考虑了防扭转措施，即在卡瓦体背锥的上部分加一个边沿，厚度为15mm，用来和防扭转挡块配合，以防上扣上到最后阶段时惯性扭矩的控制以及解卡时的震动。 卡瓦体是能够活动的零件，它的运动 主要 是 为了 能够使油管接箍顺利通过卡瓦，而在卡紧油管状态下，其主要作用是与卡瓦座内 锥接触配合实现楔形卡紧，且能放置固定卡瓦牙，防止在解卡时卡瓦牙跟油管外壁顺利分开。 卡瓦体主要承受来自卡瓦座、油管管柱的压力1N、2N和与卡瓦座内锥面的摩擦力 F ，其主要破坏形式为被锥面的磨损和承受挤压力的塑性变形。另外，在卡紧状态下卡瓦体底部高度为 h 部分承担的是让卡瓦牙卡紧油管管柱的支持力3N，如图 5-1，燕尾槽是用来固定卡瓦牙的，其深度设为 a ,卡瓦体承载面高度 图 5-1 卡瓦体剖面图 为 h ，其宽度为 b ,由于卡紧状态下背锥面都是与卡瓦 座内锥面接触，即在整个背锥面可以看成固定面，显然 CD段为危险断裂面， nts - 16 - c o s sFQS x l （ 5.1） 22 c o ssQx h b a l （ 5.2） 其中 b 卡瓦底面的宽度； a 燕尾槽的深度； 截面 CD 与底面夹角 ， 且 tan hba ； s 卡瓦体材料的屈服极限； l 卡瓦体的环形长度； h 卡瓦体承载面高度。 将式（ 5.2）整理得： 1S hQlba （ 5.3） 从式（ 5.3）可以看出在考虑卡瓦体 CD 断裂面的时其承载能力与承载面高度h 与卡瓦体有效承载宽度 b-a 的比值以及卡瓦体环形长度 l成正比。 显然，由于受力面积的影响，在面接触受力时候卡瓦体所受最大应力值比整个背锥接触受力的最大应力值要大，且在窄面接触受力时其最大应力值出现在与窄面相对的卡瓦体正面，越到卡瓦体厚度较小处弯曲的趋势越明显。 卡瓦楔体的背锥及卡瓦座体的内锥面的锥度选为 1： 3，实践证明，使用该锥度，甚至在卡瓦楔体和卡瓦座体的摩擦面之间只用水润滑也能可靠地楔紧卡住钻柱。根据相关标准选择锥 角 9 2 7 4 5 2 3 0 。 5.2 卡瓦体的强度校核 1 正面 2 背面 图 5-2 卡瓦体背锥窄面接触云图 nts - 17 - 如图 5-2，由于受力面积的影响，在面接触受力时候卡瓦体所受最大应力值比整个背锥接触受力的最大应力值要触受力时其最大应力值出现在与窄面相对的卡瓦 体正面，越到卡瓦体厚度较小处弯曲的趋势越明显。 当 卡瓦处于卡紧状态时，油管等管柱工具的重力通过卡瓦牙板背锥上的燕尾槽传递到卡瓦体 上，而卡瓦体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远远大于卡瓦牙板等零件的重力，因此在此处卡瓦牙板等重力忽略不计）。而卡瓦体的主要受力部分为卡瓦体下部的突台处，因此在校核强度时主要校核卡瓦体的突台处。 卡 瓦体主要受力部位是突台面，主要是受管柱的重力，四块卡瓦体总受力大小 9 . 8 /F G m N k g 总 管 柱 管 柱，单个卡瓦体受力大小为 /4FF分 总，其中 m管 柱=60t，所以 FG总 管 柱6 0 0 0 0 9 . 8 5 8 8 0 0 0 N ，单个卡瓦体所受的力为 /4FF分 总5 8 8 0 0 0 4 1 4 7 0 0 0 N 。 图 5-3 卡瓦体强度校核分析图 通过 图 5-3 应力分析图不难看出， 将 147000N 施加在 凸台 上， 凸台极限 屈服力为 6.204 108 N，而它 所承受的最大应力为 2.4292 108 N，远小于它的屈服力。也就是说，在满足设计条件及运动需要的同时，卡瓦体不会承受过大压力而产 生断裂，即此卡瓦体设计较为合理。 nts - 18 - 第 6 章 卡瓦牙板的设计及校核 由于设计要求明确指出需卡紧 3 寸和 3 寸半两种尺寸的油管，因此，在设计中要设计出两套卡瓦牙板，以改变牙板的厚度来实现卡紧不同的管柱。 图 6-1 三寸卡瓦牙板示意图 图 6-2 三寸 半 卡瓦牙板示意图 6.1卡瓦牙齿面形状布置的设计 卡 瓦牙是直接跟油管接触的钢体。在牙板的设计中，不同牙型对应受力关系是不同的。以下列举几种常见齿面卡瓦： 1.矩形沟槽齿面卡瓦特点 矩形沟槽齿面卡瓦具有加工简单，更换方便快捷等优 点，但是这种齿面卡瓦与钻具之间的摩擦系数比较低，当钻机需要的输出转矩较大时，对于胶囊式卡盘来说，意味着系统压力的增大或者高压油与卡瓦的接触面积的增加，前者会增加密封元件的损坏几率，后者则使卡盘系统的尺寸相对臃肿；而对于常闭式液压卡盘而言，转矩的增大使得碟形弹簧的厚度增加，卡盘部分的几何尺寸也许增大，同时卡盘装配时所需的预紧力也要提高，这样卡盘系统的稳定性就会下降。 2.菱形齿面沟槽卡瓦的特点 将卡瓦齿面形状加以改变，即将矩形沟槽齿面更改为菱形沟槽齿面，通过增大卡瓦与钻具之间的摩擦系数来降低碟形弹簧施加于卡瓦 的正压力，根据摩擦力计算公式，摩擦力大小一定的情况下，正压力的降低意味着碟形弹簧工作时复位力的降低和夹紧系统装配时预紧力的减小。 nts - 19 - 如图 6-2， 齿面形状为菱形沟槽的卡瓦牙板在同等条件下相对于矩形沟槽齿面，对于降低夹紧系统压力、减小夹紧系统几何尺寸以及减小装配时的预紧力都是十分有利的 ,即对于稳定夹紧系统是积极的。在同等的卡瓦体上，安装矩形牙板的卡瓦体 安装菱形牙板的卡瓦体其卡牙跟管柱接触面的摩擦力是不同的。和相 图 6-2牙板形状是矩形和菱形的卡瓦体视图 对于光滑平面而言 ，卡瓦牙的分 布是影响摩擦系数的重要因素。 光面齿面卡瓦与钻具之间摩擦系数较低，对于预紧力的降低无济于事；齿面颗粒状卡瓦虽然摩擦系数较大，但在卡瓦与钻具过载打滑的时候对钻具伤害较大，故不予考虑。卡瓦所需的夹紧力是碟形弹簧通过压缩以斜面增力机构为媒介施加于卡瓦上的，因此碟形弹簧压缩产生的复位力通过斜面增力机构放大后应该不小于夹紧力，否则卡瓦与钻具之间就会打滑。 卡瓦牙可以设计成一条也可以设计成多条。本次设计中为了更换方便，将牙板设计成一整块，卡瓦牙纵向开有沟槽使液体杂质排除。卡瓦牙板与卡瓦体由燕尾槽连接。卡瓦牙工作表面的硬 度应该较高，通常卡瓦牙表面作渗碳处理，以提高卡牙表面硬度，更好地保证卡瓦的工作质量。 6.2卡瓦牙形的设计 经过以上比较，在对卡瓦牙板的设计中卡瓦牙选择采用横截面为三角形的齿形。卡瓦牙的截面为 带尖 的三角形，尖端跟油管接触，为线 面接触。 为了方便计算 ， 建立立体模型，建模时由于卡 瓦体的体积有限，故不宜把卡瓦牙体积考虑太大，本文采取的数据如图 6-3 所示。为方便研究取 （）为顶角；1（）为齿前角；2（）为齿后角； 61 10PN ， 71 10QN 。 图中所示为讨论的一个特殊情况，即1=2= 12。 利用 ANSYS 分析时设单元属性为nts - 20 - 4node63；材料弹性模量 112 . 0 6 1 0E M P ;泊松比 0.3 。 图 6-3卡瓦牙平面简化模型 图 6-4 顶角 =45受力分析等值云图 并不是等腰三角形的截面的卡瓦牙受力情况最好，由图 6-4 可以明显看出，图中所示为一个顶角 =45的等腰三角形的卡瓦牙截面，其在齿前面和齿后面受应力是不均匀的，唯有在卡瓦牙受载荷 P 和载荷 Q的 合力通过卡牙张角的平分线时候才能使卡牙的齿前面和 齿 后面应力分布均匀。 既然等腰三角形的截面对三角卡牙受力情况并非最好，那就需要对其前后角度进行分析，如图 6-5所示。 图 6-5 卡瓦牙平面简化模型 当1 5 时，卡牙所受应力主要集中在齿前面上，且其齿根部分受应力面积较大，这是因为卡牙受载荷是 P 和 Q 的合力，此合力作用在了卡牙张角靠近齿前面的一侧，导致卡瓦牙容易弯曲变形区域大多分布在靠近齿前角一侧，而且在齿根部位，靠近齿前面的一侧应力变化较大，靠近吃后面的一侧应力变化较小，这样卡牙的主要破坏除了齿尖的磨损，还有齿前面以及齿根部位靠近齿前面的断图 6-6 顶角2 60 ,1 0受力分析等值云图 nts - 21 - 裂。 当1 0、 10、 20、 30、 40、 50时，1 0时其应力变化主要集中在齿前面和齿根靠近齿前面部分，而且齿尖部分应力值较高；1 30时其应力变化主要集中在齿前面，而齿后面应力变化较少，其齿尖部分的应力值比10时减低；1 50时其应力变化主要集中在整个齿面靠近齿尖部分，且应力变化区域比较对称。其原因是在齿尖受横向载荷 Q 和纵向载荷 P 时，其合力大小方向均没有发生变化，但是卡牙张角逐渐变大，导致其张角平分线逐渐靠近1=2时的角平分线，使得其受应力逐渐平均。 如图 6-6至 6-8所示。 0.0E+002.0E+084.0E+086.0E+088.0E+081.0E+091.2E+091.4E+090 2 4 6 8 10路径（牙尖到牙根）/mm应力/Pa 1=0 1=10 1=20 1=30 1=40 1=50屈服值图 6-9 2=60时1卡牙截面应力分布曲线 图 6-7 顶角2 60 ,1 30 受力分析等值云图 图 6-8 顶角2 60 , 1 50 受力分析等值云图 受力分析等值云图 nts - 22 - 而通过对2 60 ，1 0、 10、 20、 30、 40、 50情况作有限元分析时发现其路径与路径点所受应力成反比。 如图 6-9 所示。显然在材料屈服值以下都产生弹性变形，高于此值时则是塑性变形。由此图可以看出1角度越大 曲 线越远离屈服直线，且齿尖越不容易发成塑性变形，而离牙根部越近其应力值越小， 应力值变化越小。 因而， 在设计角度时， =1+2 70 ， 80 ,本设计中取顶角 =70。 6.3卡瓦牙高度 的设计 如图 6-10， 假设轴向摩擦力均匀分布，将轴向载荷产生的应力与径向载荷产生的应力分开考虑，侧重研究卡瓦下边缘关注横截面上的分布弯矩，算出内壁的轴向应力和环向应力，可以给出管柱悬挂力的弹性承载能力近似计算式。 21 2