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60t修井作业自动卡瓦设计【18张图/18400字】【优秀机械毕业设计论文】

资源目录

60t修井作业自动卡瓦设计【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

立体图

-定心轴冒.SLDPRT

-长销轴1.SLDPRT

-长销轴2.SLDPRT

三寸半定心套.SLDPRT

三寸定心套.SLDPRT

六角小螺栓.SLDPRT

卡瓦体-左上.SLDPRT

卡瓦体-左下.SLDPRT

卡瓦座.SLDPRT

卡瓦心轴.SLDPRT

卡瓦牙板-3寸上.SLDPRT

卡瓦牙板-3寸下.SLDPRT

卡瓦牙板-3寸半下.SLDPRT

压块.SLDPRT

压板.SLDPRT

定位销.SLDPRT

小小销轴.SLDPRT

小销轴.SLDPRT

左耳朵.SLDPRT

液压缸.SLDPRT

液压缸活塞.SLDPRT

液压钢轴.SLDPRT

直径10小螺栓.SLDPRT

直径10螺栓.SLDPRT

直径20销轴.SLDPRT

直径8螺栓.SLDPRT

装配体-三寸.SLDASM

装配体-三寸半.SLDASM

轴端挡圈.SLDPRT

连杆小.SLDPRT

连杆.SLDPRT

限位端盖(右).SLDPRT

A0-装配图-三寸平面.dwg

A1-部件图-卡瓦体.dwg

A1-部件图-卡瓦座.dwg

A3-卡瓦座.dwg

A4-三寸半右牙板.dwg

A4-三寸半左牙板.dwg

A4-三寸右牙板.dwg

A4-三寸左牙板.dwg

A4-卡瓦心轴.dwg

A4-右卡瓦体.dwg

A4-右连杆耳座.dwg

A4-右长销轴.dwg

A4-定心套.dwg

A4-左卡瓦体.dwg

A4-左连杆耳座.dwg

A4-左长销轴.dwg

A4-弯连杆.dwg

A4-限位端盖.dwg

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编号：617683 类型：共享资源大小：16.75MB 格式：RAR 上传时间：2016-03-06 上传人：木*** IP属地：江苏

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关键词：: 60 作业功课自动设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份，34页。18400字。
外文翻译一份。
开题报告一份。
立体图一份。

图纸共18张，如下所示
A0-装配图-三寸平面.dwg
A1-部件图-卡瓦体.dwg
A1-部件图-卡瓦座.dwg
A3-卡瓦座.dwg
A4-三寸半右牙板.dwg
A4-三寸半左牙板.dwg
A4-三寸右牙板.dwg
A4-三寸左牙板.dwg
A4-卡瓦心轴.dwg
A4-右卡瓦体.dwg
A4-右连杆耳座.dwg
A4-右长销轴.dwg
A4-定心套.dwg
A4-左卡瓦体.dwg
A4-左连杆耳座.dwg
A4-左长销轴.dwg
A4-弯连杆.dwg
A4-限位端盖.dwg

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
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...............................................................33

摘要
本课题研究内容属于修井井口作业自动化系统中动力卡瓦的结构设计。课题主要目的就是用动力卡瓦实现对管柱的提升，卡紧及悬挂。设计中，利用液压缸施加作用力，经连杆机构的传递，推动卡瓦楔体沿卡瓦座体内锥面上下运动，上行时，卡瓦牙板内径不断增大，使管柱通过；下行时，卡瓦牙板收拢，内径变小，从而卡紧管柱。
对于管柱的卡紧与悬挂，在井口作业中是一个重要的组成部分。动力卡瓦是卡住并悬挂下井的油管、钻杆、钻铤等管柱的必要工具，但是每一种结构的卡瓦都有它的优点和缺点。本课题主要是对动力卡瓦进行结构设计以及对动力卡瓦承载零件的受力分析和强度校核。

关键词：卡瓦；结构；强度；悬挂能力

Abstract
The content of this research are workover operations wellhead automation system dynamics of the structural design of Slips. The main purpose of the subject is to use power to achieve string slips upgrading cards and hanging tight. Design, use of force to exert hydraulic cylinder, the transmission linkage, and promote slips kava wedge blocks along the upper and lower body movement cone, on the line, slips increasing diameter of dental lamina, so that through the string; downlink, the slips drawing in dental lamina, smaller diameter, thereby card string tight.
For the string tight and the suspension of the card, operating in well-head is an important component. Driving force for slips is jammed and flying to go down the pipeline, drill pipe, drill collar, such as an essential tool string, but the structure of each slip has its own advantages and disadvantages. The main issue is the driving force for the structural design of Slips and Slips bearing parts of the power and strength check of force analysis.

Key words: slips; Structure; Strength; Hoisting capacity

一．调研资料的准备
得到任务书后，对课题有了基本的了解，在网上查阅了关于修井作业自动卡瓦的相关资料，并到图书馆查询与其相关的文献资料，为以后的设计过程做好充分准备。
二．设计目的
通过该题目的设计，可以掌握自动卡瓦的结构、作用及特点，培养系统设计及机构创新设计能力，提高将理论知识应用于实践的能力。
三．要求
卡紧方式为4爪楔形块卡紧，采用液压缸驱动。卡瓦两侧伸出有支撑臂，用于安装主、背钳上下移动用的滑道。拟定结构方案时，必须从实际出发，在最大限度满足使用要求的前提下，力求做到结构简单，安全适用，经济合理，技术先进，便于制造和装运。
四．思路与预期成果
通过文件检索和相关资料调研，确定了自动卡瓦整体方案，对结构进行详细设计，最终完成毕业设计。主要研究修井作业自动卡瓦的结构特点，相关方案优选及结构设计计算，相关结构的设计和改进，绘出自动卡瓦的相关图纸及论文的撰写。
五．内容及时间安排
内容：1）设计新型修井用自动卡瓦。
2）绘制自动作业卡瓦总图，自动卡瓦结构部件图和零件图。
3）设计说明书一份。
时间安排：第1、2周：调研分析，确定自动卡瓦结构；
第 3 周：根据工作条件分析载荷情况；
第4、5周：确定自动卡瓦的结构与尺寸；
第 6 周：校核计算与分析；
第 7 周：绘制自动卡瓦总图；
第 8 周：绘制自动卡瓦部件图；
第 9 周：绘制自动卡瓦零件图；
第10、11周：绘制自动卡瓦总图；
第12、13周：撰写毕业设计论文；
第 13 周：参加毕业设计答辩。
六．完成设计的所具备的条件因素：
1.学校给我们提供良好的设计环境。
2.提供专业书籍。
3.老师的耐心指导。

60t修井作业自动卡瓦设计【SW】

内容简介：: 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 1 - 3, is an of by . In of on a is to as a on of to a of , as 4. to on . A 0 is to to to a 1 to of at an of to an 2, 0. it be 1 a 3 4 to at an of 3 4 of a a is to a or a or 1, 13 4 is to as a As be , 5, 16, 17 8 in 1, 13 4. in of 5 7 on 1 of of 6 7 is on of 3 4 of . 5 8 a 9 2, 1, 13 4, 5 8 in a 5 1 to a in 2 of . 5 8 a , B, C, D 5 8 in an be 5, it be 6, 17 8 , in 5 is in an 0 in 5 6 5 an 3 a 4 on a 9. 3 4 in 庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 2 - of a to 9. 3 4 on a 5. 5 is in a 6 in 1 is in a in a 7 in a in an 8 of . 4 of 5 is on 5 7 3 of 5 is 7 8. A 9 is 5 a 0 7 a 1 on of 0 on 3 0 a 2, of of a 2a. 9 2 of 0 of 2. 2, 7 1 an 7 1 is 3, of in 9 is of 9 5 in a 5 is in 7, 9, 0 8. By 5, 5 be a of or or a of a of a or a of a as of a to of to of 5 is 8, 0, 9 7. 5 be to or 7 8, or a or be a be 7 8 by a of 5. 5 8 is a 5a, 17a a to an as 5 8 be of - . of - of - of - of - of - of is 27 250 in 54 500 , 681 750 907 1000 . 5 a be of of in 27 250 in 54 500 , 681 750 907 1000 or 3, 34, 35 to as . 3, 34, 35 庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 3 - 6, 37, 38 a 3, 34, 35. a 9, be or as or A to be is up to of , to , 0 is 0 a 8 on 9 0 a 1 to . A 2 is in a 3 in . 2 to 0, 1 to a 4 of . A 5 is in an 6 in of of to of . 5 to 4 to an 7 is to a 8 of a 9, as . in an 8a 8 in 8 or in a 8b in of 8, 8 7 5 to 4 2 to 0 1 to 8 a 1 on . 2 3 in to of . of 2 3 is in a 4 5 to at a is . of 2 3 is to an 6 7 8 9. of 6 7 to 0. An 1 is in 2 to 0 to in an 3 4 5 of 6 7 to 8 9, a a on 2 3 to . A is or up or is up to 2 of 7 of in - 6 in 3. by in a 6 or of in 3 of 0, 4 4 to 5 to 4 5 of 6 7 to 8 9, a on 2 3 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 4 - to As , or a 6 7 is on of a 8 9 on 0 1 on of . 6 7 as a to a 2 of . 6 7 to 0 1. 2, 93 4 on of in 5, 96 7, as . a of of to 27 250 of in 54 500 , 681 750 07 1000 . be of as 0 is to 27 250 of in 54 500 , 681 750 07 1000 in . , 8 9 8a 9a or to . 8b 9b at so 8b 9b be 8b an 8c a 9d a to of a . is is in of X an is 7. 图 1 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 5 - 图 2 图 3 图 4 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 6 - 图 5 图 6 图 7 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 7 - 图 8 图 9 图 10 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 8 - 图 11 图 12 图 13 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 9 - 吊卡专利通过视图 1 至视图 13 中，对专利机构详细的介绍，显示出这些仪器的发明一般可通过参考示图 1 来实现。这种在钻井工艺中起提放管柱作用的机构，我们通常称之为吊卡。图 1 所示的吊卡是一个两侧分别带有吊耳 3 和 4 的圆柱体，从图14 中我们可以看出吊耳 3， 4 是用来将吊卡的主体部分与吊环连接在一起的零件。开门装置 6， 7 通过销 8， 9 铰链连接在吊卡主体 2 上。自锁装置 10 提供两个插销，用来将门 6， 7 锁在一起，以防止由于机械装置的振动引起的开门装置 6， 7 的意外打开。从图 1 和图 10 中我们可以看出。吊卡主体 2 有一个圆锥内表面 11，其逐渐从顶部向底部的方向与垂直方向成 10 度角。从图 7 中我们可以看出部分圆锥内表面相对接近 180 度。开门装置 6 和 7 都有一个这样的与垂直方向成 10 度角的圆锥内表面 13 和 14。部分圆锥内表面 13 和 14 相对于那些弧度小于四分之一圆的圆弧，其角度大约为 84 度。当开门装置 6 和 7 关闭时，一个完整的圆锥内表面就被确定了。完整的圆锥内表面可能是自上而下按一定比例缩小的直线路径，或可能有轻微的凸或凹的曲率。完整的圆锥内表面 11， 13 和 14 通常被称为一个“碗”。从视图二中我们能看到四个滑块 15， 16， 17， 18 分布在圆锥表面 11， 13， 14上。每个滑块在其工作位置上的相对位置角度略小于 90 度。滑块 15， 17 安装在吊卡主体 2 的部分圆锥内表面 11 上。滑块 16， 17 分别安装在另外两个开门装置 6，7 的圆锥内表面 13， 14 上。每个滑块 15， 16， 17， 18 各有一部分圆锥外表面 19，20， 21， 22，当滑块 15， 16， 17 和 18 位于合适的安装位置时，圆锥外表面 19，20， 21 和 22 与圆锥内表面 11， 13 和 14 是及其符合的。滑块 15 可以沿着圆锥内表面 11 移动，来选择性的进行固定和脱离机构 1 的卡喉 12 中的管柱。滑块 15，16， 17， 18 是通过机构装置 A,B,C,D 来确定它们的移动位置。机构 A 与滑块 15 相对应，尽管实际上它与滑块 16， 17， 18 的装置大体相似。图 9 中，滑块 15 位于一个移动位置，且在图 10 中，滑块 15 和 16 是被省略掉的。滑块 15 中有上部耳状物和下部耳状物位于圆锥外表面 19 上。上部耳状物 23 和下部耳状物 24 垂直排列，并有洞，该中心的配合线平行于圆锥外表面 19。这两个耳状物 23 和 24 是连在销 25 上的。销 25 是安装在圆锥内表面 11 的凸壁 26 上的，且位置相互平行，并在较低的位置开了一个孔，销 25 被固定于机构 2 的上体孔 28 和下体孔 27 之间。滑块 15 的下部耳状物 24 位于销 25 之上，下体孔 27 之下，同样的，滑块 15 的上部耳状物 23 位于上下体孔 27 和 28 之间。弹簧装置 29 安装的销 25 和套筒 30 之间，下到 27 的下部分，上到套筒 30 的边缘 31。套筒 30 的后部 32，其顶部支撑最核心的位置是底部的一个销沟槽 32a。套筒 29 靠在套筒 30 的后部 32 上，支撑在小沟槽 32 的底部。后部 32，体 27 的上部分和边缘 31 一起确定一个开口，并且大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 10 - 当其之间的距离大于上部耳状物 23 是，上部耳状物就能够滑进滑出了。弹簧 29的张力大于滑块的重量，因此弹簧 29 能够保证滑块 15 的上升，移动和固定。销 25 是从洞的下体孔 27 通过弹簧 29、套筒 30 和上体孔 28 卸除的。通过卸除销 25 ，滑块 15 可以删除和更改为不同类型或规格的滑块，不同的规格适合处理不同直径的管柱或不同类型的管柱，如管，这可能需要选取不同类型的管牙，以尽可能的减少管柱表面的损失。销 25 然后通过上体孔 28 放回到套筒 30，弹簧29 和下体孔 27 。销 25 也许是通过线程来参与到下体孔 27 和上体孔 28 的中的，并可由一个安防在上方的销 25 防止从上下体孔中滑落。每个滑块 15， 16， 17 和18 是提供一个顶级的体 15， 17A 和（未显示）有一个洞，以促进撤换 . 对于上面所描述的吊卡，滑块 15， 16， 17， 18 能够更换六种不同直径的套管，第一类滑块针对管径从 8到 8，第二类滑块针对管径从 82，第三类滑块针对管径从 2到 2，2到 2，第五类滑块针对管径从 8到 8，第六类滑块针对管径从 8到 8。吊卡 1 比较适合的负载是 227，还可以负载 454， 681， 907。滑块 15 具有一个较为坚实的机构，这可能是由多种材料制成的抗压缩能力达到了 227 万吨到 250 短吨，其他的也能达到 454 吨到 500 吨， 681 吨到 750 吨， 907吨到 1000 吨以上。这个坚实的机构有三个槽 33， 34， 35，它们如图 5 中所示，自上而下的运行。凹槽 33 ， 34 ， 35 位于机构的较低处。插入装置 36， 37， 38 分别向相应的低处靠拢，同时滑向相对应的凹槽 33， 34 ， 35 。对于牙尖与管柱表面 39 ，可能适合完成这个运动的材料，如碳化钨颗粒，金刚石颗粒，金属牙齿，或任何能够抗压缩的材料。当吊卡的门 6， 7 打开，管柱就被吊卡卡住。从视图一到视图七，我们能够看到自锁装置 10 打开，然后门 6， 7 打开。自锁装置 10 是由锁销 58 组成的。锁销58 的上下两臂 59， 60 通过销 61 铰链接在门 6 上。曲柄连杆 62 安装在门 6 的凸壁63 上。曲柄连杆 62 有两端，一端连接短臂连杆 60 上，其由销 61 铰接。另一端连接在轴承 64 上，并可以绕门 6 的圆销 8 自由转动。长臂连杆 65 连接在吊卡 1 中主体 2 的开口 66 上，开口 66 从吊卡 1 前方贯穿到吊耳 3 的后方。从视图四中我们能看到，长臂连杆 65 有两端，一端连接在轴承 64 上，另一端铰连接连杆 67 上，连杆 67 是连接在往复活塞 68 和泵 69。当往复活塞 68 的环形接触面的液压压力增加或减小活塞 68 的前缸房 68b，活塞 68 伸拉短连杆 67，带动连杆 65 绕轴承 64旋转，接着带动曲柄连杆 62 使自锁装置 10 绕销 61 旋转来，门销 58 脱离门 7 门锁 71。然后门 6， 7 打开。连杆 72， 73 每个都有两端，都安装在通孔里，这两通孔从吊卡 1 的前方贯通到后面。连杆 72， 73 的一端安装在凸壁 74， 75 上，并且相应地固定在销 8， 9 上来控制门 6， 7。连杆 72， 73 的另一端相应地连接在短连杆大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 11 - 76， 77 上，并且相应地绕销 78， 79 转动。短连杆 76， 77 是连接在活塞 80 上。新体 81 是安装在连杆 82 使活塞 80 的行程更长。当液压缸环形槽 83 里的液压压力增加，推动活塞头运动，活塞 84 使活塞杆 85 带动短臂 76， 77 绕销 78， 79 运动，从而传递拉力带动连杆 72， 73 来打开门 6， 7。管柱是摆进或者直接进给的，或由吊卡 1 直接抓住管柱的，通过打开门装置 6和 7 合拢形成吊卡 1 的喉咙 12，并且管柱的毗邻缓冲区 57 安装在端盖 53 的 U 形管 56 处。开门装置 6， 7 的关闭是通过提高环形腔 86 的压力或者降低液压缸 80的腔体内的油液的液压压力实现的。从视图 4 中，我们能够看到液压缸 80 驱动活塞 84，使活塞 84 向左运动并且液压缸体 85 向右运动。活塞杆 84 和液压缸体 85运动足够长，因此推动短连杆 76， 77 的末端，使短连杆 76， 77 绕销 78， 79 旋转。从而传动推力来推动连杆 72， 73 来关闭门 6， 7 进而夹住管柱。我们从视图五中可以看到，塑料或金属材料，最好是软韧性金属，缓冲器 86 和 87 提供的弯曲边缘 88 和 89，它们覆盖位于顶面的门 6 和 7 的板 90 和 91 。该缓冲器 86 和 87 作为管指导，以促进定位管道进入吊卡 1 的喉咙时关闭的门 6 和 7 。该缓冲器 86，87由螺栓 90和 91固定在板上。缓冲器 92 ， 93和 94安装在吊卡 1的覆盖板 95 ，96 和 97 上，如视图 6 所示。开门装置 6， 7 承担了管柱的绝大部分重量，因此设计时必须能承受 227他类型为 454， 681， 907。自锁装置保证门 6， 7 关闭，所以也必须承担当滑块夹紧管柱时产生的压力。自锁装置 10 在设计时必须承担 227，其他类型为 454， 681， 907。我们从视图 3 可以看到，吊耳 3， 4 是由下部耳状物 98， 99 和耳臂 98a， 99 ，它们是焊接在吊卡主体 2 上的。曲臂 98b 和 99b 都是通过销连接的，因此曲臂 98b 和 99b 能够更换。曲臂 98b 有一个整体的耳状物 98c 和小空隙，这个小空隙是用来放吊环装置进来，提升吊卡。这种吊环装置可以在司买到。它是和卡一起使用。在视图 17 中我们能看到这一切。图 1 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 12 - 图 2 图 3 图 4 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 13 - 图 5 图 6 图 7 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 14 - 图 8 图 9 图 10 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 15 - 图 11 图 12 图 13 大庆石油学院学生开题报告表课题名称修井作业自动卡瓦设计 (60t) 课题来源自拟课题课题类型 A 指导教师姓名高胜学生姓名李雪飞学号 050401140507 专业机自05 调研资料的准备得到任务书后，对课题有了基本的了解，在网上查阅了关于修井作业自动卡瓦的相关资料，并到图书馆查询与其相关的文献资料，为以后的设计过程做好充分准备。二设计目的通过该题目的设计，可以掌握自动卡瓦的结构、作用及特点，培养系统设计及机构创新设计能力，提高将理论知识应用于实践的能力。三要求卡紧方式为 4 爪楔形块卡紧，采用液压缸驱动。卡瓦两侧伸出有支撑臂，用于安装主、背钳上下移动用的滑道。拟定结构方案时，必须从实际出发，在最大限度满足使用要求的前提下，力求做到结构简单，安全适用，经济合理，技术先进，便于制造和装运。四思路与预期成果通过文件检索和相关资料调研，确定了自动卡瓦整体方案，对结构进行详细设计，最终完成毕业设计。主要研究修井作业自动卡瓦的结构特点，相关方案优选及结构设计计算，相关结构的设计和改进，绘出自动卡瓦的相关图纸及论文的撰写。五内容及时间安排内容： 1）设计新型修井用自动卡瓦。 2）绘制自动作业卡瓦总图，自动卡瓦结构部件图和零件图。 3）设计说明书一份。时间安排：第 1、 2 周：调研分析，确定自动卡瓦结构；第 3 周：根据工作条件分析载荷情况；第 4、 5 周：确定自动卡瓦的结构与尺寸；第 6 周：校核计算与分析；第 7 周：绘制自动卡瓦总图；第 8 周：绘制自动卡瓦部件图；第 9 周：绘制自动卡瓦零件图；第 10、 11 周：绘制自动卡瓦总图；第 12、 13 周：撰写毕业设计论文；第 13 周：参加毕业设计答辩。六完成设计的所具备的条件因素：指导教师签名：日期： 1、课题来源：课题来源分为结合实际课题和自拟课题两种，结合实际课题中来源于科研课题的要填写确切基金项目、企事业单位项目，不能写横向、纵向课题等。 2、课题类型： A 工程设计； B 科学实验； C 软件开发； D 理论研究； E 应用研究。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）摘要本课题研究内容属于修井井口作业自动化系统中动力卡瓦的结构设计。课题主要目的就是用动力卡瓦实现对管柱的提升，卡紧及悬挂。设计中，利用液压缸施加作用力，经连杆机构的传递，推动卡瓦楔体沿卡瓦座体内锥面上下运动，上行时，卡瓦牙板内径不断增大，使管柱通过；下行时，卡瓦牙板收拢，内径变小，从而卡紧管柱。对于管柱的卡紧与悬挂，在井口作业中是一个重要的组成部分。动力卡瓦是卡住并悬挂下井的油管、钻杆、钻铤等管柱的必要工具，但是每一种结构的卡瓦都有它的优点和缺点。本课题主要是对动力卡瓦进行结构设计以及对动力卡瓦承载零件的受力分析和强度校核。关键词：卡瓦；结构；强度；悬挂能力大庆石油学院本科生毕业设计（论文） he of of of is to to of to on of so in of in is an is to go as an of is of of 大庆石油学院毕业设计（论文）答辩评审表课题名称修井作业自动卡瓦设计（ 60t）学生姓名李雪飞学号 050401140507 指导教师姓名高胜职称教授评审项目评分标准满分得分 A C 选题题型（ 5 分）能体现专业培养目标和综合训练要求，难度份量适中。结合实际或有一定应用价值。基本体现专业培养目标，难度份量过大或过小。基本符合专业训练要求。 5 解决问题能力（ 10 分）文献检索达到专业要求篇数以上，译文翻译准确且内容贴近课题，译文字数 3000 字以上。文献检索达到专业要求篇数，译文基本准确，字数 2000 字以上。 5 设计、实验方案论证、收集资料、综合总结、计算机应用、社会调查及经济分析等解决实际问题能力强。有一定的设计、实验，计算机应用、经济分析、社会调查等能力。 5 设计（论文）质量（ 35 分）内容符合撰写要求、规范，图纸标准整洁。内容 70以上符合撰写要求。 5 理论与分析正确、论述条理清晰、文理通顺、数据详实，结论严谨。理论与分析基本正确、论述基本清晰、通顺。 10 理工类字，文管类字，外语类 8000 词，摘要 300 字左右；摘要、结论能确切地体现主要内容及成果。理工类字，文管类 1万字，外语类 6000 词，摘要300 字左右；摘要、结论基本上体现主要工作内容及成果。 10 有重大改进或有独立见解或有实用价值的创新点。某方面有见解或总结。 10 答辩报告（ 25 分）提纲整洁清楚，时间安排得当，条理清晰、技术用语准确、概念正确提纲、时间安排及报告内容基本符合要求，技术用语和概念基本正确。 10 方案设计合理、计算分析正确、论据充分，成果有应用价值及指导意义。方案设计基本合理，论据较充分，成果有一定意义。 15 回答问题（ 25 分）能准确回答问题，条理清楚，有理有据。基本上能回答主要问题。 25 答辩总分毕业设计（论文）成绩及评语结构分指导教师评分 X%+评阅教师评分 Y%+答辩总分 Z 成绩：评语：注 1：评分等级系数分别为： ABCD 0 注 2： X， Y， Z为结构分的权重系数，各单位按本专业毕业设计（论文）大纲执行。答辩小组负责人签字：年月日答辩委员会负责人签字：年月日大庆石油学院毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名李雪飞专业机械设计制造及其自动化班级 05导教师姓名高胜职称教授课题名称修井作业自动卡瓦设计（ 60t）个人作息时间上午自 8 时至 11 时下午自 14 时至 17 时晚间自 18 时至 21 时个人精力实际投入日平均工作时间 9 周平均工作时间 45 迄今缺席天数 0 出勤率 % 100 指导教师每周指导次数 3 每周指导时间（小时） 9 备注毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容 % 待完成主要内容 % 1. 文献查阅 2. 外语文献翻译 3. 开题报告 4. 修井作业自动卡瓦设计方案 5. 修井作业自动卡瓦受力分析 6. 修井作业自动卡瓦运动原理 50 1. 修井作业自动卡瓦总装图 2. 修井作业自动卡瓦零件图 3. 修井作业自动卡瓦部件图 4. 说明书 50 存在问题 1. 修井作业自动卡瓦的强度校核，不能满足要求。 2. 修井作业自动卡瓦的个别零件达不到预想运动效果 3. 利用计算机绘图时，有些命令不会应用，对绘图软件应用不熟悉指导教师签名： 2009 年 05 月 15 日大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - I - 目录第 1章前言 . 2章卡瓦的发展概况 .内卡瓦的发展概况 .外卡瓦的发展概况 . 3章动力卡瓦总体方案 .力卡瓦的作用及分类 .力卡瓦的工作原理 .体方案的确定 . 4章卡瓦座的设计及校核 .瓦座基本尺寸的确定 .瓦座的受力分析 .瓦座窄面接触的受力分析 .瓦座定心套的设计 .瓦座防扭转措施的设计 .瓦座的强度校核 . 5章卡瓦体的设计及校核 .瓦体的设计 .瓦体的强度校核 . 6章卡瓦牙板的设计 .瓦牙齿面形状布置的设计 .瓦牙型的设计 .瓦牙高度的设计 .瓦牙环形包角的设计 . 7章起升机构的设计 .杆机构的设计 .庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 压缸的选择 .压缸连杆的设计 .杆耳座的设计 .位端盖的设计 .瓦心轴的设计 . 8章结论 .考文献 .谢 .文） - 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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 2 - 第 2 章卡瓦的发展概况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 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 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，虽然大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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。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。美国管、钻杆用气动卡瓦（如图 2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，受海洋平台工人的欢迎。图 2司生产的气动卡瓦大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 5 - 美国 J 0液压动力卡瓦配有一套快速更换系统。 1）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 0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， 0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 2J 0 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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 6 - 第 3 章动力卡瓦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。 127 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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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。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见，这时的卡瓦楔体分别受到经向压力12时在各个摩擦产生了相应的摩擦力1F、和2F。图 3瓦楔体受力分析图 3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4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简化起见，首先，计算分析仅由钻杆重力庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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4 4 4 3s i n c o F(3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 F(3式中，3 4 1 f；4 3 2 f；1 为卡瓦楔体外锥或卡瓦座体内锥的半锥角。由式 (3 (3解得保证楔紧卡住钻柱的条件 1212ta n 1 (3或 121ta n1 ta f (3由式 (3 (3见，由于 0 ，所以只有当21，才能使钻柱被楔紧卡住。因数1靠在卡瓦楔体上安装牙板以增大2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。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3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4即图 3提钻柱时受力分析大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 9 - 4 3 4c o s s i F(3由卡瓦楔体径向受力平衡所得 3 4 3c o s s i F(3 解得 1211f f (3 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13条件下，式 (3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。如图 3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型动力卡瓦的结构 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 11 - 第 4 章卡瓦座的设计及校核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 200此将卡瓦座通径设定为 200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，最好使锥度过对 K=1： 3 与 K=1：种情况进行对比，发现，锥度由 1： 3 增加到 1：，卡瓦施加给管子的最大总压力 P 减少了 32%。试验证明， K=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 =9 27 45），即与竖直方向成。在目前来说，卡瓦的长度一般都不少于 200是最大长度也不超过 400为研究表明，卡瓦长度从 30000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 250 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 50栓长度为 150中螺母采用 6170栓采用 901 瓦座的受力分析卡瓦座承载面厚度的设计需要借助件的应力分析，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： N1 ； Q ； Q=400 = ；大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 12 - 根据图中所示列出以下平衡方程，水平方向： F2 （ 1）竖直方向： F2 （ 2）由方程（ 2）得： Q= 解得 ( =600000N/106 N 图 4瓦体的受力分析故卡瓦座受力大小约为 106 N。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、2 窄面接触，如图 4示。 12 因此，在用软件进行应力分析时，用以承受图 4施加力的是 4个宽为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= = 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 200所要卡紧的管柱直径为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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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 10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。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 15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。瓦座的强度校核图 4瓦座强度校核分析图 1 2 图 4心套示意图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 14 - 由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，到如下图所示结果。图中所示，卡瓦座所受最大应力为 08 N,08 N，经计算可知安全系数约为此壁厚 35同时满足省材与安全条件的最佳值。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 15 - 第 5 章卡瓦体的设计及校核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 60 200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 62可，供加工后的铣刀退刀。卡瓦体整体高度为 250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，也就是卡瓦体需在水平方向上移动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 30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15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、2 ，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，显然大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 16 - c o s x l （ 22 c o h b a l （其中 b 卡瓦底面的宽度； a 燕尾槽的深度；截面底面夹角，且； 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（理得： 1S （从式（以看出在考虑卡瓦体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比值以及卡瓦体环形长度显然，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 。瓦体的强度校核 1 正面 2 背面图 5卡瓦体背锥窄面接触云图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 17 - 如图 5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 /4 总，其中 =60t，所以管柱6 0 0 0 0 9 . 8 5 8 8 0 0 0 N ，单个卡瓦体所受的力为 /4 总5 8 8 0 0 0 4 1 4 7 0 0 0 N 。图 5瓦体强度校核分析图通过图 5力分析图不难看出，将 147000N 施加在凸台上，凸台极限屈服力为 108 N，而它所承受的最大应力为 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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 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寸卡瓦牙板示意图图 6寸半卡瓦牙板示意图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：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。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。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） - 19 - 如图 6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。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

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