井下牵引器胀闸结构设计和力学分析

高胜 李丛波 孙文

摘 要：本文介紹了井下牵引器的胀闸结构设计，采用柔性支臂的设计方案，对其进行原理设计及结构设计。通过大型有限元通用软件ANSYS，对弹簧钢片等关键承载构件进行力学分析，根据计算结果，弹簧钢片等构件满足强度要求，符合设计的条件。

关键词：结构设计 柔性 承载结构 力学分析

中图分类号：TE92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0092-03

井下牵引器胀闸结构是实现运动的保障，胀闸结构要提供足够的胀紧力，同时要保证与井壁的接触力足够大，这样才可以保证牵引器达到需要的牵引力。传统的设计方案为四杆结构[1～2]，采用平行四边形的支撑结构来实现胀闸机构的胀紧和收缩，使得机构简单可靠，但是四杆结构占据的空间较大。所以在传统的设计方案上提出一种全新的设计方案，即柔性支臂结构，该结构只是由弹簧片构成支撑臂，结构简单，保证牵引器始终处于正中位置时，由于具有柔性，在胀紧时，弹簧片与井壁充分接触，防止相对井壁产生滑动。所以综合以上所述，本设计选择柔性的胀闸结构。

1 胀闸结构设计

1.1 牵引器原理设计

该牵引器基于伸缩往复运动，主要包括：前后两个胀闸机构和中间的一个伸缩驱动机构。运动原理如图1所示。（图1）a为初始状态，两个胀闸模块的支撑臂撑开压紧管壁。开始工作之后胀闸模块1工作锁止，同时胀闸模块2收回。然后伸缩驱动机构展开，如（图1）b所示直到最大行程，之后胀闸模块1收回，胀闸模块2工作锁止，拖动后面装置向前运动如图1c所示，继而恢复到（图1）a状态。此时系统已经向前运行了一段距离，反复进行从（图1）a到（图1）c运动过程，牵引器就能够不断前进，直到到达目的地。

1.2 胀闸模块设计

柔性的胀闸结构就是采用具有一定弯曲性能的柔性臂[3]，如图2所示，该结构由弹簧片、液压缸、滑套、连杆等组成。开始工作时，柔性臂处于收缩状态，一旦受到压力时，柔性臂会产生弯曲，像灯笼一样胀满井内，与井壁紧紧地接触。由于柔性臂与井壁接触的端面有自锁装置，或者经过特殊的处理，会产生很大的摩擦力，使得牵引器整体被锁住。这种胀闸机构的动力源与四杆机构胀闸是类似的，通过液力装置提供驱动力，进而通过滑套带动柔性臂两端靠近或者远离实现胀闸的胀紧和收缩。

2 胀闸结构有限元力学分析

根据胀闸结构在实际工作中承载的特点，将井壁简化成一个长方体。弹簧片的柔性行走机构的简化模型（如图3）。在井壁的简化实体下端面施加全位移约束，弹簧片一端固定，施加全位移约束，弹簧片另一端铰支，施加Y方向和Z方向的约束。将液压缸的动力转化为等效面载荷，均匀施加到弹簧片铰支一端的截面上，然后进行求解运算。

弹簧片的尺寸参数（见表1），力学性能参数（见表2）。

弹簧片与井壁接触所产生的应力云图（图4a、c、e），可以看出开始接触时，是一个区域与井壁接触，随着载荷的增加，接触应力随之增大，弹簧片与井壁的接触面积增加，接触面积逐渐由一个区域变成两个区域，并由中间向两边进行扩散，同时接触应力大小也有短暂的趋于平稳，这是因为刚开始时，是一个区域接触，当分散成两个区域时，这两个区域就分担了总的接触应力，所以接触应力数值会维持在50 MPa，当两个区域接触处趋于平稳时，接触应力也随之增加。从接触面所产生的应力云图（图4b、d、f），可以看出井壁所受的应力开始也是集中在一个区域，后来逐渐由一个区域变成两个区域，并且接触应力也是随着载荷的增加而增大，在变化的过程中所受的接触应力维持在30 MPa，弹簧片的接触应力值与井壁所受的应力数值不相等，主要是因为两者在材料属性选择上不同造成的。

接触应力随载荷变化的图像（图5）显示载荷小于650 N时接触应力为0 MPa，这是因为根据井下牵引器实际运行的情况，弹簧片与井壁有一定的间隙，载荷小于650 N时，两者还没有接触，当载荷达到650 N时，弹簧片与井壁开始接触，接触应力随载荷的增加而增大。

接触压力随载荷变化的图像如图6所示，接触压力随载荷的增大呈非线性的增加。根据该设计的要求，弹簧片与井壁之间的接触压力应该为5000 N，依据（图5）与（图6）知，当载荷为5300 N时，接触压力为5000 N，接触应力为189.25 MPa，弹簧片的材料为65 Mn，屈服强度为690 MPa，弹簧片的接触应力小于65 Mn的屈服强度，满足强度要求。

3 结论

本文对井下牵引器胀闸结构进行了合理的设计，在支撑臂构件上，采用弹簧片创新性的设计，运用ANSYS分析软件，根据实际情况对物理模型进行简化，建立仿真模型，正确施加荷载与约束的情况下，进行求解分析，满足实际要求，由以上分析可知，在设计要求下，载荷加载到最大值时，弹簧片等关键性构件满足强度要求。

参考文献

[1] 常玉连，邵守君，高胜.石油工业中管道机器人技术的发展与应用前景[J].石油机械，2006，34（9）：122-126.

[2] 刘猛，高进伟，熊万军，等.水平井井下仪器送进技术的现状及发展建议[J].石油矿场机械，2004，33（6）：16-18.

[3] 中国石油天然气集团公司，辽河石油勘探局.套管水平井测井牵引器变径牵引装置[P].中国专利，200720190260.5，2008-08-27.