螺杆转具中空万向轴设计研究

◇西南石油大学成都校区机电工程学院 窦宇祥 高 敬 贺子煜 陈 磊

随着油气勘探钻井作业的逐步推进，普通实心螺杆钻具无法满足现场投球作业的需求，本文针对这一问题，对万向轴的水帽接头、转子接头以及球铰连杆等关键零部件结构设计，完成了中空万向轴的结构设计。利用有限分析进行受力分析结果表明，万向轴的关键零件的强度满足要求。

1 前言

螺杆钻具主要由旁通阀总成、防掉总成、马达总成、万向轴总成、传动轴总成等组成。经过多年发展万向轴总成有多种形式，具体报告花瓣式、挠轴式、球铰接式等多种形式。目前，技术成熟且应用较为普遍的万向轴主要为花瓣式、球铰接式以及挠轴式万向轴。随着油气钻井不断发展，钻井过程中可能需要投放“圆球”，而目前螺杆钻具的万向轴总成主要为实心零件，无法满足“投球”的工艺要求，目前也有科研单位和公司开发了中空螺杆钻具，但在现场应用的效果不是很理想。为了满足工艺要求，本文将主要针对球铰链万向总成进行中空结构设计。

2 中空万向轴结构设计

球绞式万向轴总成主要由水帽接头、球绞连杆、半环、压环（锁紧帽）、滚柱（或滚珠）、承压钢球以及转子接头等结构组成。球绞连杆与两端接头主要通过承压钢球与滚柱连接，接着通过半环和压环锁紧，最后用密封橡胶进行密封。通过承压钢球传递轴向力，连杆两端外圆表面上的滚柱传递扭矩和转速。中间连接杆通过绕承压钢球做定心转动及两端滑到内的滚柱滚动来实现万向作用，中空万向轴的总体结构如图1所示。

图1 万向轴总成结构

球绞连杆的两端通过滚珠实现与转子接头和水帽接头的连接。由于螺杆钻具在工作时主要承受剪切应力，为了提高其使用寿命，两段分别采用了8个滚珠进行铰链。连接杆两段通过绕承压钢球做定心转动及两端滑到内的滚柱滚动来实现万向作用，具体结构设计如图2所示。水帽接头以及转子接头的具体结构设计如图3和图4所示。

图2 球绞连杆

图3 转子接头

图4 水帽接头

3 中空万向轴万向节有限元分析

以172型螺杆钻具为例，利用有限元软件对中空万向轴的关键零部件进行限元分析。

3.1 网格划分及施加载荷

在进行有限元分析时，采用网格适应性更强的SOLID92（10节点的四面体）单元。采用该单元时，曲面边界能够更好地逼近结构的曲面边界，因此当待分析零件结构形状不规则且应力分布或变形较为复杂时，可以采该单元进行应力应变分析。如图5所示，在每一个球铰链的位置施加800Nm的扭矩，攻击6400Nm的扭矩，在螺纹连接侧施加全约束（ALL DOF）。

图5 水帽接头有限元模型

3.2 结果分析

利用ANSYS软件的结果处理器对求解结果进行分析，通过对输出结果进行分析，可以得到关键零件在工作过程中所承受的应力以及发生的应变情况，并以此为依据，判断零部件的强度是否满足设计要求。本文对比分析了实心结构万向轴与空心结构万向轴的受力情况。连接轴以及水帽接头的材质为40CrNiMo，许用压应力[T]＝980MPa，许用切应力[r]=500MPa。

图6 实心球绞连杆的等效应力

图7 空心球绞连杆等效应力

图8 实心水帽接头等效应力

图9 空心水帽接头等效应力

分析结果表明，实心球绞连杆的最大等效应力为149MPa，空心球绞连杆的最大等效应力为155MPa，实心球绞连杆等效应力为350MPa，空心球绞连杆等效应力为441MPa，均小于许用切应力。因此，本文所设计的中空万向轴的关键零部件强度均满足要求。

4 结论

（1）随着油气钻井的快速发展，现场需要投球满足工艺需求，完成了中空球铰链的万向轴设计。

（2）以172型螺杆钻具为列，利用有限软件，对所设计的中空万向轴进行了受力分析，结果表明材料强度足够。