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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录第1章 前言.1第2章 卡瓦的发展概况.22.1 国内卡瓦的发展概况.22.2 国外卡瓦的发展概况.4第3章 动力卡瓦总体方案.63.1 动力卡瓦的作用及分类.63.2 动力卡瓦的工作原理.73.3 总体方案的确定.9第4章 卡瓦座的设计及校核.114.1 卡瓦座基本尺寸的确定.114.2 卡瓦座的受力分析.114.3 卡瓦座窄面接触的受力分析.124.4 卡瓦座定心套的设计.124.5 卡瓦座防扭转措施的设计.134.6 卡瓦座的强度校核.13第5章 卡瓦体的设计及校核.155.1 卡瓦体的设计.155.2 卡瓦体的强度校核.16第6章 卡瓦牙板的设计.186
2、.1 卡瓦牙齿面形状布置的设计.186.2 卡瓦牙型的设计.196.3 卡瓦牙高度的设计.226.4 卡瓦牙环形包角的设计.23第7章 起升机构的设计.257.1 连杆机构的设计.257.2 液压缸的选择.267.3 液压缸连杆的设计.27专心-专注-专业7.4 连杆耳座的设计.287.5 限位端盖的设计.287.6 卡瓦心轴的设计.30第8章 结论.31参考文献.32致谢.33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
3、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：、海石油制造有限公司、盐城市特达石油机械、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
4、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。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
5、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
6、 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
7、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
8、然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
9、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
10、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
11、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。20
12、07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
13、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
14、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美
15、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
16、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
17、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。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
18、，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
19、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。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
20、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
21、楔体分别受到经向压力，和，同时在各个摩擦产生了相应的摩擦力、和。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。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 (3-1)根据卡瓦楔体的径向受力平衡条件，当钻柱
22、楔紧卡住状态有 (3-2)式中，为卡瓦楔体与卡瓦座体的摩擦力，；为钻柱与卡瓦楔体之间的摩擦力，；为卡瓦血体与卡瓦座体之间的摩擦因数；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 (3-3)或 (3-4)由式(3-3)或(3-4)可见，由于，所以只有当时，才能使钻柱被楔紧卡住。因数和之间的这种关系，依靠在卡瓦楔体上安装牙板以增大来达到。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
23、液体摩擦。因此，仅由钻柱重力W产生作用时，也总是大于，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，应使主作用力大于反作用力，即 图 3-3 上提钻柱时受力分析 (3-5)
24、由卡瓦楔体径向受力平衡所得 (3-6) 解得 (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，当时，在和满足式(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
25、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
26、，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。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，
27、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
28、瓦座的锥度，也就是tg=0.1667（或=92745），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
29、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：F= Nf ； F=Q ； Q=400 KN ； F= Nf ； =9.47 ；f=0.3 ；f=0.15； 根据图中所示列出以下平衡方程，水平方向： Ncos= N+ Fsin （1） 竖直方向： F= Nsin+ Fcos （2） 由方程（2）得：Q=F= Nsin+ Nfcos 解得 N=Q/( sin+ fcos)=N/0.3372=1.7810N 图4-1 卡瓦体的受力分析故卡瓦座受力大小约为1.7810N。4.3 卡瓦座窄面接触受力分析设计要求
30、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、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
31、= N/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。图4-3 定心套示意图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1045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
32、面下滑，从而使油管顺利通过。 4.5 卡瓦座防扭转措施设计12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
33、 卡瓦座的强度校核图4-5 卡瓦座强度校核分析图由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。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
34、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
35、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、和与卡瓦座内锥面的摩擦力，其主要破坏形式为被锥面的磨损和承受挤压力的塑性
36、变形。另外，在卡紧状态下卡瓦体底部高度为部分承担的是让卡瓦牙卡紧油管管柱的支持力，如图5-1，燕尾槽是用来固定卡瓦牙的，其深度设为,卡瓦体承载面高度 图5-1 卡瓦体剖面图为，其宽度为,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， （5.1） （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；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：（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。
37、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。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
38、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，单个卡瓦体受力大小为，其中=60t，所以 ，单个卡瓦体所受的力为 。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N施加在凸台上，凸台极限屈服力为6.204108 N，而它所承受的最大
39、应力为2.4292108 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。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
40、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
41、小。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。