解析螺杆钻具试验台卡钳的力学分析及计算

解析螺杆钻具试验台卡钳的力学分析及
计算
摘要：随着石油开采需求的增加，相应的钻井难度也越来越大，因此在油田钻井当中对钻具的性能提出越来越高的要求，螺杆钻具是开采油田的主要钻具，并且螺杆钻具在现阶段石油钻井当中，使用试验台对螺杆性能进行检测是主要的途径，而卡钳的稳定性决定了螺杆钻具检测精度，因此对卡钳进行力学分析与计算有助于进一步提升试验台检测螺杆钻具的精度。

关键词：螺杆钻具；试验台；卡钳；受力分析
引言
本次研究的螺杆钻具试验台的床身、卡钳、传动装置可以满足不同规格螺杆钻具的装夹需求。

试验台卡钳性能直接决定了试验台检测螺杆钻具的效果，因此本次研究对螺杆钻具试验台卡钳进行受力分析，目的是为了增强试验台卡钳在检测螺杆钻具过程中的稳定性，确保螺杆钻具在钻井时的质量与效果。

1.试验台结构
图1 试验台结构
本试验台为旋转螺杆钻具转子且密封性能出众的螺杆钻具专业检测设备，由A、B、C、D四部分共同组成，A为前座，B为后座，C为卡持推动总成，D为后卡持。

A端与电机、减速器、动力传动相连构成总成，传动总成输出端连接位置有
输液管螺杆钻具，两个螺杆钻具之间存在卡持推动总成，移动装卡结构具有转角与高度调节装置。

[1]
2.试验台装卡装置
2.1装卡
该试验台的装卡装置存在三种形式：可控制转角、高度的转角装卡结构；可移动装卡装置；螺杆钻具输出端、钻具扶正装置中间固定装卡装置，通过双作用油缸控制每一种装卡装置的卡钳松紧，可以实现卡台移动与老姑夹持。

2.2卡钳受力分析
图1 卡钳受力分析图
螺杆钻具被卡钳夹紧时，螺杆钻具会旋转产生扭力。

已知在卡钳夹紧螺杆钻具的条件下，扭力、夹紧力会产生相同的扭力。

螺杆钻具被夹紧以后，卡钳表面
所产生的径向支反力F
N1、F
N2
，液压油缸对卡钳左右产生的推力记为F
M
、F
M1
，且存
在F
M 、F
M1。

根据力平衡方程计算径向反支力F
N1
：
（1）
解：（2）
根据右侧卡钳力平衡计算：
（3）
从卡钳受力整体的角度出发，结合螺杆钻具力学平衡条件：
（4）式中：D-被卡螺杆钻具直径；
F
1-左侧卡钳与螺杆钻具表面摩擦力，且F
1
=N
1
f；
F2-右侧卡钳与螺杆钻具表面摩擦力，且F
2=N
2
f；
1.
卡钳与螺杆钻具表
2.
面咬合系数
由此计算螺杆泵壳体受到的总径向夹紧力：
（5）
将动载荷系数K考虑进来以后得出实际径向夹紧力：
（6）
选取最大扭矩M=15KN·m，螺杆钻具最大直径D=2.86cm，f=0.7，K=1.5，最终计算得出
将最终计算得出的卡钳夹紧力记为F
s
，
3.试验台装卡机构
3.1转角转卡
转角转卡的安装位置选择在靠近试验台前端，转角转卡采用双卡钳，并且双卡钳并列使用，在满足转角装卡的同时还可以实现在马达、齿条作用下沿床身移
动，卡钳在加紧螺杆钻具以后可以按不同角度、长度沿床身横向移动、以卡钳为中心旋转。

[2]
垂直方向上底板在油缸的作用下支持两端燕尾槽可以上下位移，4、5燕尾槽为分体结构并且使用螺纹联接的方式，在燕尾槽基座垂直方向上预留适当的移动空间。

转角转卡底部与强度足够的底座实现精密、紧固衔接，无论是水平还是垂直方向上均可以满足不同尺寸的螺杆钻具检测，导轨面与导轨接触一侧配有固定角度楔形条，从而弥补导轨面与导轨之间长期摩擦而产生的损耗间隙。

图2 转角转卡
3.2移动装卡
卡钳3与油缸活塞在铰链的作用下联接，并且在油缸5作用下沿着圆轨道A 进行移动并且进一步夹紧螺杆钻具，轴向上钻具也在双油缸作用下上下位移，底座7直接与床身固定连接。

移动装卡组成：与前座固定的滑杆座工四个，其中每两个滑杆座之间都配备了刚度固定的滑杆，并且滑杆与滑套相连，每个滑套与两个支架相连接且每个支架都配备固定的紧液压缸夹具，并且配备可以使用手柄进行调整的夹具。

图3 移动装卡
3.3固定装卡
双向液压缸作用下卡钳沿着燕尾轨道进行移动同时夹紧螺杆钻具两个分离的
燕尾与两块钢板焊接得到燕尾结构，这种分离式的燕尾结构很大程度上降低了了
螺杆钻具的加工难度，不过在燕尾结构焊接加工的过程中难以确保其平行度，因
此为了进一步确保平行度需要在焊接完成以后对平行度再次检验以保正性能的可
靠性。

[3]
图4 固定装卡
3.4联轴器
联轴器可以进一步分为刚性、挠性，刚性联轴器更加适用于对作业存在严格
要求且作业过程中不会出现相对位移的条件下；挠性联轴器更适用于两轴出现倾
斜或存在相对位移的情况下，因此挠性联轴器在传递扭矩的过程中不会传递弯矩，进一步提升螺杆钻具测量精度精准性、持久性、稳定性。

结论
螺杆钻具是现阶段石油开采使用的主要钻具，其质量直接关系到石油开采的
效果。

试验台是检测螺杆钻具精度的主要途径，因此试验台的质量直接决定了螺
杆钻具的精度。

试验台装卡装置需要将螺杆钻具夹紧，对卡钳进行受力分析使其
满足螺杆钻具装夹需求，不同类型的装卡装置可以满足任何情况下螺杆钻具的检
验需求，因此对卡钳进行受力分析确保螺杆钻具监测效果具有重要意义。

参考文献
[1]王冬梅,陈强,王凡,张桂昌.22MDSY螺杆钻具马达试验台的研究[J].山东工业技术,2020(02):91-95.DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2020.02.018.
[2]高晓雷.螺杆钻具试验台应用研究[J].石油和化工设备,2018,21(04):47-50.
[3]孙长峰,杨增辉,罗国宇,张亚昌,徐卫平.螺杆钻具试验台机架的结构与振动分析[J].钻采工艺,2017,40(01):29-32+6-7.。