液压动力卡瓦的研究与设计

根据力学平衡条件及前面的推导，各卡瓦牙施加给管柱的径向压紧力的总和 为
P Q1 f1 tan
f1 tan 式中 P ——卡瓦表面正压力；
（5-7）
Q ——管柱重量。
因此卡瓦的最小接触面积 S 为
S

P
压

（5-8）
在管柱直径一定的条件下，卡瓦总周长实际上是一定的，因此求接触面积 S 的目的是确定卡瓦的长度。
改进卡瓦结构的另一途径是增加牙板对管柱的环形包角，以使卡瓦的压力能 更均匀地加到管柱上、这对增加卡瓦的悬重能力，避免卡瓦咬伤管壁很重要。
只有卡瓦面上有足够的正压力，才能产生足够的轴向和周向摩擦力。但如果 卡瓦面上单位面积的载荷过大，一方面可能将管柱挤坏，另一方面也会使卡瓦牙 快速磨损而无法正常工作。
5.4.1 卡瓦卡紧管柱的条件
卡瓦的卡紧过程是靠油管由于自重下行时，与卡瓦牙接触，并且带动卡瓦体 一起下行而逐渐楔紧的。受力情况如图 5.7 所示。在楔紧的过程中管柱的重量 Q 为主动力，在 Q 力的作用下，靠管柱与卡瓦牙之间的摩擦力 F2 带动卡瓦一起下
行，使卡瓦楔紧管柱。因此，卡瓦卡紧管柱的基本条件是管柱下行时能否带动卡 瓦牙而实现楔紧作用。楔紧作用越强，则管柱卡紧越可靠。为此应保证
5.4.6 卡瓦的材料
图 5.9 螺纹型切牙示意 图
卡瓦牙和卡瓦座是卡瓦的主要零部件，卡瓦牙的牙形、 材料和硬度对于卡瓦的卡紧管柱能力、卡瓦牙寿命及保护管 柱体表面等都有很重要的影响。目前大多采用 20CrMo、 12CrNi 之类的低碳合金结构钢作卡瓦牙，经过渗碳淬火后 使其硬度达 HRC43～52 或采用高碳合金钢进行高频加热与
15.88 x16.5 x 18 18.38 x21 x 21 23.75 x22 x23
1 ～ 3½ 6”
150,000
2 1/8 ～ 5 ½ 8-¼” 300,000
2-3/8 ～ 7-5/8 10-3/8” 400,000
963 型
26 x26 x 26 4-½ ～ 9-5/8
12“ 600,000
F2 F 1cos N1 sin
（5-1）
图 5.7 卡瓦受力分析图
式中 F1——卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦力， F1 N1 f1 ； F2 ——卡瓦体与管柱之间的摩擦力， F2 N2 f2 ； N1 ——法向反力； N 2 ——正压力； f1 ——卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦系数； f 2 ——卡瓦体与管柱之间的摩擦系数；
所以
tan f1
（5-5）
卡瓦牙体与卡瓦座之间的摩擦系数 f1 取值范围为 0.05～0.15，当摩擦条件恶
劣时， f1 0.15 ，所以
arctan0.15 831'
（5-6）
即斜角应大于 8°31′才不致于产生自锁现象。在实际应用中，常采用 ＝ 9°27′45"±2′30"，此时锥度 k＝1：3，为标准锥度，便于加工。
5 液压动力卡瓦的研究与设计
5.1 不压井装备卡瓦的工况及要求
卡瓦是不压井装备的核心部件之一，不压井装备在作业过程中，利用卡瓦卡 紧管柱，实现对管柱的控制，防止管柱掉入井内或者从井口飞出。在不压井起下 管柱作业时，卡瓦的工作频率非常高，从而加快卡瓦牙的磨损。此外，卡瓦的工 况也较为恶劣，卡瓦牙接触的管柱表面通常覆盖了一层约有 1mm 厚的锈蚀层或 粘满了原油、水或混合物，有时管柱的表面还盖着一层石蜡等。
这种结构形式具有轴径合一的优点。 不压井装备起下管柱作业时，既要求其具 有良好的可靠性，又要求其结构紧凑，同时还 要考虑产品的制造成本以及使用成本。经过以 上的对比分析，方案一具有卡紧可靠、结构简 单的优点，其装拆、维护也方便，因此，采用 方案一，其驱动方式采用液压驱动。
图 5.5 轴径式卡瓦示意图
板牙形来实现，据资料介绍， f 2 可
达 0.5 之多。这时卡瓦牙与管柱之 间已不能简单地用刚体摩擦来解释 了，实际上彼此有变形、吃入现象。
如果把 f1 ＝0.15，f 2 ＝0.5 代入 式（5-3）中可得出 角稍大于 15°。
因此取 max ＝15°。此时恰为 k＝
1：1.866 的标准锥度（图 5.8）。 实际上，当 15 时， f 2 ＝
（1）必须有当 f2 f1时，才能使卡瓦牙保持平衡，从而卡住管柱。因此使 用时要保持卡瓦牙背部清洁光滑，及时检查卡瓦牙的磨损情况，一旦发现磨损严 重时要立即更换；
（2） 越小，则卡紧越易，但 过小会使卡瓦轴向尺寸过长，并且产生自 锁现象，而且也会进一步增大对管柱的压力。因此，必须合理的确定 。
根据卡瓦开闭频繁，要求卡瓦安全可靠，卡瓦能可靠地卡紧管柱时，既不 能打滑，也不能咬伤管柱。 （2）要求卡瓦的通径有一定的变化范围，正常作业时，小油管能自由通过， 当下放大径的工具如封隔器、配水器时，卡瓦能把直径变大，允许大径工具通过。 （3）要求结构简单，尺寸重量小，便于装拆、维护等。 液压动力卡瓦因其结构紧凑，响应速度高，稳定性容易得到保证，安全可靠。 因此，不压井装备宜采用液压动力卡瓦。
无论是从不产生自锁要求出发，还是从尽量减小卡瓦轴向长度出发，都希望 能增大 。分析式（5-3）可知，当 f1 越小， f 2 越大，则 越大。
减小 f1 的途径可通过提高卡瓦 牙与卡瓦座的加工精度，降低表面 粗糙度和改善润滑条件实现。但在
计算时仍保守地取 f1 ＝0.15，以保 证安全。
增大 f2 的途径是提高牙板材 料，改进热处理条件，合理选择牙
5.3.1 轴向式
轴向式卡瓦开口尺寸的变化与卡紧是 靠液压缸通过连杆铰链机构带动卡瓦体沿 着不动的斜面外壳上下滑动而实现的。其 结构如图 5.3 所示。
这种结构形式的优点是卡紧可靠，结 构简单。突出的缺点是开口尺寸变化较大 时，卡瓦轴向尺寸过长。因此，这种结构 通常用在卡持管径较小的场合。
5.3.2 径向式
资料[26]表明，当锥度 k＝1：3 时，即使在卡瓦牙和卡瓦座的摩擦表面只用水 润滑也能可靠地卡紧管柱，这个锥度对现有各型卡瓦是比较合理的。
我国已颁布了《钻井卡瓦技术条件》的部颁标准（SY5049—84）。其中规定 卡瓦的锥度 k＝1：3，其半锥角 ＝9°27′45"±2′30" 。
5.4.3 最大斜角 max的讨论
300 15.75 4.375
HR-225 225,000 3.50～5.50
950 19.5 8.0
HR-340 340,000 3.50～7.625
1,100 25.0 8.125
HR-600 600,000 3.50～8.625
1,250 25.0 11.125
5.3 动力卡瓦的方案研究
油管卡瓦的结构类型通常有以下几种：
目前卡瓦的长度一般不少于 200mm，但最大长度不超过 400mm，因研究表 明，载荷并不随长度按同比例增加。当卡瓦长度从 300mm 加大到 400mm，所能 增加的轴向载荷不大于 10～12％。
5.4.5 卡瓦牙的牙形
卡瓦牙的牙形对卡瓦的性能有很大影响。确定卡瓦的 牙形既要考虑管子的脏污程度，同时又要考虑卡瓦牙的耐 磨性和牙齿之间消除污物的自洁能力，特别是产生的锈 蚀。根据实际使用的情况，主要有两种牙形被广泛采用。
HR-150 型
HR-225 型
HR-340 型
图 5.2 美国 Hydra Rig 公司生产的液压动力卡瓦
表 5-2 美国 Hydra Rig 公司生产的液压动力卡瓦型号及参数
型号 额定载荷（lbs） 作业管柱尺寸（英寸） 重量（lbs） 开启高度（英寸） 最大通过直径（英寸）
HR-150 150,000 1.315～2.875
图 5.10 凸块型切牙示
淬火。卡瓦牙属于易损零件，其拆换应力求方便。 卡瓦座通常用中碳合金结构钢，铸成后热处理的硬度为 HB207～328。 卡瓦的强度应按最大作用载荷并考虑 25％的可能过载进行计算。计算时所
取的安全系数应不小于 2。
5.5 动力卡瓦的结构设计及力学分析
5.5.1 动力卡瓦的结构设计
5.4.2 卡瓦上提不自锁条件
卡瓦在工作时，必须靠油管上提来实现松卡，然后通过卡瓦的举升液压缸的 举升力把卡瓦牙带出卡瓦座。因此，要求卡瓦座不能产生自锁现象。
卡瓦不自锁的条件是卡瓦斜角 应大于卡瓦牙与卡瓦座之间摩擦角 ，即

（5-4）
为防止卡瓦牙与卡瓦座发生自锁现象，设计时应保证 ，又 tan f1 ，
——斜角；
当卡瓦卡紧后，根据平衡条件有
整理得
Y 0 X 0
F2 F1 cos N1 sin N 2 F1 sin N1 cos
f2

f1 1
tan f1 tan
（5-2） （5-3）
上式就也是卡瓦正常工作的必要条件，分析上式，可以得出以下结论：
1－环板；2－液缸；3－顶丝； 4－滑道；5－滑座；6－卡瓦牙
5.4 动力卡瓦设计的基本理论
对卡瓦机构的分析表明，只有在以下三个 主要值成最佳比例的时候才能可靠地卡住管 柱：卡瓦的倾斜角度、卡瓦与管柱的咬合系数、 卡瓦牙背面与卡瓦座之间的摩擦系数。
图 5.6 补心式卡瓦示意图
1－环板；2－液缸；3－壳体； 4－补心；5－卡瓦座；6－卡瓦牙
图 5.3 轴向式卡瓦示意图
1－环板；2－液缸；3－卡瓦座；4－卡瓦牙
径向式卡瓦的液压缸沿径向安装， 其开口尺寸变化是靠径向液缸推动实 现的，卡紧主要靠液缸推进实现，当然 也有及斜面的楔形作用。如图 5.4 所示。
径向式卡瓦的优点是开口尺寸变 化范围大，轴向尺寸小，方便操作。缺 点是卡紧效果较差。
图 5.4 径向式卡瓦示意图
通过分析国外液压动力卡瓦的结构，结合国内制造技术现状，本文利用 pro/E 软件对卡瓦的零部件进行结构设计，并通过了组装和干涉检验。液压动力卡瓦的 结构如图 5.11 和图 5.12 所示，动力卡瓦由卡瓦座 6、活塞杆 3、压圈 1、连杆 2 和卡瓦牙 4 等组成。卡瓦座上对称设置有两个液缸 7，两个活塞杆连接在一个压 圈上，保证活塞杆的同步往复运动，从而带动两片或四片卡瓦牙在卡瓦座内导向 槽上下移动，实现对管柱的卡紧和松开。