旋转导向工具片弹簧强度与疲劳分析
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片 弹 簧 装 配 体 的 模 型 ， 并 运 用 有 限 元 分 析 软 件 ｃ ｓ ｓ ｒｓ 片 弹簧 装 配 体进 行 强度 和疲 劳 寿命 ０ ＭＯ ｗｏｋ对 分 析 ，通 过 对 计 算 结果 的 分析 ，为 片 弹 簧 的结 构 设 计 提供参 考依 据 。
通过螺钉 连接 的两个零件之间的约束设定为 “ 螺栓
天然气技术 ／ ４７
第４ 卷
兰洪波 ，旋转导向工具 片弹簧强度与疲劳分析
第５ 期
可 以 自己设 定 特定 区域 的 网格 密 度 。 由于 片 弹簧 拉 回翼 肋 时 ，其 受力 主要 集 中在 螺 钉连 接处 ，故 可 以 对 片 弹 簧 螺 纹 孔 的 网 格 进 行 加 密 ，提 高 分 析 的精 度 。 网 格 划 分 后 的 单 元 数 为 １ ６ ，节 点 数 为 ４９５
接 头 ” 约束 ，所 以将 翼 肋 与 片 弹簧 之 间 的 约束 定 义 为 “ 栓 接 头 ” 约 束 ，螺 钉 的 预 紧 力 矩 设 定 为 ３ 螺 Ｏ ｎｍ。而片 弹簧 的一 端是插 到 片 弹簧 限位块 中 的限位 ・ 槽 里 ，在 翼 肋 伸 出 ，拉 伸 片 弹簧 时 ，起 到对 片弹 簧 的 限 位作 用 ，所 以将 片 弹簧 与 片 弹簧 限位 块 之 间的
体模 型 ，并运 用有限元分析软件 Ｃ ＭＯＳ ｒｓ 片弹簧装配体进 行强度和疲 劳寿命分析 ，通过分析计算 结果 ， ＯＳ Ｗｏｋ 对
为片弹簧 的结构设计提供参考依据 。
关键词
片弹簧
曩度
疲劳寿命
文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ７ — ０ ５ ２ １ ）５ ０４ — ３ ６ ３ ９ ３ （０ ０ ０ — ０ ７ ０
Ｂ ｋｒ ｇｅ公 司 的 Ａ ｔＴａ ａ ｅ ｈ ｓ Ｈｕ ｕｏ ｒｋ以及 Ｈａ ｉｕｔｎ 司 的 ｌｂ ｒ 公 ｌ ｏ
述 了该物理问题 的有 限元模型。静态算例需要定义 的参数和对模 型进行前处理包 括以下几个方面 ：① 确定分析类型 ；② 定义模型材料 ；③ 确定模型边界 条件 （ 施加的各项约束 ） ；④ 进行网格划分。 建 立 的 片 弹 簧装 配体 模 型 包 含 翼 肋 、片 弹簧 和
中图分 类号 ：Ｔ ８ Ｅ２
０ 引言
一
在 Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 分析 软 件 中进 行强 度分 析 的第 步 是对 模 型 进行 前 处 理 ，需 要 建立 １ 静 态算 例 。 个 算 例 是 由一 系列 参 数 所 定 义 的 ，这些 参 数 完 整 地表
旋转 导 向工 具 是 应 用 非 常 广泛 的高 端 定 向钻 井 工 具 ， 目前 主要 有 Ｓ ｌｍ ｅｇｒ 司 的 Ｐｗ ｒ ｒ ｅ ｈｕ ｂｒｅ公 ｏ ｅ ｉ 与 Ｄ ｖ
Байду номын сангаас
旋 转 导 向 工 具 片 弹 簧 强 度 与 疲 劳 分 析
兰 洪 波
（ 中海油 田服务股份有限公司油 田技术事业部 ， 北京 ０５０ ） ６ ２ １
摘
要
翼肋是旋 转导向工具起 导向功能的重要部件 ，在翼肋伸 出并完成导向后 ，需要快速收 回，以免刮蹭
井壁 和破 坏井眼 ，而片弹簧便是起 快速收 回翼肋 的作 用。所以片弹簧的强度与疲 劳寿命 必须满足要求 ，以避免旋 转导向工具在 井下工作 时翼 肋收回失败 ，造 成旋转导 向工具失效 。利 用Ｓ ｈ ｗｏｋ 三维设计软件 建立片弹簧装 配 ｏ ｄ ｒｓ
２ ０往 ０１
天 然 气 技 术
Ｎａｕ ａ ｓＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｔｒ ｌ Ｇａ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
Ｖｏ ． Ｎ Ｏ． １４． ５
０ｃ． ｔ２０１ ０
第４ ・ ５ 卷 第 期
ｄ ｉ ０ ３ ６ ｊｉ ｎ １７ —９ ３ ． ０ ０ ０ ． １ ｏ：１ ． ９ ９／ ．ｓ ． ６ ３ ０ ５ ２ １ ． ５ ０ ６ ｓ
压 系 统 给 活 塞 提供 动力 ，来 将 翼 肋顶 出一 定 位 移并 支 撑 在 井 壁 上 ，靠 井 壁 给 翼 肋 的反作 用 力 的合 力确 定 旋 转 导 向工具 的导 向方 向 。所 以施 加 在 翼 肋 上 的
在片弹簧装配体模 型建立后 ，运用 Ｃ Ｓ Ｏ Ｗｏ ｓ Ｏ Ｍ Ｓ ｒ 有 ｋ
片 弹簧 限位块 ３ 个零 件 。其 中翼肋 与 片弹簧 是通 过螺 钉连 接 的 ，由于 在 Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ 析软件 中可 以将 Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 分
Ｇ ｏＰｌ ｅ— ｉｔ ｏ ３种 。 其 中 Ａ ｔ Ｔａ ｕｏ ｒｋ的 主 要 导 向 原 理 是 ：３ 个翼肋 同时伸 出支撑 在井 壁 上 ，其 合 力方 向就
限元分 析 软件对 片 弹簧装 配体 进行 分析 。
约束 可以定义为 “ ｍ位移约束” ８ ｍ 。进 行网格划分
时 ，系 统 根据 给定 参 数 自动 进 行 网格 划 分 ， 同时也
收 稿 日期 ：２ １ —０ ０ 修 订 日期 ：２ １ —０ —０ ０ ０ ６— ９ ００ ９ ３ 作 者 简 介 ：兰 洪波 （９ ７一） １７ ，硕 士 ，工程 师 ，从 事 井 下 石 油 工具 的开 发 。Ｅ ｍ ｉ ａｈ ＠ｃｓ ｍ． — ａｌ ｎ ｂ ｏｌ ：ｌ ｍ ｃ ｎ
约束定义 为 “ 接触”约束 ，表 面接触忽略间隙 ，片 弹簧 限位块是固定的 ，所以定义为 “ 固定约束 ” 。翼
肋 是 旋 转 导 向工 具 起 导 向功 能 的关 键 部件 ，是 由液
１ 静态分析
Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ 一 套 强 大 的有 限元 分 析 软 件 ， Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 是 能对 用 Ｓｌ ｗ ｒｓ 立 的实体 模 型进 行各 种 分 析 ，其 ｏｄ ｏｋ 建 ｉ 优点 是 运算 速 度 快 ，并 且 能够 对 装 配体 进 行 分 析 。
是 要 导 向 的方 向 。 当工具 完成 导 向后 ，需 要 快 速 收
回翼 肋 ，不 然 就 会 刮 蹭井 壁 和破 坏 井 眼 。 因此 ，需
要设计能将翼肋快速收 回的弹性装置 ，即片弹簧来 满 足 旋 转 导 向工 具 的要 求 。 而 在 片 弹 簧 设 计 完 成 后 ，为了验证其是否合理 ，需要对片弹簧进行 强度 和 疲劳 寿命 分 析 。采 用 Ｓｌ ｗ ｒｓ ｏｄ ｏｋ 三维 设 计 软件 建立 ｉ
通过螺钉 连接 的两个零件之间的约束设定为 “ 螺栓
天然气技术 ／ ４７
第４ 卷
兰洪波 ，旋转导向工具 片弹簧强度与疲劳分析
第５ 期
可 以 自己设 定 特定 区域 的 网格 密 度 。 由于 片 弹簧 拉 回翼 肋 时 ，其 受力 主要 集 中在 螺 钉连 接处 ，故 可 以 对 片 弹 簧 螺 纹 孔 的 网 格 进 行 加 密 ，提 高 分 析 的精 度 。 网 格 划 分 后 的 单 元 数 为 １ ６ ，节 点 数 为 ４９５
接 头 ” 约束 ，所 以将 翼 肋 与 片 弹簧 之 间 的 约束 定 义 为 “ 栓 接 头 ” 约 束 ，螺 钉 的 预 紧 力 矩 设 定 为 ３ 螺 Ｏ ｎｍ。而片 弹簧 的一 端是插 到 片 弹簧 限位块 中 的限位 ・ 槽 里 ，在 翼 肋 伸 出 ，拉 伸 片 弹簧 时 ，起 到对 片弹 簧 的 限 位作 用 ，所 以将 片 弹簧 与 片 弹簧 限位 块 之 间的
体模 型 ，并运 用有限元分析软件 Ｃ ＭＯＳ ｒｓ 片弹簧装配体进 行强度和疲 劳寿命分析 ，通过分析计算 结果 ， ＯＳ Ｗｏｋ 对
为片弹簧 的结构设计提供参考依据 。
关键词
片弹簧
曩度
疲劳寿命
文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ７ — ０ ５ ２ １ ）５ ０４ — ３ ６ ３ ９ ３ （０ ０ ０ — ０ ７ ０
Ｂ ｋｒ ｇｅ公 司 的 Ａ ｔＴａ ａ ｅ ｈ ｓ Ｈｕ ｕｏ ｒｋ以及 Ｈａ ｉｕｔｎ 司 的 ｌｂ ｒ 公 ｌ ｏ
述 了该物理问题 的有 限元模型。静态算例需要定义 的参数和对模 型进行前处理包 括以下几个方面 ：① 确定分析类型 ；② 定义模型材料 ；③ 确定模型边界 条件 （ 施加的各项约束 ） ；④ 进行网格划分。 建 立 的 片 弹 簧装 配体 模 型 包 含 翼 肋 、片 弹簧 和
中图分 类号 ：Ｔ ８ Ｅ２
０ 引言
一
在 Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 分析 软 件 中进 行强 度分 析 的第 步 是对 模 型 进行 前 处 理 ，需 要 建立 １ 静 态算 例 。 个 算 例 是 由一 系列 参 数 所 定 义 的 ，这些 参 数 完 整 地表
旋转 导 向工 具 是 应 用 非 常 广泛 的高 端 定 向钻 井 工 具 ， 目前 主要 有 Ｓ ｌｍ ｅｇｒ 司 的 Ｐｗ ｒ ｒ ｅ ｈｕ ｂｒｅ公 ｏ ｅ ｉ 与 Ｄ ｖ
Байду номын сангаас
旋 转 导 向 工 具 片 弹 簧 强 度 与 疲 劳 分 析
兰 洪 波
（ 中海油 田服务股份有限公司油 田技术事业部 ， 北京 ０５０ ） ６ ２ １
摘
要
翼肋是旋 转导向工具起 导向功能的重要部件 ，在翼肋伸 出并完成导向后 ，需要快速收 回，以免刮蹭
井壁 和破 坏井眼 ，而片弹簧便是起 快速收 回翼肋 的作 用。所以片弹簧的强度与疲 劳寿命 必须满足要求 ，以避免旋 转导向工具在 井下工作 时翼 肋收回失败 ，造 成旋转导 向工具失效 。利 用Ｓ ｈ ｗｏｋ 三维设计软件 建立片弹簧装 配 ｏ ｄ ｒｓ
２ ０往 ０１
天 然 气 技 术
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第４ ・ ５ 卷 第 期
ｄ ｉ ０ ３ ６ ｊｉ ｎ １７ —９ ３ ． ０ ０ ０ ． １ ｏ：１ ． ９ ９／ ．ｓ ． ６ ３ ０ ５ ２ １ ． ５ ０ ６ ｓ
压 系 统 给 活 塞 提供 动力 ，来 将 翼 肋顶 出一 定 位 移并 支 撑 在 井 壁 上 ，靠 井 壁 给 翼 肋 的反作 用 力 的合 力确 定 旋 转 导 向工具 的导 向方 向 。所 以施 加 在 翼 肋 上 的
在片弹簧装配体模 型建立后 ，运用 Ｃ Ｓ Ｏ Ｗｏ ｓ Ｏ Ｍ Ｓ ｒ 有 ｋ
片 弹簧 限位块 ３ 个零 件 。其 中翼肋 与 片弹簧 是通 过螺 钉连 接 的 ，由于 在 Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ 析软件 中可 以将 Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 分
Ｇ ｏＰｌ ｅ— ｉｔ ｏ ３种 。 其 中 Ａ ｔ Ｔａ ｕｏ ｒｋ的 主 要 导 向 原 理 是 ：３ 个翼肋 同时伸 出支撑 在井 壁 上 ，其 合 力方 向就
限元分 析 软件对 片 弹簧装 配体 进行 分析 。
约束 可以定义为 “ ｍ位移约束” ８ ｍ 。进 行网格划分
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收 稿 日期 ：２ １ —０ ０ 修 订 日期 ：２ １ —０ —０ ０ ０ ６— ９ ００ ９ ３ 作 者 简 介 ：兰 洪波 （９ ７一） １７ ，硕 士 ，工程 师 ，从 事 井 下 石 油 工具 的开 发 。Ｅ ｍ ｉ ａｈ ＠ｃｓ ｍ． — ａｌ ｎ ｂ ｏｌ ：ｌ ｍ ｃ ｎ
约束定义 为 “ 接触”约束 ，表 面接触忽略间隙 ，片 弹簧 限位块是固定的 ，所以定义为 “ 固定约束 ” 。翼
肋 是 旋 转 导 向工 具 起 导 向功 能 的关 键 部件 ，是 由液
１ 静态分析
Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ 一 套 强 大 的有 限元 分 析 软 件 ， Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 是 能对 用 Ｓｌ ｗ ｒｓ 立 的实体 模 型进 行各 种 分 析 ，其 ｏｄ ｏｋ 建 ｉ 优点 是 运算 速 度 快 ，并 且 能够 对 装 配体 进 行 分 析 。
是 要 导 向 的方 向 。 当工具 完成 导 向后 ，需 要 快 速 收
回翼 肋 ，不 然 就 会 刮 蹭井 壁 和破 坏 井 眼 。 因此 ，需
要设计能将翼肋快速收 回的弹性装置 ，即片弹簧来 满 足 旋 转 导 向工 具 的要 求 。 而 在 片 弹 簧 设 计 完 成 后 ，为了验证其是否合理 ，需要对片弹簧进行 强度 和 疲劳 寿命 分 析 。采 用 Ｓｌ ｗ ｒｓ ｏｄ ｏｋ 三维 设 计 软件 建立 ｉ