滑阀卡簧定位力有限元分析与优化.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 期 第 5 O页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0 卜3 4 8 2 2 0 1 0 0 1 0 0 5 0 0 4 滑阀卡簧定位力有限元分析与优化 郝忠献 ， 李根生 ， 高向前 ， 钱杰 ， 郭瑞 昌 1 ． 中 国石 油 大 学 北京 石 油 天 然 气 工 程 学 院 ， 北 京 1 0 2 2 4 9； 2 ． 中国石油勘探开发研究院 采油采气装备研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 为提 高 井下 滑套 开关位 置控制 的准 确性和 安全 性 ， 采 用 Ab a q u s软件 的 间接 方 法对 井下 滑 阀 卡簧定位力进行 了分析 ， 并将 实例分析结果与实验室试验结果和理论计算结果进行 了对比， 结果表 明， 数值模拟计算结果与试验结果基本一致， 计算结果可靠， 卡簧定位效果 良好， 为卡簧的优化设计 提 供 了依 据 。 关键词 滑阀 ； 卡 簧 ； 轴 向 力； 定位 ； 有 限元分析 中图分 类号 T E 9 3 1 ． 2 0 2 文献标 识码 B S l i d i ng S l e e v e C_ Ri n g Po s i t i o n Fo r c e An a l y s i s a n d Op t i mi z a t i o n HAO Z h o n g Ma n ， L I Ge n s h e n g ， GAO Xi a n g q i a n ， QI AN J i e 。 ， GUO Ru i c h a n g 1 ． C o l l e g e o f Oi l a n d Ga s En g i n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Be i j i n g ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9， C h i n a； 2 ． I n s t i t u t e o f Oi l a n d Ga s Pr o d u c t i o n Eq u e p me n t ， Pe t r o l e u m Ex pl o r a t i o n De v e l o pme n t Re s e a r c h I n s t i t u t e， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a Abs t r a c t I n o r de r t o g e t t h e p e r f e c t C Ri ng whi c h f i xe d on t he s l i d i n g s l e e v e，i m p r o vi ng t he a c c u r a c y a nd s e c u r i t y o f t he t o ol s do wn ho l e，t he s t r a i ne d c o n di t i o n o f t he C Ri n g wa s a n a l y z e d by t h e m e t h od of Ab a q us ，a n d t he n g a v e a d e s i g n r e f e r e n c e f o r t he C Ri n g．W he n c omp a r e d wi t h t he r e s u l t ob t a i ne d f r o m t h e l a bo r a t o r y，i t i s d e p e n da bl e ． Ke y wo r d s s l i d i ng s l e e ve； C r i n g； a x i a l f o r c e ； po s i t i o n； p i ni t e e l e me n t a na l y s i s 井 下 滑套是一 种压裂 工具 和裸 眼完井 方 式口 ] ， 直接连接在套管上 ， 在正常作业时， 要将滑套定位在 某一位 置 ， 卡 簧在 滑 套 中主要 起 轴 向定 位作 用 [ 。 当需要 打开或 关 闭滑 套 时 ， 能够 推 动 卡簧 到 另 一个 定位位置 。卡簧受压变形力的大小直接影响其工作 性能， 过小会降低定位效果， 过大会造成推动困难。 因此卡簧的设计和卡簧与轴套 的配合直接影响到工 具 的使 用效 果 和安 全 ， 采用 AB AQUS大 型 通 用 有 限元软件模拟卡簧受力进行分析计算 ， 根据分析结 果可设 计 出定 位力合 适 的卡簧 。 1 卡簧工作原理 卡簧及其工 作原理如图 1 ～2 。将 卡簧初安装 在轴套内的大直径台肩 A， 当给卡簧施加轴 向力时， 卡簧在轴 向力的作用下越过台肩移动到轴套直径较 小处 ， 此 时开 口闭 合 ， 然 后 继 续 移 动 到 下 一 个 台肩 B 。卡簧从 轴套 直径 较 大 的位 置进 入 直径 较 小位 置 的过程 即卡簧的轴向力变化过程。轴套内的台肩是 卡簧的定位结构 ， 保证卡簧在不需要移动时准确定 位 ， 卡簧越过轴套台肩的轴向力 即为卡簧的定位力 ， 定位力的大小关系到卡簧位置控制的准确性， 所以 卡簧 定位 力设计 非 常重要 。 2卡簧受力分析 卡簧受力如 图 3 。为计算卡簧定位力 ， 将其等 效为开 口闭合的力 ， 已知卡簧开口距离 一2 9 mm。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 4 作者简介 郝忠献 1 9 8 1 一 ， 男 ， 河北衡水人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为油气井工程 ， E - ma i l h a o z h x d y x 1 6 3 ． C O rn。 第 3 9卷第 1 期 郝 忠献 ， 等 滑 阀卡簧定位力有 限元分析计算 与优化 图 1 卡簧 图 2 卡簧工作原理 图 3 ，黄 义 力 分 析 根 据 卡 氏第 二 定理 ， 有 ．a U 一 a F F F s s i n 罟 M F R 1 一 C OS 忽 略剪 力 的影 响 ， 设 为 任 意 截 得 圆 环 弧 段 所 对应 的圆心 角 。在弧 微分 d s 中 的变形 能 为 d u 一 卜 舞 d 所 以 9 r 一 刍 J 。 [ F s in of R 1 一 c 。 。 ] [ s i n 1 一C O S ] Rd 设 一2 9 mm， 计算 出使 卡簧开 口闭合的轴 向 力约 为 1 4 5 N。 3有 限元分 析 3 ． 1 建 立模 型 AB AQUS是 进 行 有 限 元 分 析 的 有 效 工 具 ， 可 对 结 构 、 载 荷 与边界 条 件进行 模 拟分 析 ， 同时考 虑大 变 形 、 非线 性 等 响 应 特点 [ 6 。本 文 采 用 的有 限元 分 析模型是三维多体接触组合模型 ] ， 对井下滑阀进 行 简化 建立 模 型 ， 由于卡 簧有 开 口， 所 以不 能按 照对 称 模 型 考 虑 ， 建 立 卡 簧 实 体 模 型 和 模 拟 模 型 如 图 4 ～ 5 。 为 方便 测 量 卡 簧 的轴 向 力 ， 建 立 压 圈作 为 辅助 零件 ， 测 出压 圈 与 卡 簧 之 间 的接 触 力 即卡 簧 的 轴 向力 。实 例 模 型 尺 寸 为 卡 簧 内径 D 1 3 4 mm， 外 径 D 1 5 0 mm， 宽 8 mm， 倒 角 3 3 0 。 。为 减少 网格 数 量 ， 提高计算速度 ， 轴套从 台肩开始建立模型 ， 轴套 台肩倒角与卡簧相 同， 避免线 接触发生锁死 现象。 轴 套直 径为 o 1 4 4 mm。 图 4 卡簧模 型 图 5卡 簧 总 成模 拟模 型 初始装配时， 卡簧 与轴套倒角设置为加 载荷步 后 接触 ， 压 圈端 面 与卡簧 端 面定义 为 初始 接触 ， 卡簧 倒角斜面在加载步 中与轴套台肩斜 面接触 ， 并 且设 置输 出载荷 为压 圈 与 卡 簧 端 面 接触 载 荷 ， 即轴 向载 菏。在定义求解选项时， 需要考虑时间步长必须足 够小 ， 以描述适 当的接 触可 打 开 自动 时 间步 长 ] 。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 1 月 3 ． 2 计算 结果 图 6为卡簧 总成 的 Vo n Mi s e s 等效应 力分 布云 图 ， 可以看出， 应力分布 比较均匀， 只有在卡簧开口 与轴套接触处发生 了应力集中现象。图 7为卡簧的 Vo n Mi s e s 等效 应力分 布云 图 ， 可 以看 出 ， 发生 塑性 变形区是在卡簧开 口处， 这主要是因为卡簧被径 向 压缩 时 ， 开 口倒角 面与轴套 接触力 最大 ， 引起 了塑性 形变 如图 8 。图 9 为卡簧轴 向力随加载时间步的 变化情 况 ， 1 ～ 1 ． 5步是 卡 簧 与 轴套 配合 摩 擦 力 ， 从 1 ． 5步 开始 卡 簧 倒 角 面与 轴套 端 面 接触 ， 此 时卡 簧 发生变形 ， 最大轴 向力发生在卡簧变形最 大时， 为 1 0 0 6 9 ． 8 N， 即卡簧通过台肩。 图 6 卡簧总成等效应 力云 图 图 7 卡簧变形后等效应力云图 图 8 卡簧开 口倒角面应力集 中局部放大 4结 果对 比分 析 a 根据卡簧模型数值分析结果， 所需最大轴 向力为 1 0 0 6 9 ． 8 N， 室内卡簧试验 如图 1 0 结果为 8 8 0 0 N， 数 值模 拟结 果 与实 际试 验结 果 误差 在 1 5 以内， 可以应用。但理论计算结果与实际试验 结果相差较大 ， 主要是理论模型未能完全考虑卡簧 受 力状态 ， 有待 进一 步研究 。 时间步 图 9 卡簧轴 向力与加载时间步关 系 图 1 0实验室试验 b 数值 模拟 中卡簧 开 口处 的应 力集 中现象为 实验室试验提供 了重要参考 ， 根据此结果 ， 将开口端 面尖角倒圆并进行 了光滑打磨处理 ， 防止 了卡死现 象 的产生 。 c 卡簧定位力随卡簧宽度、 厚度和倒角的增 加 而增大 。 5 结 论 1 建立了卡簧工作受力模型 ， 卡簧定位力有 限元分 析结 果与实 验室 试验 结 果误 差 在 1 5 以内 ， 可以供卡簧定位力设计参考 。 2 卡簧定位力还随卡簧宽度、 厚度 和倒角的 增 加而增 大 。 3 针对卡簧结构存在应力集中问题提出了优 化措施 ， 对于卡簧的改进具有指导作用 。 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 2 2 O O O O O 0 O O O O 0 O 0 O {；i} e e e e e e e e e e e e e 3 3 3 3 3 2 21 O 9 7 61 6 8 O 2 4 6 8 2 211l 6 1 9 8 6 4 2 O O 2 4 6 8 4 2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 期第 5 3页 石 油 矿 场 机 械 0I L FI E LD EQUI PME NT 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 2 01 O 01 0 05 3 0 4 油 管喷砂 生产 线除 尘系统设计 王金东 ， 杜永军 ， 孟庆 武 ， 宋玉杰 大庆石油学 院 机 械科 学与工程学 院， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘 要 油管表 面喷砂 处理 大 多采 用的是 喷料 为普 通硅 砂 的 开放 式喷砂 设备 ， 存在 严 重 的环境 污 染 问 题 。为 实现 油管 内、 外表 面的 自动 化喷砂 处理 ， 改善 工作 环境 ， 使粉 尘排放 达标 ， 提 出 了由重力 沉降 室、 旋风 除 尘器 、 袋式 除 尘器组 成 的 3级 除 尘 系统 ， 并 完成 了适 用于 油管 内、 外表 面喷砂 的 2套 除尘 系统 的设 计和 关键 设备 的优 选 。 关键 词 油管 ； 干式 喷砂 ； 硅 砂 粉 ； 3级 除尘 系统 中 图分类 号 T E 9 3 1 ． 2 0 5 文 献标 识码 A De s i g n o f Du s t Re mo v i n g S y s t e m o f S a n d b l a s t i ng Pr o d u c t i o n Li n e f o r Oi l Pi p e W ANG J i n d o n g， DU Yo n g j u n ， MENG Qi n g wu， S ONG Yu j i e Co l l e g e o f Me c h a n i c al S c i e n c e a n d En gi n e e r i n g，Da q i n g Pe t r o l e u m I n s t i t u t e ，Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e s a n dbl a s t i n g of o i l pi pe s ur f a c e，t he o pe n e qu i pme nt i s mos t l y a d o pt e d，a n d t he o r d i n a r y s i l i c on s a nd i s us e d f o r t he s a n db l a s t i n g m a t e r i a 1 ． The s e r i ou s e nv i r on m e nt po l l u t i o n pr o bl e ms a r e pr e s e n t i n t he pr o c e s s of t he s a nd bl a s t i ng ． I n o r d e r t o r e a l i z e t h e a ut oma t i c s a nd bl a s t i n g on i n t e r na l a nd e x t e r n a l oi l p i pe s ur f a c e，i mpr o ve t he wo r ki ng e nv i r o nme n t，a t t a i n t he c r i t e r i o n of du s t d i s c ha r g e，t he t h r e e s t a ge du s t r e m o v i n g s ys t e m i s p ut f o r wa r d，wh i c h c o ns i s t s o f gr a v i t a t i o na l s e d i me nt a t i o n c ha m be r，c y c l o ne d us t e xt r a c t o r a nd b a g t y pe d us t e x t r a c t o r ．Two du s t r e mo vi n g s y s t e m ha v e be e n de s i g ne d r e s pe c t i ve l y f o r t he s a ndb l a s t i ng o f i nt e r n a l a n d e xt e r 一 参考文献 [ 1 ] Mu l t i p l e L a y e r C o mp l e t i o n s f o r E f f i c i e n t Tr e a t me n t o f M u l t i l a y e r Re s e r v o i r s r R] ． I ADC／ S P E 1 1 2 4 7 6 ． [ 2 ] No v e l T e c h n o l o g y R e p l a c e s P e r f o r a t i n g a n d I mp r o v e s Ef f i c i e n c y Du r i ng M ul t i pl e La ye r Fr a c t ur i n g Op e r a t i o n s [ R ] ．S P E 1 0 7 7 3 0 ． [ 3 ] 高雪峰 ， 梅明霞 ， 姜静 ， 等． 大井 眼卡簧 式铅封 防砂 封 隔器 的研制 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 0 5 3 5 5 ． [ 4 ]王 世 民， 李 颖． 卡簧 式 钻 具 打 捞器 [ J ] ． 探矿 工 程 ， 2 0 0 2 4 3 2 ． [ 5 ] 丛伟 ， 孙 明祥． 圆截 面 卡簧 的设 计探 讨 E J ] ．机械 设 计 与制造 ， 2 0 0 3 2 5 9 6 0 ． [ 6 ] [ 7 ] 2 8 ] [ 9 ] 赵 焕 卿 ， 畅元 江 ． 基 于 Py t h o n的 ABAQUS后 处 理技 术 在隔水管静态分析 中的应用 [ J ] ． 石油 矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 1 - 5 ． 张红刚 ， 胡 玉平 ， 李 国祥 ， 等． 基 于 AB AQus的连杆 的 有限元计算 分析 [ J ] ． 现代制 造技 术与装 备 ， 2 0 0 8 6 6 8 7 0． 孙宝全． 多相 混输泵 叶轮 叶片强度 有 限元分 析 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 7 3 4 3 8 ． 于艳艳 ， 王旱祥 ， 苗长 山． A NS YS在水平井套管可下人 性 分析中的应 用 [ J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 5 6 7 6 9． 79 ． 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 2 8 基金项 目 黑龙江省科技攻关项 目 G Z 0 7 A5 0 2 ； 大庆市科技攻关 项 目 S GG 2 0 0 6 0 0 4 作者简介 王金东 1 9 6 4 一 ， 男 ， 山东诸城人 ， 教授 ， 博 士 ， 从事 机械设 备故障诊断 、 石油机械设备等方面 的教学与科 研工作 ， E ma i l n a n x i q i a o s i n a ． C O rn。