螺杆钻具试验台卡钳的力学分析及计算

唐 剑，张 强，吴志超

（长江大学 机械工程学院，湖北 黄冈 438300）

螺杆钻具是目前在钻井行业被广泛使用的一种液压机械。随着油田开发深度不断加大，钻井难度越来越大，对螺杆钻具的性能要求也越来越高。对螺杆钻具的性能要求不断提高，致使螺杆钻具性能试验的频次不断增大，对螺杆钻具试验台的安全性要求也越来越高。为了提高试验安全性，本文对螺杆钻具试验台卡钳进行了设计研究。

1 结构设计

采用液压卡紧方式设计的螺杆钻具试验台卡钳结构如图1所示。试验台工作时，利用左右两个V型钳座卡紧待测钻具壳体；通过液压油缸驱动钳座在支撑轴上左右移动；通过牙板实现对待测螺杆钻具壳体周向和轴向的卡持定位；通过螺钉将卡钳的主要工作部件牙板固定在钳座上，可定期检查并更换损坏的牙板。卡钳的夹持范围可满足Φ73～ Φ286 mm钻具。

2 卡钳的力学分析计算

当V型卡钳上的钳牙夹紧螺杆钻具壳体时，由于螺杆钻具旋转，产生扭力。根据卡紧的管柱力学条件可知：扭力与夹紧力产生的扭矩相等，受力情况如图2所示。夹紧后，两V型块的表面产生径向支反力FN1和FN2，FM和FM1分别为液压油缸对左右V型块产生的推力，且FM=FM1。

由左边V型块的力平衡方程可求出径向支反力FN1

同理，由右边V型块的力平衡，可求出FN2

对于整个受力系统来讲，根据卡紧管柱的平衡条件可得∑Mxy(F)=0

式中：D为被卡紧管柱直径；F1为左V型块与管柱表面之间的摩擦力，F1=FN1f；F2为右V型块与管柱表面之间的摩擦力，F2=FN2f；……