基于Abaqus的挠性轴强度对比仿真分析

李洪利，张 衡，王庆彬，韩新明，李良君，樊思成

（中国石油渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

0 引言

随着我国油气水平井需求大量增长，高效率钻探技术装备的应用对水平井钻井提速具有非常重要的意义。钻井提速或者激进钻井工艺采用大排量、大扭矩，要求172 型螺杆钻具的输出扭矩大于10 000 N·m，同比提高50%以上。在当前大幅增加扭矩的工作参数下，需要对挠性轴进行新型高性能材料改进设计，在保证强度的同时提高冲击功，使轴的抗重载耐疲劳性更加优异。

1 不同材料的力学性能参数

螺杆钻具四大总成中万向轴的受力最复杂，且工况恶劣。由于本项目中螺杆钻具设计输出扭矩超过以往，需要传递扭矩较大，必须增加现有万向轴的强度以提高安全系数。挠轴式万向轴采用钛合金材料，具有寿命长，承受扭矩大等特点，但对材料性能要求较高。本计算主要针对钛合金TC4（Ti6Al4V）与TC17（Ti5Al2Sn2Zr4Mo4Cr）两种材料进行有限元对比分析。表1、表2分别为TC4、TC17 材料力学性能。

表1 TC4 材料力学性能（室温）

表2 TC17 材料力学性能（室温）

2 建立有限元力学模型

螺杆转子通过接头将载荷传递到挠性轴上，轴上的载荷是分布式的，计算过程中可简化为集中力。图1 为螺杆钻具转子轴向力作用简图。作用在螺杆端面上的液体压力降造成的轴向力GP由式（1）计算。

图1 螺杆钻具转子作用力示意

式中：Δp 为螺杆钻具的压力降；（De-h）为转子啮合齿的平均直径Dm，它所限制的面积近似等于啮合线所限制的面积，在该面积上作用的液体压力降；……