【正文】 ≥ ，根據(jù)其工作條件的復(fù)雜性，取 2? =10mm。 中心管上節(jié)流小孔的尺寸設(shè)計 （ 1）根據(jù)伯努利方程 221 1 2 2fP V P V gh??? ? ? ? （ 611） 18 中心管節(jié)流小孔簡圖如下：由于 P1是來自 外部的上壓， 相對而言，中心管長度 D1 孔口直徑，則 斷面 11 流速 1V 孔口處流速 2V ， 1V 可忽略不計。 式中 ?? SS S??? ， S 的取值同前 S =，則 ??S? =； ??? =～ ? ?S? ，取系數(shù)為 ，則 ??? =； F 為當 在 坐封力作用 下能剪斷坐封螺釘?shù)牧Γ?F 為 3～ 4KN 由計算 可得： A≤ 2mm ，即 2R? ≤ 2mm ，從而可得： R ≤ ，取 R = 查《機械制圖》 ??15 P329 附表 6，選取 M5 的開槽盤頭螺釘 ， 其長度取為9mm。 （ 2） 軌道螺釘?shù)氖芰Ψ治? 在軸線方向上，當承受上壓的時候，有一部分的作用力是通過襯套傳遞到 軌道螺釘，在傳遞給上接頭，因此軌道螺釘必須 有足夠的強度 ，螺釘需經(jīng)淬火處理使其強度大大提高 ，經(jīng)淬火后的螺釘其強度可達到 800～ 1000MPa，取為800MPa。 （ 2）組成部分： 內(nèi)鎖緊及坐封與解封機構(gòu)由中心管，襯套、卡簧座、卡簧體、卡簧總成以及高壓單管封隔器設(shè)計 21 鎖塊組成 （ 3） 工作原理： 卡簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計是根據(jù)《 軟卡瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用 》 進行改進， 在入井前組裝時利用鎖塊撐起卡簧使其處于工作狀態(tài)；在坐封過程中 ??25 ，液缸上行推動卡簧座上行，當卡簧座上行時其內(nèi)赤與卡簧嚙合，并且單向 鎖緊，封隔器坐封；在解封過程中，中心管上行使鎖塊落入其上的小徑槽中，卡簧在其本身的結(jié)構(gòu)作用力下收回，封隔器解封 。在下井前的組裝中應(yīng)先使其處于工作張開狀態(tài)，坐封過程中就可以直接進行單向鎖緊作用，解封時，上提油管柱，當中心管處的小環(huán)槽向上移動到鎖塊的位置，鎖塊退入環(huán)槽內(nèi)，卡簧的 壓縮力取消，則此時卡簧收回，變回初始狀態(tài)?？ɑ傻膬?nèi)徑為42mm，外徑為 46mm，即卡簧的截面厚度為 4mm，根據(jù)液缸的內(nèi)徑為 53mm，定出卡簧工作狀態(tài)下的位移即撓度為 5mm。假定每截內(nèi)齒寬度為 5mm， 高度為 3mm， 其加工的位置應(yīng)根據(jù)膠筒壓縮的距離確定。 經(jīng)計算 crA = 2in 則 jP == 而壓緊螺母受到的最大壓強為 50MPa ，因此該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。 ，鎖緊瓦總長為 26mm， 外徑為92mm，內(nèi)徑為 74mm，小齒的結(jié)構(gòu)為 90176。 （ 4）卡瓦機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計 1）卡圈的材料選擇 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》上冊第一分冊 P495，選擇 彈簧卡圈 的材料為 3Cr13，高壓單管封隔器設(shè)計 27 并可知該材料的屈服強度為 ? ?? ≥ 。 3）卡瓦的特點 坐 封時四瓣卡瓦張開迅速，經(jīng)淬火處理后的卡齒強度大， 并且卡齒頂為R= 的圓弧，對套管壁損傷小， 能滿足工況條件。 經(jīng)靜力分析，在軸向力（ 坐封力） Wz 作用下，作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 及摩擦力 Wk，公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》： /KZW W n? （ 628） ? ?/ ( )KZQ W ntg a ??? （ 629） 作用在卡瓦斜面上的壓緊力 Rk 及摩擦力 Fk ? ?/ ( s i n t a n c o s )KZR W n a a??? （ 630） ? ?t a n / ( s i n t a n c o s )KZF W n a a?? （ 631） 其中 Wz軸向力，即坐封力， Wz=； Rc套管內(nèi)半徑， Rc=； a 錐體的楔形角， a =20176。主要是為了細化晶粒 ， 均化組織 ， 改善切削加工性 ， 為最終熱處理做好組織準備。為了保持表 面 高硬度 ， 穩(wěn)定組織 ， 消除應(yīng)力 ， 在高頻表 面 淬火后應(yīng)及時進行低溫回火 ， 其工藝是加熱到 200℃ 保溫 2 小時后空冷。 (3)高頻表 面 淬火。 也即是 在卡瓦牙根部，相當應(yīng)力取得最大值 ??26 ，公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》式（ 5） ： 4 221 2 1 2wk R? ? ? ? ?? ? ? （ 635） 式中 ? ? ? ?21. 06 5 0. 02 2 0. 13 7 / 13 5 1U O UR R R R???? ? ? ??? （ 636） ? ?1 2 3 423/ ( / ) ( / )U C C CR R R h R R h R R h R? ? ? ? （ 637） 1 0. 93 5 1. 92 2 / 0. 00 4 /R h r h r? ? ? （ 638） 2 0 .5 3 7 3 .7 0 8 / 0 .0 4 0 /R h r h r? ? ? （ 639） 3 2. 53 8 3. 43 8 / 0. 01 2 /R h r h r? ? ? ? （ 640） 4 2. 06 6 1. 65 2 / 0. 03 1 /R h r h r? ? ? （ 641） ? ?221 ( 4 8 ) c o s 4 2 s i n 2 / 4 s i n t a n ( ) ( s i n c o s )Z C KyW a a a a n R L a a a a? ? ?? ? ? ? ? ?? ?22c o s ( 4 8 ) c o s 4 2 s i n 2 / 2 ( s i n t a n c o s ) ( s i n c o s )Z yW a a a a a n B L a a a a a???? ? ? ? ? ??? （ 642） ? ?? ? 22 ta n c o s / ( s in ta n c o s ) 1 /( 2 ) 3 2 / s in 2Z C KyyW a n B L a a n R L c tg a a? ? ? ?? ? ? ? （ 643） ? ?1sin /(2 )KCBR? ?? （ 644） 帶入數(shù)據(jù)，得： 1R =， 2R =， 3R =， 4R =， UR =， R = 1? =， 2? = 30 K? = 則 4wk? = MPa 而經(jīng)過淬火后的牙齒材料強度可 達到 1000 MPa，因此卡瓦牙齒工作是安全的。 ??28 ，卡齒數(shù)采用六齒， 卡瓦牙面長度取 30mm， 錐體楔形角采用20176。 1）卡瓦的材料選擇 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》上冊第一分冊 P480，選擇 卡瓦 的材料為 40CrMnMo，應(yīng)考慮到卡瓦靠卡齒與套管壁接觸，并且承受 50MPa 的高壓差，因此需要對卡瓦材料進行淬火處理，提高其強度以能安全的在井下工作， 經(jīng)查《機械設(shè)計手冊》知該材料淬火前的強度極限 為 ? ? 980S MPa? ? ，經(jīng)淬火處理后 ，其強度極限應(yīng)遠大于 980MPa 。 ： c=4,k= nP ：取彈簧的中徑為 90mm，則 ? ?238n dP kD? ? ?? = （ 627） 卡瓦 機構(gòu) 的 工作原理 和 結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 1） 設(shè)計原則 卡瓦在工作中起錨定封隔器的作用，防止封隔器的軸向竄動， 使膠筒發(fā)生 溢出現(xiàn)象，以引起膠筒壽命的降低，同時 設(shè)計 也要 考慮到卡齒對套管的損傷。由于 鎖緊瓦的 外 側(cè)表面采用錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)為小齒與中心管 外周的小齒 相嚙合，當 彈簧推動鎖緊瓦前進時，由于彈簧的彈性作用可以使鎖緊瓦有緩沖的前進，當鎖緊瓦受到相反作用力時，由于錐面具有自動鎖緊功能，其內(nèi)側(cè)小齒的結(jié)構(gòu)也能使其鎖緊，從而使錐體只能前進不能后退。 ： 由于卡簧有四塊，所以設(shè)計鎖塊的個數(shù)為 4 個，每塊形狀為環(huán)狀。橫截面寬度為 4mm，總長為 140mm， 這樣的尺寸設(shè)計是合理的 ，符合強度要求 。 方法：卡簧的尺寸設(shè)計采用假設(shè)試算的方法 。 c．與 襯套的螺紋連接尺寸選?。? 其末端的管 螺紋 參數(shù) 的選取參見 《采油技術(shù)手冊》 P679，圓柱管螺紋基本尺寸表，選取 122 ″ TBG 的管螺紋型號 ，長度的選取≥ ，根據(jù)實際情形，選擇長度為 39mm。圓錐管螺紋連接尺寸表）的公扣內(nèi)徑最大為 51mm，以及封隔器最小尺寸只有 50mm符合要求，因此，選擇中心管與上接頭的連接采用 2″ TBG 的接頭，其相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸參見牙型角 55176。 式中參數(shù)說明： 防轉(zhuǎn)螺釘承受剪切力，有前述可知 ? ? SS S?? ? ， S 同前取，則 ? ?S? = ， ? ? ? ? ~ S??? ，取系數(shù)為 ， 則 ??? =。 （ 3）地面提供壓力的泵采用水力活塞泵，參見《采油技術(shù)手冊》 ??7 P245 表245，選取類型為 SHB 43? 43? ? ，其額定沖數(shù)時理論排量為 60（ 3m /日），以每天工作 8 小時計算，其泵的流量為 q =2 310? m/s （ 4）通過小孔的流量 為： Tq =q 2q =2 310? m/ 310? m/s= 310? m/s 通過小孔的流量由式（ 254）可得 ： 2/T g Oq C A P ??? （ 614） 所以小孔開口面積為 OA = 2mm ，由此可得出節(jié)流口的半徑為 。 （ 4） 確定 壓環(huán)的截面 厚度尺寸 3? 由（ 2）分析可知，壓環(huán)承受壓應(yīng)力，在塑性材料中，拉應(yīng)力 =壓應(yīng)力。 （ 4） 襯套在轉(zhuǎn)折處的截面厚度 2? 此處的截面厚度根據(jù)膠筒所受的坐封力來確定，由于襯套在軸向上受到的坐封力 F=，此作用力在該截面上產(chǎn)生剪力，因此根據(jù)剪應(yīng)力計算公式來確定轉(zhuǎn)折處截面厚度。 16 （ 3） 液缸的截面尺寸確定 根據(jù)公式 ? ? ? ?221 C SFRR? ??? （ 69） 式 中 1R封隔器最大外徑， 1R =； CR 液缸的內(nèi)徑； ? ?S? 為極限應(yīng)力，取值同前， ? ?S? = MPa。 （ 2） 安全 系數(shù)的選擇 根據(jù)《 機械設(shè)計 》 ??18 教科書Ｐ 366，對用于材料均勻，載荷與應(yīng)力計算精確時 S=～ ，由于封隔器的工作條件較惡劣，因此選取 S=。其 長膠筒和短膠筒的技術(shù)規(guī)范如下表 ??7 ： 表 66 膠筒的技術(shù)規(guī)范 Ｌ l D d 長膠筒 95 65 115 74 高壓單管封隔器設(shè)計 13 短膠筒 80 50 115 74 根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和壓差求坐封 力 大量使用封隔器的經(jīng)驗表明，坐封載荷的大小取決于膠筒的結(jié)構(gòu)，所承受的工作壓差以及其他因數(shù)。 加之保留了氰側(cè)基 (CN)， 仍具有 丁氰 橡膠的耐 油 性能 ； 2)強 伸 性能和耐磨性能高。 因此采取 軌道螺釘 4 的機構(gòu)，使封隔器在上移過程中定位銷 29 不承受拉力作用，就不會產(chǎn)生拉斷定位銷 29的誤操作而使封隔器解封 。 當封隔器承受上部液壓時，作用力主要由軌道螺釘 4 承擔， 有推動油管下行的趨勢。一般采用 4″～ 6″套管。根據(jù)各油層需要 的注水量安 裝不同直徑的配水嘴，利用配水嘴的節(jié)流損失，降 低 注水壓力，實現(xiàn)分層定量注水；第三種是 自動調(diào)節(jié)配水器，該配水器是通過配水嘴使活塞前后產(chǎn)生節(jié)流壓差，這個壓差作用在活塞上使之控制側(cè)孔過流面積，從而使流量趨于恒定不變。 （ 6） 解封部分 解封部分是使油、套管連通，進而使卡瓦收回，膠桶恢復(fù)原狀、以利于起封的機構(gòu)。在轉(zhuǎn)動管柱坐封封隔器時，扶正彈簧片對套管壁產(chǎn)生足夠的摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱轉(zhuǎn)動。卡瓦也是一種常用的起錨定作用的機構(gòu)，美國使用最多。各部分工作原理如下： （ 1） 密封部分 密封部分 是在外力 (機械力或液壓力 )的作用下，發(fā)生動作，最終密封環(huán)形間隙，防止流體通 過機械，它是封隔器的關(guān)鍵部分，主要由彈性 密封元件，安裝密 圖 31 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)示意圖 封元件的鋼碗、隔環(huán) (擋圈 )和各種防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件構(gòu)成。 對于封隔器本身來說，最關(guān)鍵的部件是彈性密封元件，因為它在很大程度上影響并決定著封隔器系統(tǒng)井下工作