【正文】 =20176。；aa 　　　　Ly卡瓦牙面長(zhǎng)度，Ly=30mm； 　　　　h 牙高，h=； 　　　　r 牙根刀角半徑，r=； 　　　　n 卡瓦片數(shù)，n=4； 摩擦角，取卡瓦與套管壁的摩擦系數(shù) =，則 =176。? ??經(jīng)計(jì)算： = = =高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)29 =計(jì)算在 Qk、Rk、Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布： （632）1/QkKA?? （633）2R 　　　　　　 （634）3/FkK式中 作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 的受力面積， =Ly=2355 ；1A 2A2m 作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk 的受力面積， = ；2 3 摩擦力 Wk 的受力面積， = 。3 4Am經(jīng)計(jì)算得： =? = =對(duì)于作用在卡瓦牙面上的摩擦力 Wk，其主要對(duì)壓根產(chǎn)生彎矩。也即是在卡瓦牙根部，相當(dāng)應(yīng)力取得最大值 ，公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》式（5）：??26 （635）42112wkR?????式中　　 （636）????????? （637）??123423/(/)(/)UCCChRh?? （638）? （639）278//R? （640）3..?? （641）462/3/rr? ?21(8)cossin4sinta()sincos)Z CKyWaaRLa? ??? ?? 22cs4i2/it(iZ yB? ????? ?（642） ????22tancos/(sintacos)1/(2)3/sinZ CKy yBLnRLctga???????（643） （644）??1si/(2)KCR??帶入數(shù)據(jù)，得： =， =，12=， =，3430=， ==， =?2?=?則 = MPa4wk而經(jīng)過(guò)淬火后的牙齒材料強(qiáng)度可達(dá)到 1000 MPa，因此卡瓦牙齒工作是安全的。將 Wk、Qk、Rk、Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布計(jì)算后；再根據(jù)彈性疊加原理，將上述 4 個(gè)外力單獨(dú)作用下的應(yīng)力值 、 、 、 相疊加，得卡瓦的4wk?QkRkFk?總應(yīng)力值 ：?=因經(jīng)淬火處理后，其強(qiáng)度極限應(yīng)遠(yuǎn)大于 980 ，所以卡瓦的總體結(jié)構(gòu)尺寸合理，MPa在工況條件下使用安全，能起到單向錨定作用5）卡瓦熱處理工藝 的確定??3 根據(jù) 40 CrMnMo 鋼性能及卡瓦的使用要求，確定如下熱處理工藝：正火、調(diào)質(zhì)、高頻表面淬火、低溫回火。 (1)正火。在鍛造后進(jìn)行正火處理，工藝是加熱 860℃保溫 2 小時(shí)后空冷。主要是為了細(xì)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(zhǔn)備。 (2)調(diào)質(zhì)。在粗車后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其工藝是加熱到 860℃保溫 2 小時(shí)，油冷，再加熱到 600℃保溫 1. 5 小時(shí)，空冷至 400℃保溫 1 小時(shí)，然后油冷。其目的是為了使鋼獲得一定強(qiáng)度、塑性、硬度和切性、具有良好的綜合機(jī)械性能。 (3)高頻表面淬火。卡瓦的牙齒要求有較高的硬度，故采用高頻表面淬火。感應(yīng)圈是根據(jù)卡瓦形狀和局部淬火的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。 (4)低溫回火。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(shí)進(jìn)行低溫回火，其工藝是加熱到 200℃保溫 2 小時(shí)后空冷。1）定位銷的材料選擇根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P519，選取定位銷材料為 HT200，其抗拉強(qiáng)度 180MPa。b??2）定位銷的尺寸選擇定位銷的尺寸根據(jù)解封力的大小確定，因封隔器的坐封力為 ，并且卡瓦與套管的摩擦力為也為 ，為了使定位銷能在卡瓦與套管咬合的狀態(tài)下拉斷，因此解封力應(yīng)遠(yuǎn)小于摩擦力，試取解封力為 80～100KN。根據(jù)公式： （645）??/FA??定位銷的個(gè)數(shù)根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定為 12 個(gè)，則每個(gè)定位銷的所受作用力為：高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)31 =～ （646）12F?總因?yàn)?=，而 =～，??bS??????~8??所以 ≤，從而定位釘?shù)闹睆綖?D≤8mm。A根據(jù)《機(jī)械制圖》P329 附表 6 取定位釘?shù)囊?guī)格為：M6。 解封方式以及解封力的確定（1）設(shè)計(jì)原則：解封方式設(shè)計(jì)的原則是解封方式可靠，簡(jiǎn)單、并且迅速，同時(shí)不損壞套管、膠筒。（2）解封方式確定：右轉(zhuǎn)油管 500～800Nm，防轉(zhuǎn)剪釘被剪斷，上接頭相對(duì)襯套右轉(zhuǎn)，軌道螺釘從上接頭周圍方向的槽滑入與軸線平行的直槽內(nèi)，上提油管剪斷定位銷 26，帶動(dòng)上接頭、中心管上行，同時(shí)卡瓦收回，而密封膠筒、膠筒壓環(huán)和卡簧座等組成的外工作筒依靠膠筒與套管的摩擦力保持不動(dòng)，當(dāng)鎖塊滑動(dòng)到中心管的小徑槽中時(shí)，使卡簧失去其支承力，在膠筒的反彈力及自身的回收力作用下回收，膠筒靠彈性推動(dòng)液缸下行，膠筒恢復(fù)原狀，封隔器完成解封。（3）解封力的確定：解封力按前述設(shè)計(jì)定位銷時(shí)確定，為 80～100KN。 封隔器坐封高度的確定根據(jù)《油田用封隔器及井下工具手冊(cè)》P9，式（11）得到坐封高度的近似計(jì)算公式： （647）21XHLS????=式中 封隔器坐封高度 坐封前，封隔器以上油管柱長(zhǎng)為 時(shí)的自重伸長(zhǎng)；L= L 中性點(diǎn)以上油管自重伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；1 中性點(diǎn)以下油管自重壓縮長(zhǎng)度；2 膠筒壓縮距。S因?yàn)?P=25492 公斤 q= 公斤/米（根據(jù) YB23963 標(biāo)準(zhǔn)查得）所以 =P/q= 米2L因?yàn)?L=2022 米所以 = L= 米12因?yàn)閞= 公斤/厘米， = 公斤/厘米 ， =10 公斤/厘米o(hù)r3E6332則 （648） 2()orLLE??= 26()???? （649）2 211 6()(..) c? （650）2 22 6()(.) cmE??? ??=且 S=所以 H= =??= 效核 根據(jù)封隔器的各部分結(jié)構(gòu)以及在井下的工作條件，判斷出需要效核強(qiáng)度的部件。 卡簧結(jié)構(gòu)（1）判斷危險(xiǎn)截面對(duì)于卡簧結(jié)構(gòu)，如下圖，由于主要承載坐封力 F，因此受到壓應(yīng)力，并且由于卡簧是在撐開狀態(tài)下受到 F 的作用，因此 F 的作用力并沒有作用在截面形心上，因此需要將作用力向截面形心簡(jiǎn)化，得到一個(gè)軸向力 F 和一個(gè)彎矩 在 P 點(diǎn)還要承Ｂ yＭ受鎖塊對(duì)卡簧的作用力，在 C 點(diǎn)處也產(chǎn)生一個(gè)彎矩 。因此截面 A 處應(yīng)力最大，CyＭ需要對(duì) A 處進(jìn)行效核。（2）在截面 A 處：抗彎截面系數(shù)： = （651）??W=3m高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)33 圖６－4 卡簧的載荷分析圖（3）卡簧的強(qiáng)度效核其中：P 為鎖塊對(duì)卡簧的作用力，前述已求解 F 為膠筒施加給卡簧的坐封力，已知。根據(jù)它們的作用方向和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布，可判斷出最大應(yīng)力發(fā)上在卡簧端部截面上，其值為： （652）maxaxmmaxyyBcMFAII???其中： =Fy=624555== =39。max =（前面已計(jì)算）maxycI=339 .00MPa2645()/FARr???帶入數(shù)值可得 =++=＜ ，因此卡簧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。max???b? 卡瓦結(jié)構(gòu)卡瓦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度效核已在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)進(jìn)行，此不重復(fù)。效核后的卡瓦結(jié)構(gòu)能在工況條件下正常工作，起到單向錨定作用。 膠筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度效核膠筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度效核已在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)進(jìn)行，效核后的膠筒能滿足承受50MPa 高壓。 效核接頭和油管的連接強(qiáng)度接頭和油管的連接強(qiáng)度公式參考《石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和管線管34性能計(jì)算》 （46）式 ：??30 （653）()PjYDd???其中： 材料規(guī)定最小屈服強(qiáng)度， =78184psi；PYP D接頭外徑，D=； d接頭內(nèi)徑，d=。經(jīng)計(jì)算可得：==該高壓封隔器承受的壓力為 50MPa，遠(yuǎn)小于接頭和油管的連接強(qiáng)度 ，因此強(qiáng)jP度足夠，能滿足工況要求。 中心管的強(qiáng)度效核對(duì)于中心管，可以分段對(duì)其分析。在鎖塊相對(duì)應(yīng)的收回小孔處，其結(jié)構(gòu)較薄弱，壁厚為 7mm，該處內(nèi)半徑為 25mm，外半徑為 32mm，在坐封過(guò)程中，中心管承受坐封力，此時(shí)中心管承受壓力作用，在解封過(guò)程中，由于要右轉(zhuǎn)油管，同時(shí)帶動(dòng)中心管旋轉(zhuǎn)，此時(shí)中心管受到扭矩作用，當(dāng)上體油管過(guò)程中，中心管受到拉力作用。由于各種力不是同時(shí)作用，因此因分別進(jìn)行計(jì)算，效核該處強(qiáng)度。（1）坐封過(guò)程中，該處承受壓力，以及離心泵提供的上部液壓產(chǎn)生的內(nèi)部剪切力。根據(jù)選取中心管材料為 35CrMo，確定其抗拉強(qiáng)度為=， =。b???S?只要滿足以下公式，則該結(jié)構(gòu)就合理安全。公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》（1）式： （654）2 2()babadPDPdr????? （655）24()N?其中：N=， =64mm， =50mm，因?yàn)榻?jīng)過(guò)前邊的計(jì)算已得出中心管受到液d壓力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為 ，即 =， =，??N?經(jīng)計(jì)算得該處產(chǎn)生的最大應(yīng)力為： = MPa＜ =， （656）2N??????S因此該結(jié)構(gòu)在坐封過(guò)程中是安全的。（2）解封扭轉(zhuǎn)管柱過(guò)程中，該處承受扭矩，最大剪應(yīng)力發(fā)生在該截面上，由于其抗拉強(qiáng)度為 =， =，則其剪應(yīng)力b???S?高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)35=。????~8???只要滿足以下公式，則該結(jié)構(gòu)在此種情況下合理安全， （657）??maxPTW??其中　　 旋轉(zhuǎn)管柱的力， =500～800N；T 　 抗扭截面系數(shù)， ， ，則 = 。PW??3416PR???1ORa?PW3m經(jīng)計(jì)算得：=124～198Pa＜maxPTW???因此該結(jié)構(gòu)在此過(guò)程中是安全的。（3）上提管柱過(guò)程中，該處承受拉力，最大拉應(yīng)力發(fā)生在該截面上，其抗拉強(qiáng)度為 =，只要滿足以下公式，則該結(jié)構(gòu)在此種情況下能安全工作，b? （658）????12SoFR????其中： =80～100KN， =32mm， =25mm，經(jīng)計(jì)算得：1F1=～＜ =，??2o????S因此該結(jié)構(gòu)在此過(guò)程中是安全的。 套管的強(qiáng)度效核經(jīng)過(guò)對(duì)套管的受力分析，在卡瓦處受到卡瓦的徑向力，該徑向力將對(duì)套管產(chǎn)生剪切力。只要產(chǎn)生的剪切力小于套管的屈服強(qiáng)度，則封隔器工作安全，公式見《井下工具零件應(yīng)力分析》 （1）式： （659）2 2()babadPDPdr?????其中 套管內(nèi)徑， =；d套管外徑， =；D套管外壓力， =0；bPbP套管內(nèi)壁受到的力， =；a a套管的厚度， =9mm。rr經(jīng)計(jì)算得： =。??套管材料選用為 P110 級(jí)鋼，根據(jù)《石油天然氣工業(yè) 套管、油管、鉆桿和管線管性能計(jì)算》P9，式（19）P110 級(jí)鋼的最小塑性擠毀壓力：34980175/PpDt?? （660）36根據(jù) P8，表 2 塑性擠毀壓力公式系數(shù)和 范圍，可查得 P110 級(jí)鋼的 的/Dt /Dt范圍為 ~，取 =，則可算得：/Dt ==因此 =＜ =??Pp所以套管的強(qiáng)度能承受卡瓦對(duì)其施加的徑向力，封隔器能正常在井下工作。 接箍的強(qiáng)度效核由于在下接頭處的接箍在工作中要承受拉力和液體對(duì)其的壓力作用，因此需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度效核。（1）接箍?jī)?nèi)的屈服壓力屈服壓力公式參考《石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿