【正文】 材料和尺寸選擇 。 (4)低溫回火?？ㄍ叩难例X要求有較高的硬度 ， 故采用高頻表 面 淬火。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。 (2)調(diào)質(zhì)。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。 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 4wk? 、 Qk? 、 Rk? 、 Fk? 相 疊 加 ，得卡瓦的總應(yīng)力值 ? ： ? = 因經(jīng)淬火處理后，其強(qiáng)度極限應(yīng)遠(yuǎn)大于 980MPa ，所以卡瓦的總體結(jié)構(gòu)尺寸合理，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 ??33 的確定 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。 經(jīng)計(jì)算得： Qk? = Rk? = Fk? = 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。； 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。 卡瓦的受力分析圖如下： 28 圖 63 卡瓦受力簡(jiǎn)圖 由圖可見(jiàn)，卡瓦類(lèi)零件在彈性力學(xué)中屬于楔形體，利用極坐標(biāo)下的相容方程和平衡方程，采用應(yīng)力函數(shù)法，可以分別求出在 Wk、 Qk、 Rk、 Fk 單獨(dú)作用下，楔形體內(nèi)的應(yīng)力分布；在根據(jù)彈性疊加原理，將上述 4 個(gè)外力單獨(dú)作用下的應(yīng)力值相加，即可得到卡瓦類(lèi)零件的應(yīng)力。不可大于 20176。 卡瓦周向上采用四瓣， 卡瓦的齒型根據(jù)《封隔器卡瓦接觸應(yīng)力研究》中選擇齒型為 60176。同時(shí)解封時(shí) 方便， 不會(huì)損傷套管壁 。解封時(shí)，卡瓦不受錐體的作用力，當(dāng)定位銷(xiāo)拉斷，上提中心管過(guò)程中，受到與套管的摩擦力自動(dòng)收回，而不損傷套管壁。 2）卡瓦的工作原理 卡瓦工作時(shí)，依靠錐體 的作用力，將周向上的四瓣卡瓦 撐開(kāi)卡在套管壁上，同時(shí)產(chǎn)生足夠大的作用力防止封隔器的軸向移動(dòng)。 因?yàn)槠渲饕饔糜糜诜乐狗飧羝飨戮醒刂行墓芟蛏弦疲?由于 該力很小，因此其強(qiáng)度是足夠的，能安全工作。 2）彈簧卡圈的工作原理 彈簧卡圈主要用于防止 卡 簧座在封隔器下井過(guò)程中 沿中心管 向上滑， 從而影響卡瓦正常工作。 （ 3）組成部分 卡瓦機(jī)構(gòu)由卡瓦、卡瓦座 、錐體、彈簧卡圈、定位銷(xiāo)五部分組成。 （ 2）工作原理 當(dāng)錐體下行推動(dòng)卡瓦時(shí) ，四塊卡瓦沿徑向撐開(kāi)，咬住 套管 。 由此可得材料的許用切應(yīng)力 ??? =80 2/kg mm ，許用彎曲應(yīng)力 ??? =100 2/kg mm ，G=8000 2/kg mm ， E=21000 2/kg mm 2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2D =82mm ：端部并緊，磨平，支承圈為 1 n=6,自由高度 H=45mm。 。 2） 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) 鎖緊瓦外側(cè)采用錐形結(jié)構(gòu) ，錐度為 18176。 （ 4） 特點(diǎn) 鎖緊瓦結(jié)構(gòu)能使錐體單向前進(jìn)并鎖緊，從而使卡瓦能正常工作，而不能受力收回。 （ 3） 工作原理 當(dāng)液壓進(jìn)入下活塞腔，推動(dòng)下活塞２下行，同時(shí)壓縮彈簧， 彈簧另一端推動(dòng)鎖緊瓦帶動(dòng) 錐體向下運(yùn)動(dòng)， 從而使卡瓦張開(kāi) 。 鎖緊瓦 機(jī)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)原則 鎖緊瓦用于鎖緊卡瓦，防止卡瓦在承受壓力時(shí)收回，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器卡瓦是否能正常起到錨定作用，強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)回退時(shí)瑣緊功能。 5）壓緊 螺母的連接強(qiáng)度 根據(jù)公式 j cr pP A U?? 其中 jP 最小連接強(qiáng)度 ； crA 內(nèi)螺紋的臨界橫截面積 crA =（ 22Dd? ） ， 2in ； D 螺紋外徑 ， in ； d 螺紋內(nèi)徑 ， in ； pU 材料的最小抗拉強(qiáng)度， pU =； 。每塊鎖塊的周向尺寸確定根據(jù)下式： ? ?bPA ?? （ 625） 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 25 式中 P卡簧對(duì)鎖塊的作用力 ，其值同前， P = A 鎖塊與卡簧的接觸面積； A Dh?? /6 （ 626） 式中 D 鎖塊外徑，其取值為 88mm； h 鎖塊厚度， h =5mm。 4）鎖塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ： 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P519 選取材料為 HT200，其抗拉強(qiáng)度b?? 180MPa，如《工程力學(xué)》 P134 所述，材料壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限 b? 高于拉伸時(shí)數(shù)值的 2～ 4 倍。 根據(jù)公式： ? ? ? ?22 SFRr ?? ?? （ 624） 式中 F卡簧施加給內(nèi)齒的作用力， F =； R 液缸內(nèi)徑， R =53mm； r 卡簧內(nèi)齒齒徑， r =50mm； ? ?S? 為極限應(yīng)力，取值同前， ? ?S? = MPa。 內(nèi)齒位于液缸內(nèi)側(cè)周向上，其設(shè) 計(jì)方法與卡簧的設(shè)計(jì)方法一樣，采用試算法。 確 定卡簧在 P 點(diǎn)處產(chǎn)生的撓度 y ? ?2 36Pxy c xEI?? （ 623） 當(dāng) x =c =60mm 時(shí)， y=。 其中 1) maxy 的求解公式見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P110，表 163： ? ?? ?33m a x 22s i n 23 8 .1 9 7 R r ayR r a??? （ 621） 式中 R卡簧的外徑， R =46mm； r 卡簧的內(nèi)徑， r =42mm； a 一瓣卡簧的半角， a =30 經(jīng)計(jì)算可得： maxy = 2) maxyM =P c= 310 60= 105 （ 622） 從而可計(jì)算出： max max????? = 由卡簧材料 70Mn，可知 S?? ，取安全系數(shù) S =，則? ? SS S?? ? = 24 而 max max????? ﹤ ? ?S? 可知 卡簧采用四瓣結(jié)構(gòu)，每瓣為 60176。 根據(jù)公式，見(jiàn)《工程力學(xué)》 P385 附錄Ⅲ，簡(jiǎn)單載荷作用下梁的變形，序號(hào) 3 圖 62 卡簧工作前受力圖 ? ?2 36B Pcy l cEI?? （ 618） 式中 By絕對(duì)值最大撓度， By =5mm； P 鎖塊對(duì)卡簧的作用力； E 鋼材的彈性模 量， E =200GPa； 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 23 I 極慣性矩； l 卡簧的總長(zhǎng)度， l =140mm； c 鎖塊到卡簧固定端的距離。 如 下 圖 62 所示， A 點(diǎn)為卡簧端部， C 點(diǎn)為鎖塊作用位置， AB=140mm 為卡簧的長(zhǎng)度， by 為卡簧工作狀態(tài)時(shí)上端的位移即桿件的最大撓度。 卡簧的結(jié)構(gòu)采用四瓣結(jié)構(gòu)，每瓣為 60176。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)能比一般的注水封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力大一些，并且能實(shí)現(xiàn)重復(fù)坐封。 設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參見(jiàn) 《軟卡瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用》的結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn) 。 利用卡簧的材料為彈簧鋼，具有一定彈性，從而使在在工作中利用其彈性，當(dāng)液缸上行，其內(nèi)壁的 內(nèi) 齒 與卡簧嚙合，從而 鎖住 上行的液缸，以防止液缸的后 22 退，因此 卡簧 起著單向鎖緊的作用。 2）卡簧的尺寸 與結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 由于卡簧起主要的鎖緊作用，需承載很大的作用力，因此對(duì)卡簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。 b． 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 參見(jiàn)《軟卡瓦注水封隔器的研制與應(yīng)用》的結(jié)構(gòu) ，其具有扶正作用，連接方式采用管螺紋連接與 襯套連接，在坐封過(guò)程中起支撐卡簧作用，同時(shí)與中心管的配合為松配合，但同時(shí)要保持一定的同軸度， 因?yàn)樵诮夥鈩?dòng)作中，中心管向上運(yùn)動(dòng)，而卡簧體保持不動(dòng)，所以就要求他們之間必須有一定的同軸度，防止中途卡死而不能達(dá)到解封的要求。 （ 4） 內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) ： 采用內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu)，可以使封隔器的坐封和解封過(guò)程中始終保持密封和卡簧的重復(fù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了封隔器愛(ài)井下能重復(fù)坐封。 內(nèi)鎖緊 與解封 機(jī)構(gòu) 的相關(guān)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)原則： 內(nèi)鎖緊機(jī)構(gòu) 在封隔器的工作中起鎖緊作用，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到封隔器是否能正常 密封，其強(qiáng)度必須達(dá)到坐封的要求 ，同 時(shí)解封過(guò)程簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)封隔器的重復(fù)坐封 。圓錐管螺紋連接尺寸表。 確定中心管與上接頭的螺紋連接尺寸 由于在確定中心管的內(nèi)徑 時(shí)是根據(jù)《采油技術(shù)手冊(cè)》 P685（牙型角 55176。 因?yàn)?在承受上壓時(shí)，封隔器的主要承力件為軌道螺釘，因此其受壓力為50MPa， 取 F=100KN， 根據(jù)公式 ? ?/SFA?? （ 617）式中 ?? SS S??? ， S 同前取 ，則 ??S? = ； F為承受的一部分力，取 F=100KN。 （ 1） 軌道螺釘材料的選擇 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P464，選擇螺釘?shù)牟牧蠟?35﹟鋼，并 20 可知該材料的抗拉強(qiáng)度為 315MPa。 取 F 為 500～ 800N，由計(jì)算可得： A≤ 2mm ，即 2R? ≤ 2mm ，從而可得： R ≤ mm，取 R = 查《機(jī)械制圖》 P329 附表 6，選取 的 開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘，其長(zhǎng)度取為6mm。 （ 2） 防 轉(zhuǎn) 螺釘?shù)陌霃皆O(shè)計(jì) 根據(jù)公式 ? ?/FA?? （ 616） 只要 F 足夠大，防轉(zhuǎn)螺釘即可剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。 防轉(zhuǎn)螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì) 防轉(zhuǎn)螺釘?shù)淖饔檬菫榱朔乐?在工作過(guò)程中 轉(zhuǎn)動(dòng)油管而引起解封的誤動(dòng)作 ，只有當(dāng)右轉(zhuǎn)油管 500～ 800N 時(shí) ，防轉(zhuǎn)螺釘被剪斷，從而實(shí)現(xiàn)解封。 （ 2） 防坐螺釘?shù)?半徑 設(shè)計(jì) 中心管 中心管節(jié)流小孔簡(jiǎn)圖 D1 1 2 2 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 19 根據(jù)公式 ? ?/FA?? （ 615） 只要大于 F 螺釘就能剪斷，從而實(shí)現(xiàn)坐封運(yùn)動(dòng)。 防坐螺釘?shù)某叽缭O(shè)計(jì) 防坐螺釘主要為了防止在坐封前的誤動(dòng)作而使液缸運(yùn)動(dòng)，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)防坐螺釘，當(dāng)作用力達(dá)到 3～ 4KN，剪斷螺釘，從而液缸開(kāi)始上移壓縮膠筒，完成坐封 。 （ 2） 負(fù)載要求液缸內(nèi)的壓力為： /P F A? （ 613） 其中 F=； A= 22(53 37 )? ? = 2mm 則 P=。不計(jì)管路損失，則有 （公式見(jiàn)《液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)》 ??16 P40 （ 253）） ： 2 2/VV C P ??? （ 612） 其中 11 ( / )V a o oiC ld? ? ?? ? ? ? 根據(jù)該書(shū) P35 取 ? 均為 ， ol =9mm， 圖 61 節(jié)流小孔簡(jiǎn)圖 則 VC =。 隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 隔環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見(jiàn)《采油技術(shù)手冊(cè)》 ??7 P640，由于膠筒在工作密封時(shí)會(huì)有向兩端溢出現(xiàn)象，作為三個(gè)膠筒的中間分隔件 隔環(huán)，此時(shí)為了防止對(duì)膠筒端部的損壞，應(yīng)將隔環(huán)的圓周方向上設(shè)計(jì)成弧狀，取隔環(huán)厚度為 10mm，則隔環(huán)的圓周方向設(shè)計(jì)為半徑為 5mm 的半圓狀，從而可延長(zhǎng)密封件的壽命。 效核其強(qiáng)度，根據(jù)公式： ? ? ? ?221 SoFRR ?? ?? （ 610） 式中 1R膠筒外徑， 1R =； oR 膠筒內(nèi)徑， oR =37mm； F 坐封力， F =； ? ?S? 為極限應(yīng)力，取值同前， ? ?S? = MPa 因此可得 ? ?221 oFRR? ? =＜ ? ?S