浅谈螺杆钻具传动轴的结构分析与改进设计

程馨冉

（1.西安石油大学，陕西西安,710065;2.山西北方风雷工业集团有限公司,山西侯马,043013）

浅谈螺杆钻具传动轴的结构分析与改进设计

程馨冉1,2

（1.西安石油大学，陕西西安,710065;2.山西北方风雷工业集团有限公司,山西侯马,043013）

螺杆钻具中最为关键的部件便是传动轴，文章中利用有限元技术分析了传动轴在扭矩状态下的应力、变形状态，指出了其存在的危险部位，且在结合实际生产需求的基础上，提出了相应的改进方案，得到了随结构参数变化的应力及变形曲线，为传动轴的设计提供了更多的参考依据。

螺杆钻具；传动轴结构；改进设计

0 引言

随着石油工业的快速发展，企业对石油机械能及可靠性提出了更高要求。作为石油机械的关键设备，螺杆钻具的传动轴却经常出现失效问题，影响了工作进度，为此，优化设计传动轴具备十分重要的意义。

1 静力学分析

传动轴存在动力扭矩、轴向力以及侧向力，受力情况较为复杂。且传递动力扭矩很容易导致传动轴小径出现断裂问题，为此，生产期间应利用大型有限元分析软件与三维建模软件进行建模，并对传动轴进行结构分析，从而实现进一步优化。

1.1 建立传动轴三维模型

传动轴主要承受绕旋转轴方向的扭矩载荷，其结构具备轴对称特点，因此研究对象主要为整体模型的十分之一。为了提升万向轴与传动轴动力传递模拟的准确性，可以引入部分水帽模型，并通过螺纹将其与传动轴进行有效连接，并进行有限元分析，之后简化整件处理，且简化后的传动轴三维实体几何模型如下图1所示。

图1 传动轴有限元模型

1.2 有限元网络划分

传动轴几何模型较为复杂，因此应采用自动生成的四面体单元模型，利用刚性单元模拟马达传递至传动轴的转矩动力载荷，并划分单元数与点数。

1.3 边界条件与材料属性

利用40C1N1M0A材料制作传动轴，设置835千帕的屈服极限。由金属材料特点以及上述基本假设可知，此制作材料属于各向同性材料，具备线弹性。对此，应在大型有限元分析软件设置材料的基本属性，比如密度为7850千克每立方米；泊松比为0.3。

根据企业所给参数可知，5LZ95A×7.0LL型号的螺杆钻具的输出扭矩为833牛，且最大扭矩为1180牛。对此，应对模型水帽端施加扭矩为1180牛的力，且固定传动轴的大头端面，最终的物理模型为图2所示。

图2 传动轴物理模型

1.4 计算结果分析

在大型有限元分析软件中提交传动轴的物理模型，水帽与传动轴连接处的最大应力为628兆帕，且实际调查后发现，螺杆钻具经常在此处出现问题，由此可见计算结果的正确性。除了此处存在较大应力，传动轴直径较小的区域应力也较大[1]。上述结果产生的条件是传动轴处于理想的运行状态，且载荷力作用均匀，而考虑到集中应力、交变载荷等影响因素，则还需要确定传动轴的疲劳失效安全系数，将相关参数信息带入疲劳失效安全系数计算公式中得到其安全系数为2.5，这表明传动轴的疲劳强度符合基本的生产需求。这些结果分析基于近似条件下，在实际工作过程中，传动轴运行期间所受载荷十分复杂，既受到轴向力与侧向力的影响，也存在扭矩作用，因此载荷力存在较大不确定性。同时，传动轴的运行环境也十分恶劣，且实际制造与使用过程中，很可能受各种因素的影响而出现缺陷与损坏，因此分析结果也并非完全理想。而实际调查后发现，螺杆钻具厂传动轴经常发生断裂问题，尤其在两螺纹交口处更为严重，为此，应有效改善其结构体系。

2 传动轴结构改进方案

在结合上述分析结果的情况下，结合螺杆钻具实际运行情况，对传动轴提出了三种改进方案。

2.1 改进方案

螺杆钻具属于井下动力钻具，主要用于中曲率造斜方面，为了确保足够的造斜率，应有效压缩万向轴客体弯点，直至其接近钻头，且还需要设计轴向尺寸较小的传动轴总成。基于此，方案1应缩短传动轴长度。由传动轴的结构分析可以发现，缩短传动轴长度只可以用于小径段方面，且受外壳尺寸等限制因素的影响，总体的缩短距离不得超过20毫米。

在不改变传动轴整体结构的基础上，缩短小径段长度，其最大应力与变形变化曲线呈现一定规律性。对于应力曲线，缩短长度在5毫米内，曲线呈上升趋势，而在5至15毫米内，曲线保持不变，大于15毫米后，曲线依然呈上升趋势，但斜率小于5毫米内的曲线斜率。对于变形变化曲线，缩短长度在5毫米内，其曲线呈下降趋势，缩短长度大于5毫米后，曲线保持不变。这说明缩短传动轴小径长度，在增大传动轴抗扭性方面存在利弊，虽然可以减小变形但也增大了应力。

2.2 改进方案

方案2主要增强传动轴的静刚度，且提升其抗疲劳强度，因此应适当增大小径半径。与上述情况相同，受传动轴总成外壳尺寸的限制，现有的小径直径最大增加量也只是5毫米。在减小传动轴小径长度20毫米的基础上，增大小径半径时，最大应力与变形变化曲线也呈现出一定规律性。对于传动轴的最大应力，随着小径半径的增大，最大应力呈现出下降趋势。对于变形变化曲线，随着小径半径的增大，曲线也呈下降趋势，且下降幅度大于最大应力曲线。综合改进方案1与方案2可以发现，在不改变传动轴基本条件的前提下，传动轴小径半径越长，半径越大，且最大应力越小，传动轴的安全系数越高，使用寿命也越长。

2.3 改进方案

方案3主要分析传动轴的危险处，分析传动轴的静力扭矩可以看出，其小径两沟槽处的应力更为集中。而其零件受到周期性的变化应力以及冲击载荷力的影响时，无论塑性或脆性的结构材料，集中应力都会影响传动轴强度，从而破坏零件，而解决此问题可以有效缓解传动轴的疲劳强度，提升运作的安全性。

分析传动轴总成结构与工作原理可以发现，其水帽与轴承动圈处于同步运行状态，将水帽与轴承动圈作为一个运行整体也不会影响其本来的功能性。利用此种设计方案，改进后传动轴承的最大应力由之前的62.8兆帕降低至45.3兆帕，且在改进前传动轴承的两螺纹交接处存在明显的应力集中问题，而在改进后，此问题得到了有效缓解，这也说明沟槽引起的应力集中问题会为传动轴的部件带来较大危害[2]。

综上三种设计改进方案可以看出，完善后的传动轴消除了小径的两个沟槽，在其他几何尺寸不变的情况下，其长度保持不变，半径增大了5毫米。最终得到应力及变形结果，改进后的传动轴消除了应力集中问题，且最大应力与最大变形得到了有效降低，传动轴的强度与刚度得到了大幅度提升。

3 结束语

实际研究发现，传动轴小径端越长、半径越大，且最大应力越小的情况下，传动轴的使用寿命越长，且安全性较高。而相较小径段长度而言，小径半径变化更容易影响传动轴的应力。同时，充分结合轴承动圈与水帽可以有效缓解应力集中问题，降低了最大应力。实际生产过程中充分结合上述建议，则不必改变传动轴内部结构与材料便可以获得最佳的尺寸与结构。

[1]陈思,郭东涛,孙玉龙.螺杆钻具的研究进展及变化趋势[J].长江大学学报(自然科学版)理工卷.2010(03).

[2]王俊涛,谭春飞,王莉萍,李帮军.螺杆钻具传动轴失效分析与提高寿命措施探讨[J].西部探矿工程.2010(05).

Structural analysis and improvement design of driving shaft for screw drilling tools

Cheng Xinran1,2
(1.Xi’an Petroleum University,Xi’an Shaanxi,710065;2.North Shanxi Fenglei Industrial Group Co. Ltd,Houma Shanxi,043013)

Screw drill is the most important part is the drive shaft by using the finite element method based on the analysis of drive shaft stress in torque under the condition of deformation, points out the dangerous parts of its existence, and in combination with the actual production requirements, put forward the corresponding improvement scheme, are analyzed. With the structure parameters of stress and deformation curve, and provide more reference basis for the design of drive shaft.

screw drilling tool; drive shaft structure; improved design