一种弓形弹簧的设计与应用.pdf

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1、石油机械2010年第38卷第8期CHINAPETR0LEUMMACHINERY一71一●技术讨论一种弓形弹簧的设计与应用陈智丛强胡强法张友军李俊(1．江汉机械研究所2．胜利油田分公司孤东采油厂)摘要弓形弹簧套管扶正器作为一种辅助工具，经常与井下工具配套使用。根据项目研究需要，设计了一种弓形弹簧。采用ANSYS有限元分析软件对所设计的弓形弹簧进行分析，分析结果与手动计算结果误差仅为4．0％。设计完成后，对加工出来的弓形弹簧进行力学特性测试，实测结果与计算结果误差仅为3．9％，满足工程应用要求，从而也证明该设计方法是可行的。关键词套管扶正器弓形弹簧弯曲半径力学特性在油井开采过程中

2、，弓形弹簧套管扶正器作为0．15，弹簧片数n=3，则单个弹簧片应提供的辅一种辅助工具，经常与井下工具配套使用。。j，但助正压力为：作为扶正器的主要组成部件——弓形弹簧，其设计Po=G／(．)：1611．56(N)(1)方法很少见。笔者根据项目研究需要，设计了一种由于常用《机械设计手册》中没有符合实际弓形弹簧。设计中，采用ANSYS有限元分析软件使用条件的弓形弹簧模型，所以采用《材料力对所设计的弓形弹簧进行分析，分析结果与手动计学》例10．7平面曲杆受力与变形模型，见图2。算结果误差仅为4．0％，表明弓形弹簧设计方法是可行的。设计完成后，对加工出来的弓形弹簧进行力学特性测试，计

3、算结果与实测结果误差仅为3．9％，满足工程应用要求。1设计分析图2圆弧曲杆受力与变形模型弓形弹簧用于套管弹性扶正器，可提供弹性扶根据该例所推导的公式可知，在正压力P作正器与井筒之间的辅助摩擦力，支撑弹性扶正器的用下B点的垂直位移为：自重。弓形弹簧在井筒套管内的受力见图1。=⋯(2)水平位移为：2i⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．=⋯_sid(3)=口0=，I_、●■．，，E‘口j!=I式中R——曲杆弯曲半径，m；E——曲杆材料弹性模量，GPa；图1弓形弹簧在井筒套管内的受力情况，——曲杆横截面惯性矩，m。1一井筒套管；2一弹性扶正器；3一弓形弹簧。式(2)和式(3)为圆弧曲杆受力与变形弹性

4、扶正器的自重G=362．6N，弹簧工作安关系式。但笔者需要的弹簧结构为弓形结构，其单全裕度=2，弹簧与井筒内壁之间的摩擦因数／=个弹簧的对称半边受力模型如图3所示。江汉机械研究所青年创新基金课题“径向钻孔多次定方位的方法与工具研究”(2005001)。一72一石油机械2010年第38卷第8期径165mm，截面为矩形，宽50mm，厚4．5mm。2．2建立参数化几何模型根据图纸尺寸，使用ANSYS．DesignModeler建模，如图4所示。图3单个弹簧的对称半边结构受力模型由图3可知，JB=詈⋯cos。参考式(2)、式(3)可知，图3中B点的垂图4参数化模型2．3边界条件直位移

5、为：在DesignSimulation中进行分析，相应的边界=s=，(一譬一)条件为：模型左侧固定，右侧简支，上部施加强迫位移约束，如图5所示。(4)水平位移为：=虢丁cosd=(j一)(5)图5边界条件式中p——单根半边弓形弹簧所受正压力，P=2．4计算结果Po／2，N；在给定垂直位移2．63iYlm的情况下，计算得到——半边弓形弹簧弯曲弧度余角，rad。的反力为1678N，水平位移1．62mm。图6为方向在实际设计过程中，取弯曲半径R=165mm，位移解的云图。手工计算得到的反力为1611．56N，弓高H=25．75mm，弹簧横截面为矩形，宽b=50与有限元计算结果接近，

6、其误差为4．0％。手工计算mm，厚h=4．5mm。根据式(1)可知，P=P0／2的位移为1．13mill，与有限元计算结果相差0．49mm，误差为3．0％。=805．78N。I~IN3可知，=予-arccos=I)irectionalDeformathm1ypeDirectionalDeformation(YAxis1．004rad。又根据文献[2]可知，弓形弹簧横截Unit：ilmGlobalCoordlnatcSystem面惯性矩，=bh／12=379．668×10一m。弹簧材1lmc：12009。12l】5：20料选60Si2Mn，弹性模量E=205．8GPa。将上述设

7、计条件代入式(4)、式(5)中，得出弓形弹簧的垂直位移6=2．63×10～m，水平位移6=1．13×10。。m。根据计算得出的垂直位移以及弹性扶正器所用的井筒内径d，就可以确定弹性扶正器最大包蔫；．462443络外径D=d+26。根据计算得出的水平位移，就可以确定弓形弹簧工作过程中水平方向的变形，i1．2619／＼展开需要的零件空间尺寸。2ANSYS有限元分析与结果对比3弹簧样品试验结果对比分析2．1初始条件材料：弹簧钢，弹性模量205．8GPa，比例极对根据设计图纸加工出来的弹簧样品加载标准限637M