双向液压缸驱动的油管卡瓦工作参数分析

高倩1,贾光政1，李清忠2，刘崇江2

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆163318)

(2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江 大庆163000)

作者简介：〖HTSS〗高倩（1995—），女，硕士研究生，主要研究方向为石油机械及流体密封，1767550861@qq.com.

摘要：根据双向液压缸驱动的新型油管卡瓦的结构原理，考虑结构的对称性，将液压缸驱动楔形卡瓦体和牙板的运动机构简化成平面连杆-滑块的运动分析模型。通过力学分析得出了卡瓦解卡力与夹持管柱自重的关系；通过运动分析得出了液压缸行程与卡瓦体提升位移的关系；综合给出了液压缸行程和驱动力的选取依据；结合正交实验法对卡瓦结构参数进行了优选设计，得到了合理的设计参数。

关键词：动力卡瓦；力学分析；运动分析；参数设计

中图分类号：TE928  文献标识码：A  文章编号：2095-509X(2019)07-0020-04

  动力卡瓦在油田钻修井起/下油管作业中逐渐成为实施“一吊一卡”式新型作业工艺的重要工具［1-3］。根据驱动液压缸安装形式的不同，可将常规动力卡瓦分为轴向上提卡瓦体式和径向卡瓦体外翻式两类。它们的体积和质量均较大，在使用过程中既不方便人工搬运又占用井口作业空间。本文结合轴向卡瓦对中效果好、轴向卡紧可靠的优点，同时改善了径向外翻式动力卡瓦不易对中的问题，提出一种73mm油管专用、体积较小、质量更轻、由双向液压缸驱动的新型油管卡瓦，为作业人员在井口搬运提供了方便。本文对该新型动力油管卡瓦的力学性能和运动特性进行了全面分析，希望能为该型动力油管卡瓦的设计提供理论依据。

1基本结构

新型动力油管卡瓦采用双向液压缸驱动，主要由卡瓦体部件、卡瓦座、摇杆传动机构、驱动液压缸等组成，结构如图1所示。其中摇杆传动机构包括摇杆上臂、摇杆下臂、中间转轴和提升连杆4部分；卡瓦体部件包括楔形卡瓦体和卡瓦牙板等。

动力油管卡瓦的主要运动件为摇杆机构、楔形卡瓦体和活塞杆。为了便于分析，将其简化为平面机构分析模型，如图2所示。摇杆上臂和摇杆下臂与中间转轴刚性连接，简化为固定铰支座；提升连杆下端连接摇杆上臂，上端连接卡瓦体的耳环，简化为两个活动铰；驱动液压缸缸体固定，双活塞杆两端分别与摇杆下臂的长腰孔连接，可实现一定的角度摆动和位移，简化为摇杆滑块副。

2力学分析

2.1夹紧管柱条件

卡瓦工作时处于关闭状态，这时油管外壁与卡瓦牙接触，利用油管柱自重通过摩擦力带动楔形卡瓦体一起沿楔面下行逐渐楔紧并卡住油管［4］。卡瓦能否卡紧油管的关键在于油管柱下行时能否带动卡瓦牙板及卡瓦体下行并楔紧，卡瓦体部件的受力分析如图3所示。为了保证楔紧油管过程能够可靠实现，应满足：

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f2q2l＞f1q1lxcosθ+q1lxsinθ（1）

式中：q1为卡瓦与油管作用的均布法向反力；q2为卡瓦与油管作用的均布正压力；f1为楔形卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦系数；f2为卡瓦牙板与油管之间的摩擦系数；θ为楔角；lx为楔形卡瓦体夹紧后与卡瓦座的有效接触长度；l为卡瓦牙板高度。