CN110006572B - 一种测量钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种测量石油钻井工业用钻杆钳的钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力的方法和装置，解决钳头牙板齿与钻杆接触处受力情况难以测量的问题，可以得到牙板齿与钻杆接触处平均应力。通过液压缸(7)对支撑板(12)传递压力，支撑板(12)对牙板(6)背板施加压力，牙板(6)的齿对若干小球(5)施加压力，小球(5)通过表面压力相互作用传递至壳体(1)内壁及压力胶片(4)，由专用扫描仪和软件可获取小球(5)作用在压力胶片(4)上的应力，进而求得牙板(6)齿与小球(5)的接触应力，由此间接求得了牙板齿与钻杆接触处平均应力。本发明结构简单，设计合理，避免了牙板齿尖压破压力胶片的现象，对牙板齿的齿距以及牙型具有一定的兼容性，其原理和方法可供用于测定同类钳头钳牙与管柱接触时接触处的平均应力。

Description

一种测量钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力的方法和 装置

技术领域

本发明涉及石油钻井用钻杆钳牙板应力测量技术领域，具体的说，涉及一种测量石油钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力的方法和装置。

背景技术

随着石油钻井机械设备的不断发展，要求石油钻杆钳的扭矩越来越大，所以牙板施加给钻杆的压力也越来越大，它们之间的接触应力也越来越大，为了保证牙板有足够的强度，需要对其力学性能进行准确的测量分析。而目前还没有一种有效和可行的方法可以检测出石油钻杆钳牙板齿与钻杆处的接触应力，因此设计和使用中都全部依赖纯理论分析计算确定，而这些理论计算缺乏实际验证，其准确性无法得到验证，如果由此而设计不当，牙板和钻杆都极容易损伤，或者因牙板强度不够引起打滑，不仅影响钻杆钳和钻杆的寿命，甚至影响钻井工程的正常进行。所以，急迫需要解决测量石油钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触过程中受力情况难以测量到的问题，故需要设计出一种测量钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力强度的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量石油钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力强度的方法和装置，解决牙板齿与钻杆接触过程中受力情况难以测量到的问题，可以得到牙板齿接触处平均应力，为石油钻杆钳的合理设计与正确使用提供技术依据。

为了解决上述技术难题，本申请提出了一种测量石油钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力的方法和装置，包括钢板制成的壳体1、置于壳体1下部的牙板6、铰接于壳体上部的壳体顶盖2(一侧铰接于壳体1，一侧藉由螺栓固定于壳体1)、内置于壳体1的若干直径合适的小球5、内置于壳体1上部的压力胶片4、铰接于壳体顶盖2中部的上端盖3(一侧铰接于壳体顶盖2，一侧藉由螺栓固定于壳体顶盖2)、置于牙板6背部的液压缸7、置于液压缸7回路中的压力传感及显示器8、存在于油路中的液压源9、存在于油路中的油箱10、存在于油路中的二位四通换向阀11、置于牙板6下部的支撑板12、用于液压缸伸出端与支撑板铰接处的铰链销13、用于固定牙板6位置的斜面止动销15、用于固定斜面止动销15的锁止销16、螺栓17和螺栓18。

本发明所采用的一种测量石油钻杆钳钳头牙板齿与钻杆接触处平均应力强度的方法和装置，实施方式包括测试过程标定方法。

测试准备，如示意图形式组装液压缸7与油路(将7液压泵分别与压力传感及显示器8、液压源9、油箱10、二位四通换向阀11藉由液压管道连接)，将壳体1固定于一刚性平面，将液压泵7固定于另一刚性平面并伸出伸出端至极限位置，藉由铰链销13将其伸出端与支撑板12铰接，液压泵7的伸出端缩回壳体1内至较低位置，藉由铰链销14铰接壳体顶盖2一侧于壳体1上部并由螺栓17固定，合上壳体顶盖2并藉由螺栓17固定另一侧于壳体1上部，上端盖3藉由铰链销14铰接于壳体顶盖2中部，合上上端盖3并藉由螺栓18固定另一侧于壳体顶盖2中部。

测试前，拧出固定壳体顶盖2的螺栓17并打开壳体顶盖2，牙板6放置支撑板12上并藉由若干斜面止动销15以固定，用锁止销16分别固定各斜面止动销15，使足量小球5均匀排布在壳体1内、牙板6与支撑板12上，使小球5的最高点略高于壳体顶盖2的下表面，合上壳体顶盖2并藉由螺栓固定，拧出固定上端盖3的螺栓18并打开上端盖3，附着压力胶片4于上端盖3的下部(可采用双面胶或单面胶使压力胶片4粘连于上端盖3)，上端盖3合上并藉由螺栓18固定在壳体顶盖2中部。

测试开始，液压缸7伸出端伸出以加压，同时观察压力传感及显示器8，稳定地到达指定压力值时，使液压缸7伸出端缩回以泄压，拧出固定上端盖3的螺栓18并取出压力胶片4并更换压力胶片4；同一压力值重复三次试验，不同压力值重复试验，试验完成后通过专用扫描仪和分析软件读取压力胶片4的应力值，并进行对比分析。

本发明的测量牙板齿接触处平均应力强度的方法和装置，其特点在于：该方法采用的压力胶片测量牙板齿接触处平均应力的方法是通过若干小钢球接触牙板齿测量牙板齿与壳体上部之间的平均接触应力；并可以对不同规格的牙板齿与钻杆接触平均应力进行测量。

本发明的测量牙板齿接触处平均应力强度的方法和装置，其特点还在于：结构简单，设计合理，避免了牙板齿齿尖直接接触压力胶片，从而压破压力胶片的现象。制造成本较低，材料易获取，对牙板齿的齿距以及牙型具有一定的兼容性，性能稳定等。

附图说明

附图1是测量牙板齿接触区域平均应力强度的装置的基本结构示意图。

附图2是测量牙板齿接触区域平均应力强度的装置的外形图。

附图3是牙板与支撑板位置关系。

附图4是壳体。

附图5是壳体顶盖。

附图6是上端盖。

附图7是牙板。

附图8是液压缸伸出端。

附图9是支撑板示意图a。

附图10是支撑板示意图b。

附图11是铰链销(液压缸伸出端与支撑板铰接处)。

附图12是铰链销(分别位于壳体与壳体顶盖、壳体顶盖与上端盖铰接处)。

附图13是斜面止动销。

附图14是锁止销。

图中标记：1.壳体；2.壳体顶盖；3.上端盖；4.压力胶片；5.小球；6.牙板；7.液压缸；8.压力传感及显示器；9.液压源；10.油箱；11.二位四通换向阀；12.支撑板；13.铰链销(液压缸伸出端与支撑板铰接处)；14.铰链销(壳体与壳体顶盖)；15.斜面止动销；16.锁止销；17.螺栓；18.螺栓；19.铰链销(壳体顶盖与上端盖铰接处)。(牙板整体可呈现平角或较小弧度，齿数理论上不应少于两排两列；小球的硬度应不低于牙板材料，小球直径不做限定；支撑板上表面可刻蚀有轻微的网格以辅助牙板定位；二位四通换向阀可采取手动或电动、气动或液动等形式，不做具体限定；壳体端盖与上端盖的把手由焊接完成安装；斜面止动销斜面的设定根据牙板边缘倾角相适应，且下部可配合防止其在工作中发生位移的锁止销，为插入锁止销所而设定的孔数的量及大小根据锁止销相适应，且理论上每一个斜面止动销均需由一个锁止销锁止；用于不同位置的销的功能是相同的，形状上的差异仅用于辅助理解)。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。

参照说明书附图1，本发明的装置是包括壳体1固定在一固定水平面上；支撑板12铰接于液压缸7的伸出端上；牙板6置于支撑板12上；放置若干小球5，均匀排布在牙板6齿上；压力胶片4内置于小球5与壳体1上部的上端盖3之间；液压缸7如示意图所示与8、9、10、11组装；液压缸7缸体与另一固定平面固定；液压缸7的压力传感及显示器8实时监测液压缸7的施加压力值。通过对液压缸7的操作，使液压缸7的压力传感及显示器8稳定的到达指定压力值时，停止液压缸7的操作，泄压、取出并更换压力胶片4；同一压力值重复三次试验，不同压力值重复实验，试验完成后由专业扫描仪及分析软件读取压力胶片4的应力值，并进行对比分析。

标定方法为，将牙板6替换为等大等厚平板(厚度取牙板齿尖到牙板背板的距离，大弧度的牙板应将厚度视为径向量)并完整执行全部试验步骤。该方法用于建立平板对小球的压力与小球对压力胶片的压力之间的数值关系，以进一步降低误差。

相同实验条件下所得的试验数据与标定数据、不同实验条件下所得的各组试验数据理论上均呈线性相关，基于足够的数据量可以求得较为稳定的关联系数。结合实际工况下牙板与管柱的咬伤情况，可建立彼此之间较为稳定的映射关系，为产品后续的设计与改良提供最为直观的参考。

实验进行时，液压缸7的压力藉由伸出端经铰接传递至支撑板12；支撑板12将压力传递至牙板6背板；牙板6的齿尖作用于相接触的小球并传递压力，同时支撑板12未覆盖牙板6的区域作用于相接触的小球并传递压力；小球5之间相互作用，将压力以类似液体的形式覆盖于壳体1内表面各个区域；压力胶片4从接触的小球中受到该压力；压力胶片4受压后功能生效，藉由相关软件及硬件可读出不同点的压力值。

首先，假设小球尺寸处于分子层面，则球池等效于充盈的液体，液体对壳体内部产生的压力的大小等于液体本身所受合力之大小，忽略液体自重，则该压力大小等于壳体内部所有机构对液体施加的作用力的合力。随着小球尺寸的增大，小球与小球或其他零件之间的作用力由面对面逐渐转变为点对点。在这一过程中，从宏观角度看，小球有逐渐增大的概率接触到更加平缓的区域，而有逐渐减小的概率接触到更加陡峭或尖锐的区域。当小球尺寸在宏观尺度上选用合适时，可忽略牙板齿尖端与小球接触的概率，可认为小球的主要受力来自牙板齿各个侧面施加的压力的合力。

在实际牙板齿与管柱接触的过程中，齿的尖端首先接触管柱，一般认为，压力的大小方向不变时，接触面积较小则接触面压强更大，管柱硬度不足而发生弹塑性变形，表现为牙板齿对管柱的咬痕。随着齿尖端的深入，接触面积增大，平均压强减小，变形量增量逐渐趋近于零，齿停止深入。从实践结果看，咬痕通常不可避免且深度较大，则认为牙板齿尖端产生的压强虽然数值大，但从实践角度看，其对平均压强的影响较小，且原有的采用压力胶片直接测试的方式受尖端影响十分显著，故而基于小球的特性，选用小球做为中介用于应力的传递，有效规避了压力胶片原有的弱点。

已知球体作为规则立体图形有较为可靠的压力分布，基于相关文献和公式容易将小球对压力胶片产生的压力梯度数值换算为小球对压力胶片产生平均压力数值。且相同规格的小球较利于均匀分布于压力胶片上，压力胶片相对能够获取更多的有效数据，客观地降低了实验成本。

理论上认为，压力胶片上受到的压力等于所接触各个小球施加压力的和，等于所接触各个小球各自的平均压力与其自身接触压力胶片的面积的乘积的和，等于所接触各个小球的平均压力与所接触各个小球接触面积的乘积。另一方面，这个数值，等于牙板对所接触各个小球的压力的竖直方向上分力以及支撑板与牙板未接触区域对接触小球的压力的和，等于牙板对整体小球施加压强乘以牙板的理论施力面积除以此处名为“压力提供占比”的系数。名为“压力提供占比”的系数用于衡量藉由牙板对小球提供的压力值占牙板合并支撑板对小球提供的压力值的比例，系数数值介于0至1；与牙板背板尺寸较为契合的支撑板能够使该系数提高，当二者尺寸完全契合或忽略支撑板对实验数据的影响时，该系数取值1，即可忽略该系数。牙板的理论施力面积为牙板在竖直方向上的投影面积(大弧度的牙板应对牙板根部所处圆环做投影并求得相应投影面积)。

Claims (5)

1.一种测量石油钻杆钳牙板齿与钻杆接触处平均应力的装置，包括：钢板制成的壳体(1)；置于壳体(1)下部的牙板(6)；铰接于壳体(1)上部的壳体顶盖(2)，其一侧铰接于壳体(1)，另一侧藉由第一螺栓(17)固定于壳体(1)；内置于壳体(1)的若干大小适当能够均匀分布在所述牙板(6)齿间且可均匀分布在压力胶片(4)下的小球(5)；内置于壳体(1)上部的压力胶片(4)；铰接于壳体顶盖(2)中部的上端盖(3)，其一侧铰接于壳体顶盖(2)，另一侧藉由第二螺栓(18)固定于壳体顶盖(2)；置于牙板(6)和支撑板(12)背部的用于给小球(5)均匀加压的液压缸(7)；置于液压缸(7)回路中的压力传感及显示器(8)；存在于油路中的液压源(9)；存在于油路中的油箱(10)；存在于油路中的二位四通换向阀(11)；置于牙板(6)下部的支撑板(12)；用于液压缸(7)伸出端与支撑板(12)铰接处的第一铰链销(13)；用于壳体(1)与壳体顶盖(2)铰接处的第二铰链销(14)；用于壳体顶盖(2)与上端盖(3)铰接处的第三铰链销(19)；由置于牙板(6)下部的支撑板(12)及用于固定牙板(6)位置的斜面止动销(15)和用于固定斜面止动销(15)的锁止销(16)组成的支撑板组件。

2.根据权利要求1所述的测量石油钻杆钳牙板齿与钻杆接触处平均应力的装置，其特征在于：所述壳体(1)下部和液压缸(7)在使用时应固定于一水平刚性平面。

3.根据权利要求1所述的测量石油钻杆钳牙板齿与钻杆接触处平均应力的装置，其特征在于：所述若干小球(5)的尺寸应大小适当使得能够均匀分布在所述牙板(6)齿间，且可均匀分布在压力胶片(4)下，置于牙板(6)和支撑板(12)背部的液压缸(7)可给小球均匀加压。

4.根据权利要求1所述的测量石油钻杆钳牙板齿与钻杆接触处平均应力的装置，其特征在于：所述支撑板组件由支撑板(12)、斜面止动销(15)和锁止销(16)组成，所述斜面止动销(15)置于所述牙板(6)四侧，所述斜面止动销(15)通过锁止销(16)与所述支撑板(12)固定，支撑板组件的作用是将液压缸(7)施加的压力通过安装在上面的牙板(6)均匀施加给小球(5)上。

5.根据权利要求1所述的测量石油钻杆钳牙板齿与钻杆接触处平均应力的装置，其特征在于：可以通过小球(5)作用在压力胶片(4)的信息，通过专用扫描仪和分析软件，测得压力胶片(4)上的各小球(5)与压力胶片(4)接触处的应力，求得压力胶片(4)与接触的小球(5)的平均压力，进而得到石油钻杆钳牙板齿与钻杆接触处平均应力。

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