连续油管悬挂卡瓦齿形的研究与设计

【摘要】由于在实际的工况中，用锥形卡瓦悬挂连续油管的受力状态与变形程度的检测比较困难，为此采用Simulation软件对卡瓦齿进行有限元分析。讨论了不同的齿牙前角、后角和载荷情况下，齿前后边界面应力及齿横截面内应力的分布，分析结果表明，齿处于受压状态，齿顶受力集中，齿的破坏主要以齿顶磨损为主。最后给出了连续油管卡瓦齿的设计准则。并在试验中获得了成功。

【关键词】悬挂卡瓦；齿牙；有限元分析；应力分析；齿形设计

一 、引言

卡瓦是连续油管悬挂的关键零件，其性能好坏决定了悬挂的工作寿命以及卡瓦卡住连续油管的损伤程度。目前针对齿形的设计研究较少，本文对齿牙的受力情况进行了定性分析，从而得出齿牙的应力分布以及齿形变化规律。在实际工况下齿的变形和受力状态进行测比较困难，齿形的设计仅限于选用。

二、卡瓦齿的建模及有限元分析

弹性理论分析证明，可以将卡瓦齿简化成一个在齿顶受集中力作用的平面，此集中力可分成P、Q 2个分力。其中，Q沿齿顶角角平分线作用于齿顶，p垂直作用于齿顶角角平分线。牙板齿的简化模型如图1所示，（°）为齿顶角；；（°）为齿前角，；（°）为齿后角；材料的弹性模量为1.9×MPa，泊松比为O.3，取卡瓦齿数为10，则P=15 kN，Q=2.5kN。网格划分如图1所示。

图1

下面选择5种齿形进行有限元分析。P、Q直接作用于齿尖，限制牙板所有自由度，分析各齿形齿的受力。

三、牙板齿齿形设计

牙板齿齿形需要有两个元素决定，齿顶角及齿顶宽，下面将介绍两种元素的选择原则。

1.、的选择

通过以上分析数据表明，同时施加径向和横向载荷时，Q、P合力角平分线与卡瓦齿顶角的角平分线重合时，前后边界面应力愈接近。只施加径向载荷时，即=时，齿两边界面的应力相同。说明Q、P合力通过齿顶角角平分线时，齿两边界面的应力相同。

由此可看出、的选择原则是齿两边界面的应力相同，齿能够发挥出最佳的性能。

设计时可根据下面公式计算齿顶角，选择牙板齿齿顶角最接近于计算所得齿顶角的牙板齿形。

2.齿顶宽的设计

齿顶宽的设计原则是齿既能卡持油管，又不卡坏油管。齿顶宽小，牙板齿容易咬坏油管；齿顶宽大，牙板与油管间易打滑。

以下为经验数据，可参考选取：

综上所述，可得如下结论：

（1） 齿处于受压状态，齿顶受力集中，齿的破坏主要以齿顶的磨损为主。

（2） 牙板齿的设计准则：合力作用线通过齿顶角角平分线。