SBT扇区水泥胶结测井仪传动轴断裂分析

任晓宁

(西安威盛电子科技股份有限公司 陕西 西安 710304)

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SBT扇区水泥胶结测井仪传动轴断裂分析

任晓宁

(西安威盛电子科技股份有限公司 陕西 西安 710304)

SBT扇区水泥胶结测井仪是一种高精度固井质量评价仪器，在测井过程中常发生传动轴断裂故障。从力学角度分析了传动轴断裂故障原因，并提出了解决断轴问题的思路和具体方法。

水泥胶结测井仪；传动轴；断裂故障

0 引 言

SBT扇区水泥胶结测井仪作为一种高精度固井质量评价仪器，在测井过程中常发生断轴事故，给正常测井带来很大影响。解决断轴事故，变得日益迫切。

经过对传动轴热处理工艺以及机械加工工艺调整，结果均不理想。从力学角度对传动轴进行了受力分析，并对传动轴结构进行了设计改进，经过实际测井验证取得了满意的效果。

1 断裂情况介绍

SBT扇区水泥胶结测井仪的传动轴零件工作图如图1所示。传动工作时沿轴向受拉力作用，裂纹产生均发生在轴颈Φ19与Φ9.5过渡圆角R1处。传动轴R1处断裂截面形貌如图2所示。

传动轴材料为沉淀硬化不锈钢17-4PH，热处理硬度HRC35～38，最小屈服强度σS=930 MPa，轴向负载13 000N，那么Φ6.5和R1(计算直径Φ(9.5+2)=Φ11.5)处，理论拉应力计算分别为392 MPa和125 MPa[1]。远远小于材料屈服强度930 MPa。

是否传动轴热处理硬度、热处理工艺和机械加工工艺存在问题，造成R1处产生热处理裂纹或应力集中？经过多次试验，如降低热处理硬度增加韧性、调整机械加工工艺，降低零件表面粗糙度等，均未解决断轴故障。

图1 传动轴零件工作图

图2 传动轴 R1处断裂截面形貌图

2 断裂原因分析

2.1 连接装配结构介绍

SBT仪器使用一个连接套和一个锥端紧定螺钉将传动轴与连接筒连接在一起，来传递轴向拉力。传动轴连接装配图如图3所示[2]。连接套内孔根部加工有退刀槽，在紧定螺钉作用下，连接筒与连接套在退刀槽B处，以及紧定螺钉A处挂接，来承担轴向拉力载荷F。

图3 传动轴连接装配图

2.2 传动轴受力分析

由图3可知，由于A处为线接触，受轴向载荷力F后，材料若出现弹塑性变形，那么连接套相对于连接筒会发生α角旋转，使得传动轴受力由面接触变成C点的点接触，产生了附加弯矩M。于是在传动轴R1处，除了有拉应力σb外，还有附加弯曲应力σw的作用。下面对传动轴R1处实际最大应力σ进行计算。

传动轴R1处的计算直径

d=9.5+2=11.5(mm)

拉应力

σb=4F/πd2=4×13 000/π(9.5+2)2=125.2(MPa)

弯矩

M=F×d/2=13 000×(9.5+2)/2=74 750(Nmm)

抗弯截面模量

W=πd3/32=π×(9.5+2)3/32=149.236(mm3)

弯曲应力

σw=M/W=74750/149.236=500.9(MPa)

也就是直径d(9.5+2)mm截面处最大应力为：

σ=σb+σw=125.2+500.9 =626.1(MPa) <930 MPa

从以上计算结果可以看出，附加弯曲应力σw远远大于拉应力σb，轴的断裂和附加弯曲应力σw关系很大，但总应力σ小于轴材料屈服极限σs。由此可以推断，造成传动轴断裂一定是弯曲应力σw引起的疲劳应力断裂。

3 解决问题的办法

解决轴断裂有两个途径，一是更换强度更高的材料，二是减小或消除弯曲应力σw[3]。更换强度更高的材料将使材料成本增加，而且使得细长轴的加工工艺变得很难保证，综合成本急剧升高，不宜采用。

在轴的结构上想办法，使得在拉力F作用下，传动轴的受力接触不是某个点，而是轴R1处的整个台阶面，从而消除附加弯曲应力σw的作用。经过设计改进后的轴结构如图4所示。

图4 传动轴改进后结构图

将传动轴做成分体球铰结构，当连接套相对连接筒旋转α角度时，传动杆球铰部分也相应传动杆转动α角，使得传动轴的受力轴肩始终与连接套传力面保持面接触，而非图3中C处的点接触，从而弯矩力臂消失，弯应力σw=0。传动轴最大拉应力σb=125.2 MPa。

4 结束语

通过对SBT扇区水泥胶结测井仪的传动轴的受力分析，找到了断轴事故的原因。并采用最经济合理的方法，重新对传动轴结构进行了设计和改进，优化了轴的受力状态。经理论计算和测井实验验证，彻底解决了断轴缺陷，满足了仪器设计高可靠性要求。

[1] 中国航空材料编辑委员会.中国航空材料手册[M]第一卷 结构钢和不锈钢.北京：中国标准出版社出版,1988：748-780.

[2] ATLAS公司. 1424XA/XB Segmented Bond Tool—Detailed Description of Service[Z].1998.

[3] 乔孝纯，牛锡传，芈振南，等.机械零件[M].西安：西安交通大学出版社，1986：164-203.

Fracture Failure Analysis of the Transmission Shaft in the Segmented Bond Tool

REN Xiaoning

(Xi′anWell-sunElectronicTechnologyPLC，Xi′an,Shaanxi710065,China)

The segmented bond tool (SBT) is a high-accuracy well cement bond evaluation tool. Its transmission shaft is often broken in the logging process. This article analyses the causes of the fracture failure of the transmission shaft in view of mechanics, and proposes the solution to the failure.

segmented bond tool; transmission shaft; fracture failure

任晓宁，男，1970年生，工程师，1993年毕业于西安交通大学锻压工艺及设备专业，现从事石油测井仪器的技术研发工作，担任研发中心经理以及首席机械工程师职务。E-mail:rxn_110@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)02-0091-02

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.021

2016-09-18 编辑：姜 婷)