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科技与创新

2021年第01期ScienceandTechnologyInnovation┃

文章编号：20956835202101008902

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基于有限元的球铰万向轴剩余强度及偏载分析

唐珊，姜中舰，白明，李杰

（四川宏华石油设备有限公司，四川成都618300）

摘要：在井下钻井工况，球铰万向轴相对于花瓣万向轴具有寿命高、传递扭矩大、下井工作后经简易维护可重

复使用等优点。但也存在球铰万向轴内的接触副需要油润滑、油封橡胶套一旦失效后将加速磨砺磨损等缺点。因

此定量地分析球铰万向轴磨损后的剩余强度，合理地规划其下井次数，有助于在保证安全的情况下降低其使用成

本。分析结果表明，球铰万向轴所能承受的扭矩并未随着均匀磨损的发展而明显降低，而钢球及球窝磨损所造成

的偏载才是造成严重后果的根源。

关键词：球铰万向轴；磨损；剩余强度；偏载

中图分类号：TE921文献标志码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.032

1引言[2-3]

窝的接触面定义为不分离无摩擦接触，在有限元模型中，

球铰万向轴相对于花瓣万向轴具有寿命高、传递扭矩将简化的花瓣套底端施加固定约束，并通过简化的连接杆顶

大、下井工作后易于维护且经过维护可重复使用等优点，广部施加扭矩。同时为了保证万向轴应力场分析的正确性，在

[1]

泛应用于石油钻采领域。其内部的钢球将滑动摩擦转换为简化建模过程中依然保证钢球及球窝为实际尺寸，未经磨损

滚动摩擦，有效地降低了万向轴球窝受到的摩擦阻力，延长的钢球、花瓣套及连接杆球窝直径均25.4mm。本文认为钢

了万向轴的使用寿命，在增大钻井扭矩传递效率的同时降低球与球窝的磨损速度等同，因此假定磨损后钢球直径为

了钻井成本。传统认为，当万向轴的橡胶套破损后，在钻井25mm，磨损后球窝的直径为25.8mm，应力分析有限元模

液中磨砺的作用下，钢球以及球窝将加速磨损，因此当橡胶型如图2所示。

套破损后则不再继续修复使用，但未分析钢球的磨损量对于

扭矩传递的定量影响，本文将对球铰万向轴磨损前后进行受

力分析，研究其在磨损的情况下对扭矩传递的影响，对于万

向轴的使用方法优化有一定指导意义。

2球铰万向轴结构有限元分析

[1]

球铰万向轴的总体结构如图1所示，当螺杆马达的转

子带动万象轴连续转动时，镶嵌在连接杆球窝中的钢球通过图2球铰万向轴应力分析网格模型

花瓣套上的球窝将扭矩传递出去。本文研究的球铰万向轴连2.2球铰万向轴的结构应力分析

接杆的最大倾角为5°；螺杆马达的工作转速为60～磨损前后球铰万向轴的钢球及连接杆头部的Mises应力

180r/min，最大输出扭矩为16000Nm，由于工作转速较低，分布云图分别如图3、图4所示，可以看出，磨损前钢球及

而万向轴内部零件的质量不大，因此不考虑离心运动对万向球窝处的最大Mises应力均约为540MPa；磨损后钢球及球

轴的力学作用；连接杆、花瓣套的材质均为4330V，钢球窝处的最大Mises应力均约为560MPa；且最大应力发生在

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