专利名称：以径向相互作用来减少轴向相互作用的可应用于泵杆的高耐疲劳的连接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一可用于一泵杆的高耐疲劳的连接装置，其通过径向相互作用来减少轴向相互作用。更具体地，本发明涉及一连接装置，其包括有一锥螺纹、梯形齿和侧面-侧面型齿间接触。
背景技术：
泵杆中的疲劳损坏问题在D级、API-11B的直径为22.22毫米(7/8英寸)的泵杆中更为严重。大部分这种损坏被证实发生在所述连接装置或泵杆“销”的末端接合齿区内。为解决这种问题，已开发出一种具有特别值得强调的疲劳损坏抵抗力的泵杆用连接装置。分析诸如齿侧角、轴向相互作用和径向相互作用等不同的参数变化，直至获得一种经受得住考验的设计。这种分析将通过有限单元法来完成。首先分析一种D级直径为22.22毫米(7/8英寸)的实心泵杆的连接装置的行为，以及分析一种变型设计，其中去除了“销”的两个末端接合齿(R.Toscano和J.Pereiras，“D级7/8英寸的泵杆连接装置的有限元分析。疲劳准数的计算和建议的变换设计变型”。资料来源CINII.1705/01；1，2001)。随后，在另一份资料中(R.Toscano和J.Pereiras，对不同轴向相互作用值的D级7/8英寸的泵杆的连接装置的有限元分析。资料来源，CINII.1731/01，4，2001)，研究了轴向相互作用对疲劳参数的影响，并确定了优化的轴向相互作用值的必要条件，从而保证在加载和卸载期间所述肩部保持闭合而没有超量扭转(Sobre-torquear)，因为随着轴向相互作用的提高，疲劳参数值会变坏。最后，在另一资料(R.Toscano和J.Pereiras，“D级7/8英寸的泵杆的连接装置的有限元分析。(标准设计的简单改变)”。资料来源CINII.1749/01，6，2001)中分析了一种连接装置的设计，其包括标准设计的简单改变(“虚网格”)，而没有显示出比已有技术更好的特性。
最初，螺纹是柱形的，没有径向相互作用，为此所有的拧紧调节都依赖于轴向相互作用。按照本发明的连接装置，其带有锥螺纹、梯形齿和侧面-侧面型的齿接触。特别地，所述连接装置在每25.4毫米上由4至10个齿构成，优选为每25.4毫米(1英寸)上由6个齿构成，且齿侧角为2°至10°，优选为3°，并且螺纹的锥度从1/15至1/30。这样就获得用径向相互作用来减少轴向相互作用。另外，侧面-侧面型接触改善了泵杆的疲劳特征。通过对疲劳参数的研究，从Sandia实验室的资料得出指导性结果(Lineamientos)(E.L.Hottman，“泵杆连接装置的有限元分析及改进疲劳寿命指南”，SAND 97-1652.UC-122，Sandia国际实验室，美国，9，1997)，其中，疲劳参数按如下计算 其中，σa=[(Sa1-Sa2)2+(Sa2-Sa3)2+(Sa3-Sa1)2]1/22]]>σ‾m=Sm1+Sm2+Sm33]]>Sai主应力变化分量Smi主应力平均分量变化分量和平均分量可根据一个负载循环的最大值和最小值来按以下表达式计算Sai=Si,max-Si,min2]]>Smi=Si,max+Si,min2]]>系数D应大于或等于1，以便保证无限的使用寿命。
连接装置的有限元模型考虑一种弹塑性材料，其具有多线性的硬度、按照Von Mises的流动标准的相关塑性和各向同性的硬度(K.J.Buthe.“有限元方法”Prentie Hall，1996)。这种模型通过使用有限元程序ADINA来发展(“ADINA系统”，ADINA RδD，Watertown，MA，USA)。接触条件用Lagrange乘数接触算法来解决(Bathe，A.Chandhary，“平面轴对称接触问题的解决方法”，Int.J.Numer.Meth.Engn.21，61-88，1985)，其包括在ADINA法则中。
负载状况a.安装在先前的研究中，按API-11BR标准(API Recommendedpractice 11BR，“泵杆的维护和操作推荐规程”，10，1989)给出例如7.14mm(9/32英寸)的周向位移，这个周向位移值意味着0.14毫米的轴向相互作用。相反，本发明提出的连接装置，由于涉及一种具有径向相互作用的锥螺纹，就不需要如此高的轴向相互作用。分析两种轴向相互作用值(0.10毫米和0.05毫米)，并从所得结果中选取较低值用于由连接装置使用的有限元模型中。
b.加载状况疲劳极限从修正的Goodman图表中确定(APIspecificution 11B，“泵杆规范”，7，1998)(从图2a往下)，用于C级的由Sandia建议的值乘以因子1.28，该因子等于C级最小断裂应力(63.28kg/mm2或90ksi)和D级最小断裂应力(80.851g/mm2或115ksi)的关系(R.Toscano和J.Pereiras，“D级7/8英寸的泵杆连接装置的有限元分析。疲劳准数的计算和建议的变换设计变型”。资料来源，CINII.1705/01，1，2001)。为本分析而考虑三个具有最小极值13.5kg/mm2(19.2ksi)和最高极值27kg/mm2(38.4ksi)的负载循环。
D级材料的性质是在API11BR中建立的数据。
多种分析下表给出五种分析情形。从一种具有锥螺纹、梯形齿和侧面-侧面型接触的基础设计出发，分析不同变量，如肩部轴向相互作用、径向相互作用、齿宽和齿侧角的影响。(R.Toscano，M.Gonzalez和J.Pereiras“D级7/8英寸泵杆的改进连接装置的建议”，资料来源CINI I.1811/01，9，2001)
流动应力59.77kg/mm2＝85KSI(D级的流动极限)五种情形的分析结果应注意到，在“销”齿上产生的力的图中，齿N°1离肩部最远。
情形1该设计从两点上看具有缺陷结构(塑性齿)和疲劳(具有负值占优势的系数)。系数D在最大主应力区具有很差的特性，而这种应力是由轴向相互作用的结果。以该分析结果为起点，决定首先分析减小轴向相互作用的影响，并且其次分析径向相互作用的影响。
情形2证实了减小轴向相互作用改进了应力分布并进而改进了疲劳系数的假设。齿塑性化问题依然存在，为此进行分析螺纹径向相互作用减小的影响。
情形3虽然在该情形下，结构和疲劳都得到较好的结果，但是被考虑的径向相互作用是很低，约为制造公差的数量级。这样的相互作用值可作为最小值但不是正常值。为此进行新的分析，改变齿宽和侧角以便齿承受一较大径向相互作用而没有太大变形。
情形4
结构和疲劳的结果都是好的。考虑到连接装置的制造公差，用0.10mm的径向相互作用重作分析，该数值看作为径向相互作用的最小值。
情形5在该情形中，分析较小值的径向相互作用。所获得的结果比径向相互作用为0.10mm和0.20mm的都好。考虑到制造公差，0.10mm至0.20mm的范围能被看作为可能范围。然后进入到连接装置的试验阶段。
以下描述本发明的细节，其基于0.10mm和0.20mm的径向相互作用，都与唯一的轴向相互作用0.05mm相结合，因为所述组合被认为是最佳的，以便得到连接装置较好的疲劳特性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，提出一种用径向相互作用来减少轴向相互作用的泵杆连接装置。
还有另一目的是，所述连接装置从一锥螺纹生成，并且有梯形齿和侧面-侧面型齿间接触。
还有另一目的是，通过维持一径向相互作用来减少轴向相互作用。
还有另一目的是，通过侧面-侧面型接触改进疲劳特性。
还有另一目的是，通过确定齿的宽度和由之的齿侧角，齿的变形应被降低。
还有另一目的是，由于连接装置承载而出现的拉伸应力和塑性变形减小，且所述应力和变形的分布比柱形螺纹连接装置更均匀。
以下对附图作一简短描述图1A示出一柱形连接装置(现有技术)和图1B示出本发明的锥形连接装置(B)。
图2A和2B分别示出修正的Gordman图表和D级泵杆的修正的Gordman图表，两者都用于确定疲劳极限。
图3中的每一个示出在安装期间相对于现有技术的连接装置的流动应力的主拉伸应力。
图4示出现有技术的连接装置在安装时加载至第三圈期间的塑性变形，以及最大负载时的塑性变形。
图5示出现有技术的泵杆连接装置在五个不同区处的疲劳系数D的图表。
图6示出在安装期间和在对应于最大疲劳循环的拉伸期间的柱形连接装置的螺纹上的接触力的图表。
图7示出在一本发明的具有0.20mm径向相互作用的连接装置在安装期间相对于流动应力的主拉伸应力。
图8示出在安装时和在最大负载时本发明的具有0.20mm径向相互作用的连接装置上的塑性变形。
图9示出本发明的具有0.20mm径向相互作用的连接装置在五个不同区处的疲劳系数D的图表。
图10示出在安装时和在最大负载安装时本发明的具有0.20mm径向相互作用的连接装置的螺纹上的接触力图表。
图11示出在本发明的具有0.10mm径向相互作用的连接装置在安装时相对于流动应力的主拉伸应力。
图12示出在安装时和在最大负载时在本发明的具有0.10mm径向相互作用的连接装置上的塑性变形。
图13示出本发明的具有0.10mm径向相互作用的连接装置在五个不同区域处的疲劳系数D的图表。
图14示出在安装时和在最大负载安装时本发明的具有0.10mm径向相互作用的连接装置的螺纹上的接触力的图表。
具体实施例方式
图1(A和B)和图2(A和B)已在上述出现的段落中描述过。另一方面，按图3至14示出的两种设计的比较结果，清楚地确定具有锥螺纹的连接装置相对于具有柱螺纹的连接装置的优势。并示出了在拧紧期间的主应力、等价的塑性变形、在“销”齿上产生的力以及在某些认为关键的区域处计算的疲劳系数D。考虑到连接装置的制造公差的同时，已按两种径向相互作用进行了分析，一个示为情形A的较大径向相互作用(0.20mm)和一个示为情形B的较小径向相互作用(0.10mm)，两种情形给出类似的结果。通过将图3与图7和11相比较，可注意到，降低主应力值，则位于“销”的末端接合齿和肩部之间的高应力区(图中的参考标注I)消失。由于较小的轴向相互作用，这改进了连接装置的疲劳特性。
关于塑性变形，图8和12示出在锥形连接装置中，塑性变形是最小的(图12的情形B，几乎为零)。在图4中，可看出，柱形连接装置的设计中的塑性变形是非常大的，同时影响着“锥”的末端接合齿区，这里被证实为损坏的主要侯选区域。
疲劳系数D-其应大于所述单元以便确保连接装置的无限疲劳寿命，在所述锥形连接装置中具有一较好的特性(见图5，9和13)。
最后，可看出，具有锥形连接装置的“销”齿产生的力(图10和14)由于较小的轴向相互作用而比柱形连接装置(图6)产生的力更小。
权利要求
1.以径向相互作用来减小轴向相互作用的可用于泵杆的高耐疲劳的连接装置，其特征在于，所述连接装置通过一具有梯形齿的锥螺纹来实现，且其中的所述齿间接触是侧面-侧面型的。
2.按权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述齿数在4到10之间，优选为6。
3.按权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述齿侧角在2°到10°之间，优选为3°。
4.按权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述螺纹的锥度在1/15至1/30之间。
5.按上述任一权利要求所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置具有一高耐疲劳的强度。
全文摘要
本发明涉及以径向相互作用来减小轴向相互作用的可用于泵杆的高耐疲劳的连接装置。所述连接装置由一锥形螺纹和梯形齿构成，其齿间接触是侧面－侧面型。每一泵杆在每25.4mm(1英寸)长度上具有4至10个齿，优选6个齿，齿侧角在2°至10°之间，优选为3°，且螺纹的锥度在1/15至1/30之间。侧面－侧面型接触提高了疲劳特性，而且螺纹的齿宽和齿角根据考虑到在齿上的低变形来确定。而且，由于泵杆连接装置加载而出现的拉伸应力和塑性变形得以减小，而且其分布比没有径向相互作用的柱形连接装置情形更加均匀，在柱形连接装置情形中所有拧紧调节依赖于轴向相互作用。
文档编号F16B39/282GK1553061SQ03138528
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月30日 优先权日2003年5月30日
发明者丽塔·G·拖斯卡诺, 尼古拉斯·H·M·迪特罗, 丽塔 G 拖斯卡诺, 斯 H M 迪特罗 申请人:西德尔卡有限公司