摘要：现如今，我国是科学技术快速发展的新时期，轮式水平井爬行器驱动轮与套管管壁接触过程中会在管壁上留下塑性变形压痕，该压痕形貌对爬行器的运动性能影响较大，而轮齿与管壁材料的斜压接触过程非常复杂，目前还没有相应的理论模型来分析该过程。该文详细分析了正压力和转矩同时作用下，轮齿斜压管壁时不同载荷条件下压痕形成的规律，将载荷分为６个不同的作用区域。利用滑移线理论，分析计算了每个区域轮齿不同接触状态下的压力分布，建立了轮齿载荷与压痕形貌之间的力学计算模型。在此基础上，分析和计算了各作用区域间的临界载荷，并介绍了理论模型的正向和逆向应用方法。最后对４个稳定作用区域的理论模型从压深、滑移量、压痕形貌和接触面上压力分布等４个方面进行了仿真验证，并进行了压痕验证试验。仿真和试验结果均表明：对轮齿载荷作用的分区及所建立的理论计算模型是合理的。为今后爬行器载荷控制策略的优化以及驱动轮多齿牵引力的建模与优化奠定了基础。
关键词：爬行器；压痕形貌；塑性接触模型；滑移线理论；压力分布
引言
轮式爬行器主要用于向油井水平段输送仪器，其牵引力依靠驱动轮的楔形轮齿与管壁之间的接触产生。目前针对爬行器与管壁接触的研究工作相对较少，相关文献简单地利用摩擦因数的经验值来处理正压力与牵引力的关系。然而，在实际工作中由于正压力和牵引力可达３ ０００Ｎ以上，驱动轮会在管壁产生塑性变形压痕。这就导致接触状态与传统的干摩擦区别较大，牵引力的理论上界也存在差异。考虑到该情况并利用有限元法进行了分析，虽然提出了压痕区域面积计算方法，但是没有建立完整受力条件下的理论模型，无法进一步对滚动接触进行分析和对牵引力进行计算。因此，根据实际发生的塑性接触过程建立新的正压理论模型十分必要。滑移线理论最早用于求解满足平面应变假设和理想刚塑性假设的塑性接触问题。
1爬行器驱动机构简介
爬行器是一种主要用来完成井下工具和测井仪器的移动运输载体，集成了环境识别检测系统和任务操作系统的移动载体，但是一般只能完成单一任务。而水平井爬行器却能够同时完成许多项任务，所携带的井下工具也根据任务的不同可以进行调整，同时，爬行器自身还集成了专门的环境识别装置。因此，对于水平井爬行器来说，跨障碍机构和动力驱动机构所组成的机械系统才是爬行器必需的，而不需要集成识别环境的机器视觉之类的检测模块，而且爬行器拥有良好的接口，能够与各种操作系统模块、检测系统模块以及控制系统模块很好对接，爬行器还具备较强的跨障碍能力和对不同管径的适应能力。轮式水平井爬行器的运动原理是:在牵引器工作时，因为支撑臂会把驱动轮紧压在管壁上，因此会产生一个封闭力，在这个封闭力的作用下，爬行器的每个驱动轮将会与管壁之间产生压力，由于驱动轮的旋转所产生的牵引力，是水平井爬行器在管道内前后移动的主要动力。
2斜压力学模型
驱动轮轮齿与管壁的弹塑性变形问题涉及到接触非线性和材料非线性２个难点，目前尚无有效的理论模型可以精确刻画其变化规律。为了简化分析，进行如下假设：假设１ 由于驱动轮的材料为２０ＣｒＭｏＴｉ，屈服强度（８８５ＭＰａ）和硬度（２１７ＨＢ）均大幅高于试验用６０６１铝板，故假设轮齿在接触过程中不发生变形。假设２ 由于轮齿厚度为１０ｍｍ，压痕深度为０．５ｍｍ左右，二者相差较大，故假设在齿厚方向压力分布不发生变化，故转化为二维平面应变问题。假设３经过前期仿真表明，达到实际压深时弹性变形部分占比较小（２％～５％），故假设管壁材料为理想刚塑性，采用Ｍｉｓｅｓ屈服准则下的Ｐｒａｎｄｔｌ－Ｒｅｕｓｓ本构关系和关联塑性流动法则进行分析。假设４由于摩擦力影响因素较多（各点接触状态、轮齿表面粗糙度、接触面温度等），此处暂不考虑接触部分摩擦力的影响。由此便可利用滑移线理论来分析处理该问题。
3区域临界线求解及模型的应用
3.1有限元验证
为判断案例是否正确合理，再利用有限元方法做进一步验证。通过几何关系，计算出在驱动轮旋转的过程中，一个齿压入管壁后旋出时，后方的齿并没有压入管壁，所以不存在两个齿同时压入的应力波动问题，这样分析就可以简化成一个齿与管壁的接触。在此，对轮齿与管壁进行大位移静态接触分析，包括材料的非线性问题，分析轮齿压入管壁后二者的应力分布及变形情况。分析中采用solid185单元，套管材料的本构关系假设为双线性各向同性强化(BISO)，它是用双线性曲线代替多线性曲线，通常对大变形分析较佳。套管的型号选择API标准V150，设置其杨氏模量为2×105MPa，泊松比为0.3。对于塑性阶段，设置屈服应力为1100MPa，剪切模量为6．1×103MPa。再设置另一种材料，即驱动轮的材料，其杨氏模量为2．8×105MPa，泊松比为0．3。在接触的设置中，接触单元为CONTA174，目标单元为TAＲGE170。设置两个载荷步，第一个载荷步令轮齿向下压入管壁0．8mm;第二个载荷步使轮齿上升，模拟退出过程。
3.2创建设计变量
建立参数化模型时，将构成机构的一系列几何点坐标用设计变量或是含有设计变量的数学表达式代替后，这时当机构中构成某构件的一个或是几个点坐标发生变化时，构件的尺寸发生改变，与其相关联的其他部件也一同发生变化，使机构的整体自动更新，而不需要通过逐一改变各构件的尺寸参数来修改整个模型，可节省很多修改模型的时间，提高设计效率。
3.3试验结果
爬行试验也获得了驱动轮在实际工作过程中留下的压痕痕迹。为了获取压痕形状的具体参数，试验利用了Ｎｅｘｖｉｅｗ三维白光干涉形貌仪对其进行测量。该仪器利用非接触式白光扫描干涉原理可以精确测量物体表面的形貌，垂直分辨率可达０．１ｎｍ。可以看出，理论模型较为准确地反映了压入深压痕形状对比度和隆起高度，也解释了在转矩作用下两侧隆起高度出现的明显不一致现象。实际压痕宽度比理论值大的原因主要是驱动轮在实际滚动过程中既有正压状态也有斜压状态。若正压力和转矩均不变，则正压时正压力在法向投影最大，压入深度也达到最大；斜压时正压力分力与转矩效果类似，还用于产生水平偏移，导致实际压痕宽度变大。因此对于完整刻画实际压痕形状仍需要建立更为精确的斜压模型。
结语
本文根据ＦＴ和ＦＮ之间的不同比例关系，将轮齿倾斜压入管壁材料时的载荷条件分为６个不同作用区域，利用滑移线理论分析和计算了各作用区域内轮齿接触部分的压力分布函数，并建立了压痕形貌与载荷之间的计算模型。通过有限元仿真和压痕试验发现：当轮齿左右两侧面材料均有塑性变形时，法向力主要对压深产生影响，而切向力主要对水平滑移量产生影响；当轮齿只有单侧材料有塑性变形时，除法向力主要对压深产生影响外，切向力也会令压深发生变化。斜压过程的力学模型为多齿牵引力建模提供了齿间塑性变形位移约束方程，为研究某一个转动周期内轮齿的受力与压痕轮廓的函数关系奠定了基础。但是由于对材料弹性变形和硬化的忽略以及试验装置摩擦等的影响，导致试验实际隆起高度与计算值存在较大误差，后续研究中，可以将模型中的材料参数视为关于Ｙｏｕｎｇｓ模量、屈服强度和硬化指数的变量，并利用有限元仿真结果进行拟合，对模型进行改进。
参考文献
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