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摘要：动力卡瓦是自动化井口作业设备的重要组成部分，我国对动力卡瓦的研究中有很多成功的研究成果，但是相比较国外，我国动力卡瓦的发展还不够成熟，所以对动力卡瓦力学模型的深入分析，动力卡瓦的结构以及使其重要参数加以总结、归纳，作为以后的设计动力卡瓦的思路或引导有着很重要的意义。
关键词：动力卡瓦；卡瓦体；卡瓦牙；几何参数
中图分类号：TE39
基金项目： 教育部重点实验室资助项目（2006STS02）.
作者简介： 雍伟（1984-），男，硕士研究生，主要从事石油机械设计分析方面的研究。
引言
卡瓦是在油田钻井中用来把钻杆或套管夹紧在转盘上的井口工具。随着科技的进步，我国钻井技术逐步实现了自动化，提高了生产效率，优化了工作环境。但是，在钻杆的安装和拆卸时，国内还是以手工操作为主，井口操作人员需要在井口来回搬运近百公斤重的钻井吊卡或手提钻井卡瓦到井口。这种高强度的劳动自动化程度低、工作效率低、安全性能差，操作失误会造成重大的设备和人身事故。为解决上述问题，自动化井口作业设备开始在国内出现，其中，动力卡瓦是自动化井口作业设备的重要组成部分，我国对动力卡瓦的研究中有很多成功的研究成果，但是相比较国外，我国动力卡瓦的发展还不够成熟，所以对动力卡瓦力学模型的深入分析，以及对动力卡瓦重要参数加以总结、归纳，作为以后的设计动力卡瓦的思路或引导有着很重要的意义。
1动力卡瓦的简介
动力卡瓦优点比较突出，表现在如下几个方面：（1）安全性强，可取消倒换双吊卡工序，从根本上避免单吊卡事故发生，避免了人为发生的钻杆折断或弯曲现象以及对人员的伤害；（2）快捷性，不用现场操作人员人工推、拉吊卡或提防卡瓦，节约起下钻时效一半以上；（3）可操作性强，可实现井口一个人操作，大大降低工人劳动强度，改善工作环境；（4）先进性，卡瓦牙形状设计合理不伤钻杆，性能可靠而且使用寿命长。（5）浅井施工，节奏更快、劳动强度更大，动力卡瓦的安全、快捷优势就更加明显。
目前，国内外动力卡瓦产品的设计主要有两种思路，一是用气动或液压装置直接作动力，用卡瓦将钻杆夹紧；二是利用气动或者液压驱动的升降装置或弹性装置下压楔块机构，并利用楔块的自锁特性，用自重将钻杆锁紧。动力卡瓦应该满足下列的要求：在提升钻杆的时候卡瓦松开并提到一定的高度；能平稳的放下卡瓦夹紧钻杆；卡瓦能离开井口而不妨碍钻进；易损坏的卡瓦牙板应便于拆换。动力卡瓦可以选用液压或是气动作为动力介质，依据钻井作业等各方面的特点，主要选择压缩空气作为动力介质。这主要有两方面的优点：一是目前的钻井作业都带有较大的空气压缩站，这样就可以减少设备投资，降低生产成本；二是压缩空气使用方便，更主要的是不污染环境。所以气动卡瓦是比较理想的选择。
2动力卡瓦结构分析
2.1动力卡瓦工作原理
起管柱时：大钩提起管柱向上移动到适当位置（露出接箍方便上扣），如图1，油路中控制阀作用，液压缸无杆腔进油，推动杆1逆时针旋转，对轴Ⅰ产生扭矩，这个扭矩通过键连接传递给主臂2上，使主臂2也逆时针旋转，主臂2的另一端为连接卡瓦体的提杆，则主臂的逆时针转动就通过提杆将卡瓦体下放，由于卡瓦体背锥面与卡瓦座内锥面的锥度为1：3，符合自锁卡紧的条件，故将卡瓦体下放至与管柱外壁接触处便可以自锁卡紧，这样就完成了动力卡瓦的下放卡紧过程。在完成了卸扣工作后，油路中控制阀向左移动，液压缸有杆腔进油，无杆腔出油，活塞回收，使得杆1顺时针旋转，产生扭矩，同理这个扭矩通过键连接传递给主臂2上，使主臂2也顺时针转动，主臂2的另一端连接卡瓦体的提杆，则主臂2的顺时针转动通过提杆提起卡瓦体，使卡瓦体沿卡瓦座内壁上移，松开管柱，当移动到足以使管柱的接箍通过就停止上移，控制阀复位，大钩向上提管柱，重复以上操作。下管柱时过程与起管柱过程相反。
2.2气动卡瓦的结构特征和工作原理
主要结构：采用三组完全相同的结构均匀分布在钻杆周围；在每组结构中，气缸通过气缸推杆与连接杆相连，连接杆的上端连有滚子，下端与卡瓦体相连；滚子在导块的凹槽中运动，导块固定在固定块上，并且气缸与固定在固定块上的气缸托架相连接；固定块固定在大方瓦内壁里面，并且其下端固定有刮泥瓦；摆杆通过销钉，分别与固定块和卡瓦体相连。工作原理：当气缸通入压力气体后，气缸推杆外伸同时气缸绕固定转轴转动；气缸推杆的作用力通过滚子压到导块的上槽部分，导块上的反作用力通过连接杆传递到卡瓦体上；卡瓦体在推力的作用下，沿着与固定块的接触面下行；在三个气缸的推动下，三片卡瓦体运动到最低端并实现对钻杆的预紧，此时释放钻杆，在钻杆与卡瓦体间摩擦力的作用下钻杆最终停止运动，实现气缸气动卡瓦对钻杆的夹紧；准备上提卡瓦体时，先给气缸通入反向压力气体使气缸推杆收缩，然后动作钻杆上提产生对卡瓦体向上的摩擦力，卡瓦体最终复位到初始状态。
3卡瓦作用力学分析
3.1卡瓦夹紧钻杆的力学模型
卡瓦夹紧时，实际上是牙板上的齿与钻杆接触，由于牙板齿接触线是一段与钻杆外径同半径的弧线，因此，牙板与钻杆的接触可视为两圆柱面接触（同形表面接触）。接触力学指出，在曲面接触中，最大剪应力发生在表层下，因而塑性变形最先始于表层下，其周围被弹性变形所抑制，只有当载荷进一步增加，使塑性变形区逐渐扩展到表面时，在表面上才出现塑性变形特征，即在表面上形成永久性的压痕。由此我们可以得出结论：球面或圆柱对平面，或圆柱对圆柱，抑或曲面对曲面施加载荷时，若平均接触应力未到达三倍压缩屈服应力之前，或者说，平均接触应力未超过表面硬度的值，则表面不会发生明显的永久性压痕，那么我们可利用这一结论来判断动力卡瓦在夹紧时，牙板齿是否在钻杆表面上留下永久性压痕。
卡瓦体的主要功能是固定卡瓦牙，并且与卡瓦座内锥面接触产生自锁。如图3，卡瓦体主要承受来自卡瓦座压力N1、油管管柱的压力N2和与座内锥面的摩擦力F，其主要破坏形式为背锥面的磨损和承受挤压力时的塑性变形。另外，在卡紧状态下卡瓦体底部承受来自卡瓦牙卡紧管柱的纵向力N3。燕尾槽是用来固定卡瓦牙的。由于卡緊状态下背锥面都是与卡瓦座内锥面接触，即整个背锥面可以看成固定面，显然CD为危险断裂面，则，在卡瓦体夹紧钻杆的过程中，钻杆的受力主要在与卡瓦牙接触的表面。气动卡瓦工作时，卡瓦体卡紧钻杆并悬挂于大方瓦上，此时钻杆内产生了很大的周向应力和轴向应力。 在卡瓦体的作用下，钻杆变形较均匀，变形量较小；钻杆的最大应力分布发生在两卡瓦体之间的区域，可以采用增大包角的方式来减小应力集中。满足气动卡瓦能够可靠地夹紧钻杆，但又不压溃钻杆的设计要求。卡瓦体受力时应力值较大地集中在燕尾槽的最底端，底端的棱边与边角部分也出现了应力集中现象。
3.2卡瓦体夹紧钻杆的条件
4卡瓦牙几何参数分析
众所周知，卡瓦刻痕会加速钻杆疲劳。卡瓦刻痕多半是由于卡瓦牙板和钻杆之间载荷分布不均造成的。磨损或破裂的牙板会造成卡瓦刻痕。每个咬伤或带槽都是一个应力集中点，从而加速了疲劳裂纹的形成，降低了接头的寿命。牙板的齿形、材料和硬度对于动力卡瓦的工作质量（卡紧能力、牙板寿命及保护钻柱表面等）有重要影响。
4.1当量摩擦因数
在油管和卡瓦牙组成的模型中将阻止油管沿轴向下滑的阻力与正压力的比值称为当量摩擦系数。当量摩擦因数是检验卡瓦能否卡紧管柱的重要指标，卡瓦卡紧油管的条件为 > （ 为卡瓦体与卡瓦座间的摩擦因数， 为卡瓦牙与油管间的摩擦因数）。若改变卡瓦牙与油管间的表面粗糙度，使其摩擦因数变大，则有利于油管卡紧。当量摩擦因数只与齿前角和金属摩擦因数有关。卡紧管柱时，若考虑到让齿前角完全承担管柱重力时当量摩擦因数与齿前角有关，而齿后角的作用主要是增大卡瓦牙的强度。卡紧管柱时，若卡瓦牙间距和高度的比值Z≈2时，其当量摩擦因数达到最大值。
4.2卡瓦牙强度
由于卡瓦牙的主要破坏形式为牙尖的变形和磨损，所以其受到的最大应力多出现在牙尖部分，在卡瓦生产中，卡瓦牙板齿面均需进行热处理，以保证卡瓦牙表面强度高于管柱强度。但是在实际的卡紧过程中，卡瓦牙也伴随着塑性变形，故有必要对卡瓦牙的强度进行分析。
4.3咬入油管深
咬入深度是考察卡瓦牙对油管破坏程度的重要参数。卡瓦牙尖与油管外壁作用相互挤压时，管柱先发生屈服，且伴随有卡瓦牙尖吃进管柱外壁的现象。随着吃进管柱深度的增加，油管金属在前齿面上滑移，卡瓦牙与管柱外壁的接触面积增大，当达到能承受整个管柱自重的时候，管柱的塑性变形停止，管柱金属停止滑移，同时停止卡瓦牙吃进管柱过程，即达平衡状态，此时咬入深度可由卡瓦牙尖屈服程度计算。
4.4卡瓦牙工作高度和弧长
卡瓦牙工作高度是卡瓦牙与管柱接触面积的重要保证。假设轴向摩擦力均匀分布，将轴向载荷产生的应力与径向载荷产生的应力分开考虑，侧重研究卡瓦下边缘管柱横截面上的弯矩分布，算出内壁的轴向应力和环向应力，给出管柱悬挂力的弹性承载计算式。卡瓦工作高度与卡瓦悬挂载荷呈增函数，也就是说卡紧油管承重能力随动力卡瓦高度的增加而增加；故通常选取卡瓦牙理想的工作高度为200～250mm。
卡瓦牙的环形包角是影响油管径向变形的重要参数。为了能使卡瓦的压力均匀地分布在油管外壁上，应使用对称的卡瓦体卡紧，并且尽量地使卡瓦牙环形包角增大，这对增大卡瓦的悬挂能力和避免卡瓦牙咬伤油管是很重要的。模型是在圆周方向上分配4块卡瓦体，同时升降卡紧油管。不同环形包角在卡紧油管状态下油管的最大变形和最大应力值是不同的：最大径向变形和最大径向应力都随卡瓦牙环形包角的增大而递减；故理想的环形包角β=75?～85?。卡瓦牙环形包角的大小及分布对称程度主要影響油管径向压力的大小，是保证油管不发生挤毁的重要参数。
4.5卡瓦牙齿面分布
改变卡瓦齿面分布对增大摩擦系数有效果。将夹紧系统卡瓦的齿面形状由矩形沟槽齿面更改为菱形沟槽齿面（如图4所示），对于降低夹紧系统夹紧压力、减小夹紧系统几何尺寸以及减小装配时的预紧力都是十分有利的，即对于稳定夹紧系统是积极的。在同等的卡瓦体上，安装矩形牙板的卡瓦体和安装菱形牙板的卡瓦体其卡牙跟管柱接触面的摩擦力是不同的。相对于光滑平面而言，卡瓦牙的分布是影响摩擦系数的重要因素。
5 结束语
虽然国外在动力卡瓦的研究使用方面取得了领先，但是这些又存在难以适应国内井口设备和人员的操作现状。另外由于结构复杂、价格昂贵等原因，难以在国内推广使用。而且国外生产的某些产品均没有刮泥装置，井口起钻作业时仍需人工刮泥或配备专用刮泥盘清除钻杆上附带的泥浆，没有完全实现井口自动化作业。与发达国家相比较，我国的钻井工具相对落后，尤其在钻井卡瓦的使用上，国外大多数使用机械手、气动卡瓦；而目前国内绝大部分油气田（或地质）钻井工程中起下钻作业时，大都采用双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦作业方式，自动化程度低、效率低、劳动强度大、安全性能不高显而易见，操作失误会造成重大的设备和人身事故。特别是手提式卡瓦重量大都比较大，迫切需要一种可减轻钻井劳动强度、提高工作效率的动力卡瓦。采用动力卡瓦减轻了钻井个人的劳动强度、加速了起下钻作业、提高了工作效率；采用压缩空气作为卡瓦结构的动力介质，减少设备投资、降低生产成本、不污染环境。
参考文献
[1] 杜晓瑞等.钻井工具手册[M].北京石油工业出版社，1999.13～14.
[2] 张有志，王亚力.钻杆卡瓦牙板齿形设计的试验研究.石油机械，1981，9（3）： 1～17.
[3] 田东海.动力卡瓦的国内外发展现状[J].机械，2007，34（增刊）：7～12.
[4] 庞浩.嵌入式卡瓦结构参数分析与应用[J].浙江万里学院学报，2006，13（2）：30～32.
[5] 王志安.油田修井作业气动卡盘[J].中国安全科学学报，2001，11（2）：57～59.
[6] 朱海燕，刘清友等.钻杆卡瓦牙板齿齿形设计[J].石油机械， 2008，36（11）： 68～70.
[7] 崔孝秉，韩新利.卡瓦内悬挂管柱弹性承载能力与计算[J].石油大学学报：自然科学版，1999，23（1）： 62～65.
关键词：动力卡瓦；卡瓦体；卡瓦牙；几何参数
中图分类号：TE39
基金项目： 教育部重点实验室资助项目（2006STS02）.
作者简介： 雍伟（1984-），男，硕士研究生，主要从事石油机械设计分析方面的研究。
引言
卡瓦是在油田钻井中用来把钻杆或套管夹紧在转盘上的井口工具。随着科技的进步，我国钻井技术逐步实现了自动化，提高了生产效率，优化了工作环境。但是，在钻杆的安装和拆卸时，国内还是以手工操作为主，井口操作人员需要在井口来回搬运近百公斤重的钻井吊卡或手提钻井卡瓦到井口。这种高强度的劳动自动化程度低、工作效率低、安全性能差，操作失误会造成重大的设备和人身事故。为解决上述问题，自动化井口作业设备开始在国内出现，其中，动力卡瓦是自动化井口作业设备的重要组成部分，我国对动力卡瓦的研究中有很多成功的研究成果，但是相比较国外，我国动力卡瓦的发展还不够成熟，所以对动力卡瓦力学模型的深入分析，以及对动力卡瓦重要参数加以总结、归纳，作为以后的设计动力卡瓦的思路或引导有着很重要的意义。
1动力卡瓦的简介
动力卡瓦优点比较突出，表现在如下几个方面：（1）安全性强，可取消倒换双吊卡工序，从根本上避免单吊卡事故发生，避免了人为发生的钻杆折断或弯曲现象以及对人员的伤害；（2）快捷性，不用现场操作人员人工推、拉吊卡或提防卡瓦，节约起下钻时效一半以上；（3）可操作性强，可实现井口一个人操作，大大降低工人劳动强度，改善工作环境；（4）先进性，卡瓦牙形状设计合理不伤钻杆，性能可靠而且使用寿命长。（5）浅井施工，节奏更快、劳动强度更大，动力卡瓦的安全、快捷优势就更加明显。
目前，国内外动力卡瓦产品的设计主要有两种思路，一是用气动或液压装置直接作动力，用卡瓦将钻杆夹紧；二是利用气动或者液压驱动的升降装置或弹性装置下压楔块机构，并利用楔块的自锁特性，用自重将钻杆锁紧。动力卡瓦应该满足下列的要求：在提升钻杆的时候卡瓦松开并提到一定的高度；能平稳的放下卡瓦夹紧钻杆；卡瓦能离开井口而不妨碍钻进；易损坏的卡瓦牙板应便于拆换。动力卡瓦可以选用液压或是气动作为动力介质，依据钻井作业等各方面的特点，主要选择压缩空气作为动力介质。这主要有两方面的优点：一是目前的钻井作业都带有较大的空气压缩站，这样就可以减少设备投资，降低生产成本；二是压缩空气使用方便，更主要的是不污染环境。所以气动卡瓦是比较理想的选择。
2动力卡瓦结构分析
2.1动力卡瓦工作原理
起管柱时：大钩提起管柱向上移动到适当位置（露出接箍方便上扣），如图1，油路中控制阀作用，液压缸无杆腔进油，推动杆1逆时针旋转，对轴Ⅰ产生扭矩，这个扭矩通过键连接传递给主臂2上，使主臂2也逆时针旋转，主臂2的另一端为连接卡瓦体的提杆，则主臂的逆时针转动就通过提杆将卡瓦体下放，由于卡瓦体背锥面与卡瓦座内锥面的锥度为1：3，符合自锁卡紧的条件，故将卡瓦体下放至与管柱外壁接触处便可以自锁卡紧，这样就完成了动力卡瓦的下放卡紧过程。在完成了卸扣工作后，油路中控制阀向左移动，液压缸有杆腔进油，无杆腔出油，活塞回收，使得杆1顺时针旋转，产生扭矩，同理这个扭矩通过键连接传递给主臂2上，使主臂2也顺时针转动，主臂2的另一端连接卡瓦体的提杆，则主臂2的顺时针转动通过提杆提起卡瓦体，使卡瓦体沿卡瓦座内壁上移，松开管柱，当移动到足以使管柱的接箍通过就停止上移，控制阀复位，大钩向上提管柱，重复以上操作。下管柱时过程与起管柱过程相反。
2.2气动卡瓦的结构特征和工作原理
主要结构：采用三组完全相同的结构均匀分布在钻杆周围；在每组结构中，气缸通过气缸推杆与连接杆相连，连接杆的上端连有滚子，下端与卡瓦体相连；滚子在导块的凹槽中运动，导块固定在固定块上，并且气缸与固定在固定块上的气缸托架相连接；固定块固定在大方瓦内壁里面，并且其下端固定有刮泥瓦；摆杆通过销钉，分别与固定块和卡瓦体相连。工作原理：当气缸通入压力气体后，气缸推杆外伸同时气缸绕固定转轴转动；气缸推杆的作用力通过滚子压到导块的上槽部分，导块上的反作用力通过连接杆传递到卡瓦体上；卡瓦体在推力的作用下，沿着与固定块的接触面下行；在三个气缸的推动下，三片卡瓦体运动到最低端并实现对钻杆的预紧，此时释放钻杆，在钻杆与卡瓦体间摩擦力的作用下钻杆最终停止运动，实现气缸气动卡瓦对钻杆的夹紧；准备上提卡瓦体时，先给气缸通入反向压力气体使气缸推杆收缩，然后动作钻杆上提产生对卡瓦体向上的摩擦力，卡瓦体最终复位到初始状态。
3卡瓦作用力学分析
3.1卡瓦夹紧钻杆的力学模型
卡瓦夹紧时，实际上是牙板上的齿与钻杆接触，由于牙板齿接触线是一段与钻杆外径同半径的弧线，因此，牙板与钻杆的接触可视为两圆柱面接触（同形表面接触）。接触力学指出，在曲面接触中，最大剪应力发生在表层下，因而塑性变形最先始于表层下，其周围被弹性变形所抑制，只有当载荷进一步增加，使塑性变形区逐渐扩展到表面时，在表面上才出现塑性变形特征，即在表面上形成永久性的压痕。由此我们可以得出结论：球面或圆柱对平面，或圆柱对圆柱，抑或曲面对曲面施加载荷时，若平均接触应力未到达三倍压缩屈服应力之前，或者说，平均接触应力未超过表面硬度的值，则表面不会发生明显的永久性压痕，那么我们可利用这一结论来判断动力卡瓦在夹紧时，牙板齿是否在钻杆表面上留下永久性压痕。
卡瓦体的主要功能是固定卡瓦牙，并且与卡瓦座内锥面接触产生自锁。如图3，卡瓦体主要承受来自卡瓦座压力N1、油管管柱的压力N2和与座内锥面的摩擦力F，其主要破坏形式为背锥面的磨损和承受挤压力时的塑性变形。另外，在卡紧状态下卡瓦体底部承受来自卡瓦牙卡紧管柱的纵向力N3。燕尾槽是用来固定卡瓦牙的。由于卡緊状态下背锥面都是与卡瓦座内锥面接触，即整个背锥面可以看成固定面，显然CD为危险断裂面，则，在卡瓦体夹紧钻杆的过程中，钻杆的受力主要在与卡瓦牙接触的表面。气动卡瓦工作时，卡瓦体卡紧钻杆并悬挂于大方瓦上，此时钻杆内产生了很大的周向应力和轴向应力。 在卡瓦体的作用下，钻杆变形较均匀，变形量较小；钻杆的最大应力分布发生在两卡瓦体之间的区域，可以采用增大包角的方式来减小应力集中。满足气动卡瓦能够可靠地夹紧钻杆，但又不压溃钻杆的设计要求。卡瓦体受力时应力值较大地集中在燕尾槽的最底端，底端的棱边与边角部分也出现了应力集中现象。
3.2卡瓦体夹紧钻杆的条件
4卡瓦牙几何参数分析
众所周知，卡瓦刻痕会加速钻杆疲劳。卡瓦刻痕多半是由于卡瓦牙板和钻杆之间载荷分布不均造成的。磨损或破裂的牙板会造成卡瓦刻痕。每个咬伤或带槽都是一个应力集中点，从而加速了疲劳裂纹的形成，降低了接头的寿命。牙板的齿形、材料和硬度对于动力卡瓦的工作质量（卡紧能力、牙板寿命及保护钻柱表面等）有重要影响。
4.1当量摩擦因数
在油管和卡瓦牙组成的模型中将阻止油管沿轴向下滑的阻力与正压力的比值称为当量摩擦系数。当量摩擦因数是检验卡瓦能否卡紧管柱的重要指标，卡瓦卡紧油管的条件为 > （ 为卡瓦体与卡瓦座间的摩擦因数， 为卡瓦牙与油管间的摩擦因数）。若改变卡瓦牙与油管间的表面粗糙度，使其摩擦因数变大，则有利于油管卡紧。当量摩擦因数只与齿前角和金属摩擦因数有关。卡紧管柱时，若考虑到让齿前角完全承担管柱重力时当量摩擦因数与齿前角有关，而齿后角的作用主要是增大卡瓦牙的强度。卡紧管柱时，若卡瓦牙间距和高度的比值Z≈2时，其当量摩擦因数达到最大值。
4.2卡瓦牙强度
由于卡瓦牙的主要破坏形式为牙尖的变形和磨损，所以其受到的最大应力多出现在牙尖部分，在卡瓦生产中，卡瓦牙板齿面均需进行热处理，以保证卡瓦牙表面强度高于管柱强度。但是在实际的卡紧过程中，卡瓦牙也伴随着塑性变形，故有必要对卡瓦牙的强度进行分析。
4.3咬入油管深
咬入深度是考察卡瓦牙对油管破坏程度的重要参数。卡瓦牙尖与油管外壁作用相互挤压时，管柱先发生屈服，且伴随有卡瓦牙尖吃进管柱外壁的现象。随着吃进管柱深度的增加，油管金属在前齿面上滑移，卡瓦牙与管柱外壁的接触面积增大，当达到能承受整个管柱自重的时候，管柱的塑性变形停止，管柱金属停止滑移，同时停止卡瓦牙吃进管柱过程，即达平衡状态，此时咬入深度可由卡瓦牙尖屈服程度计算。
4.4卡瓦牙工作高度和弧长
卡瓦牙工作高度是卡瓦牙与管柱接触面积的重要保证。假设轴向摩擦力均匀分布，将轴向载荷产生的应力与径向载荷产生的应力分开考虑，侧重研究卡瓦下边缘管柱横截面上的弯矩分布，算出内壁的轴向应力和环向应力，给出管柱悬挂力的弹性承载计算式。卡瓦工作高度与卡瓦悬挂载荷呈增函数，也就是说卡紧油管承重能力随动力卡瓦高度的增加而增加；故通常选取卡瓦牙理想的工作高度为200～250mm。
卡瓦牙的环形包角是影响油管径向变形的重要参数。为了能使卡瓦的压力均匀地分布在油管外壁上，应使用对称的卡瓦体卡紧，并且尽量地使卡瓦牙环形包角增大，这对增大卡瓦的悬挂能力和避免卡瓦牙咬伤油管是很重要的。模型是在圆周方向上分配4块卡瓦体，同时升降卡紧油管。不同环形包角在卡紧油管状态下油管的最大变形和最大应力值是不同的：最大径向变形和最大径向应力都随卡瓦牙环形包角的增大而递减；故理想的环形包角β=75?～85?。卡瓦牙环形包角的大小及分布对称程度主要影響油管径向压力的大小，是保证油管不发生挤毁的重要参数。
4.5卡瓦牙齿面分布
改变卡瓦齿面分布对增大摩擦系数有效果。将夹紧系统卡瓦的齿面形状由矩形沟槽齿面更改为菱形沟槽齿面（如图4所示），对于降低夹紧系统夹紧压力、减小夹紧系统几何尺寸以及减小装配时的预紧力都是十分有利的，即对于稳定夹紧系统是积极的。在同等的卡瓦体上，安装矩形牙板的卡瓦体和安装菱形牙板的卡瓦体其卡牙跟管柱接触面的摩擦力是不同的。相对于光滑平面而言，卡瓦牙的分布是影响摩擦系数的重要因素。
5 结束语
虽然国外在动力卡瓦的研究使用方面取得了领先，但是这些又存在难以适应国内井口设备和人员的操作现状。另外由于结构复杂、价格昂贵等原因，难以在国内推广使用。而且国外生产的某些产品均没有刮泥装置，井口起钻作业时仍需人工刮泥或配备专用刮泥盘清除钻杆上附带的泥浆，没有完全实现井口自动化作业。与发达国家相比较，我国的钻井工具相对落后，尤其在钻井卡瓦的使用上，国外大多数使用机械手、气动卡瓦；而目前国内绝大部分油气田（或地质）钻井工程中起下钻作业时，大都采用双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦作业方式，自动化程度低、效率低、劳动强度大、安全性能不高显而易见，操作失误会造成重大的设备和人身事故。特别是手提式卡瓦重量大都比较大，迫切需要一种可减轻钻井劳动强度、提高工作效率的动力卡瓦。采用动力卡瓦减轻了钻井个人的劳动强度、加速了起下钻作业、提高了工作效率；采用压缩空气作为卡瓦结构的动力介质，减少设备投资、降低生产成本、不污染环境。
参考文献
[1] 杜晓瑞等.钻井工具手册[M].北京石油工业出版社，1999.13～14.
[2] 张有志，王亚力.钻杆卡瓦牙板齿形设计的试验研究.石油机械，1981，9（3）： 1～17.
[3] 田东海.动力卡瓦的国内外发展现状[J].机械，2007，34（增刊）：7～12.
[4] 庞浩.嵌入式卡瓦结构参数分析与应用[J].浙江万里学院学报，2006，13（2）：30～32.
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[6] 朱海燕，刘清友等.钻杆卡瓦牙板齿齿形设计[J].石油机械， 2008，36（11）： 68～70.
[7] 崔孝秉，韩新利.卡瓦内悬挂管柱弹性承载能力与计算[J].石油大学学报：自然科学版，1999，23（1）： 62～65.