射流式液動(dòng)沖擊器活塞缸體受力分析

射流式液動(dòng)沖擊器活塞缸體受力分析

0射流式液動(dòng)沖擊器現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題20世紀(jì)90年代，李國斌和陶興思開發(fā)了驅(qū)動(dòng)器。此后，經(jīng)過多年的改進(jìn)，驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)不斷改進(jìn)，并已成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明,與老式的閥式液動(dòng)沖擊器、氣動(dòng)沖擊器以及油壓沖擊器相比,射流式液動(dòng)沖擊器能夠大幅提高鉆井機(jī)械鉆速,減少鉆頭磨損,提高鉆井綜合經(jīng)濟(jì)效益。但在現(xiàn)場試驗(yàn)中射流式液動(dòng)沖擊器也暴露出一些問題,主要表現(xiàn)在工作不穩(wěn)定和使用壽命短。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的射流式液動(dòng)沖擊器活塞缸體大多采用單、雙道側(cè)壁密封方式,實(shí)際應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)活塞缸體局部變形、密封失效和鉆具刺漏等問題。鑒于此,筆者對射流式液動(dòng)沖擊器活塞缸體側(cè)壁密封方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。1工作和原則的結(jié)構(gòu)和原則1.1噴嘴、流孔、固定螺釘、壓軸、考斯圈等部件組成射流式液動(dòng)沖擊器由上接頭、上主體、導(dǎo)流環(huán)、密封圈、固定螺釘、噴嘴、射流板、主噴嘴、導(dǎo)流孔、固定螺釘、缸體、頂桿、密封圈、缸蓋、浮環(huán)、活塞、雙公接頭、下主體、重錘、卡環(huán)、卡簧、外方軸、考斯特圈和內(nèi)方軸等部件組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。該沖擊器具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)零件少、性能參數(shù)易于調(diào)節(jié)、工作穩(wěn)定和壽命長等特點(diǎn)。1.2式液動(dòng)沖擊器工作原理如圖1所示,射流式液動(dòng)沖擊器上接頭與鉆鋌連接,下接頭與鉆頭連接。液動(dòng)沖擊器下入井底,鉆井液循環(huán),經(jīng)液動(dòng)沖擊器外管、砧子將鉆壓與扭矩傳遞給鉆頭,輔助破巖,砧子可沿八方套上、下滑動(dòng)。當(dāng)射流式液動(dòng)沖擊器工作時(shí),高壓鉆井液經(jīng)射流元件主噴嘴噴出。因射流元件具有附壁效應(yīng),主射流附壁在射流元件一側(cè),若在輸出道C側(cè)附壁,則高壓射流經(jīng)通道C進(jìn)入液動(dòng)沖擊器活塞缸體上腔,活塞受力向下運(yùn)動(dòng)到活塞缸下腔的死點(diǎn),運(yùn)動(dòng)停止,此時(shí),活塞缸上腔壓力急劇增大,控制道D接收反饋信號并控制射流切換到輸出道E側(cè),射流再由通道E流入下腔,驅(qū)動(dòng)活塞往上運(yùn)動(dòng),活塞到達(dá)上腔死點(diǎn)時(shí),活塞缸下腔壓力急劇升高,控制道F接收反饋信號,控制射流切換到輸出道C側(cè),鉆井液流入活塞缸上腔,活塞再次下行,砧子受活塞桿帶動(dòng)的沖錘撞擊,并往復(fù)運(yùn)動(dòng),當(dāng)產(chǎn)生沖擊時(shí),沖擊能以應(yīng)力波的形式傳給鉆頭。2插裝式液動(dòng)錘內(nèi)管道結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用SolidWorks2012軟件及其Simulation模塊,繪制了射流式液動(dòng)沖擊器活塞缸體的三維幾何模型(不含裝配體)?；钊左w材料為合金鋼,密度為7700kg/m3,質(zhì)量18.2kg,彈性模量210GPa,屈服強(qiáng)度620.42MPa,抗剪模量790GPa。設(shè)置約束、定義載荷并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分的網(wǎng)格共有152058個(gè)節(jié)點(diǎn),99889個(gè)單元。通過有限元分析,得到了活塞缸體的VonMises應(yīng)力云圖(見圖2)及應(yīng)變云圖(見圖3)。由圖可知,最大應(yīng)力位于活塞缸體上部外壁,為4087.6Pa,低于屈服強(qiáng)度,其余部分變形不明顯,應(yīng)力最小為0.3Pa;最大應(yīng)變?yōu)?.631e-008,最小應(yīng)變?yōu)?.716e-013。由上述分析結(jié)果及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)可知,活塞缸體主要受到活塞上部對缸體內(nèi)部上表面的沖擊力和活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中對其內(nèi)壁的壓力。在兩者作用下,活塞缸體受力不均,發(fā)生局部變形,尤其在活塞缸體上部,存在最大應(yīng)力、最大位移和最大應(yīng)變,局部變形最明顯。由于傳統(tǒng)射流式液動(dòng)沖擊器的活塞缸體與液動(dòng)沖擊器內(nèi)管采用O形圈側(cè)壁密封,若活塞缸體局部變形則會(huì)直接影響到活塞缸體與液動(dòng)錘外管的同軸度,并最終影響缸體側(cè)壁密封效果,造成刺漏,妨礙液動(dòng)錘正常工作。因此,須對活塞缸體的側(cè)壁密封方式進(jìn)行改進(jìn)。3優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1密封圈使用時(shí)間傳統(tǒng)的活塞缸體側(cè)壁密封形式主要有單道O形密封和雙道O形密封2種。單道O形密封在現(xiàn)場應(yīng)用中有效密封時(shí)間短,密封易失效,造成液動(dòng)錘無法工作;雙道O形密封有效密封時(shí)間較長,但隨著使用時(shí)間的延長,其密封圈表面與外管內(nèi)壁接觸面積減小,通常會(huì)發(fā)生刺漏,并且密封圈裝配非常困難,密封圈易發(fā)生移位與損傷,影響側(cè)壁密封效果。由于上述2種密封形式均采用密封圈密封,即使密封圈沒有失效,也難以保證其具有很高的同軸度。因?yàn)樵谝簞?dòng)錘沖擊過程中,會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。從有限元分析模型上看,活塞缸體處于受徑向沖擊狀態(tài),其上部產(chǎn)生了局部變形,再加上活塞缸體的不對稱性,造成兩側(cè)變形不均勻,從而導(dǎo)致密封失效,上、下漏通,嚴(yán)重時(shí)活塞無法正常工作。3.2新型側(cè)壁密封方法設(shè)計(jì)3.2.1成為采用成對的組合結(jié)構(gòu)在不改變活塞缸體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況下,在液動(dòng)錘外管和活塞缸體接觸部位設(shè)計(jì)4個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu),形成活塞缸支撐圈與扇形排空區(qū),活塞缸體與其支撐圈過盈配合,如圖4所示。這樣的結(jié)構(gòu)不采用密封圈,因此不會(huì)出現(xiàn)密封圈失效,從而減小了活塞缸體變形。同時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單,所以易于裝配和拆卸維修。3.2.2外管工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)后的射流式液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)如圖4所示。上接頭與外管、八方套與外管均采用螺紋連接。在射流元件中上部設(shè)計(jì)2個(gè)分流孔來分流鉆井液。射流元件與外管內(nèi)支撐圈過盈配合,射流元件上表面與上接頭下表面緊密接觸,射流元件下表面與活塞缸體上表面緊密接觸。凸臺(tái)在外管內(nèi)表面銑削加工而成,活塞缸體與外管內(nèi)表面加工出的凸臺(tái)過盈緊密配合。活塞桿與沖錘采用銷釘連接,活塞桿中活塞與活塞缸體內(nèi)壁接觸。砧子與八方套過盈配合,砧子與下接頭采用螺紋連接。扇形排空區(qū)與凸臺(tái)在外管內(nèi)壁經(jīng)銑削加工去除部分材料形成,是對原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn),最終形成4個(gè)扇形排空區(qū)、4個(gè)凸臺(tái)和活塞缸體支撐圈。4個(gè)凸臺(tái)在外管內(nèi)壁周向?qū)ΨQ均勻分布,保證液動(dòng)錘在井底旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性,加工工藝也比較簡單。在不改變活塞缸體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況下,活塞缸體上、下腔的實(shí)際作用面積不變,活塞缸內(nèi)徑不變,射流元件排空道截面積不變,活塞缸體進(jìn)、出水口面積不變。在液動(dòng)錘外管內(nèi)壁與活塞缸體接觸部分設(shè)計(jì)4個(gè)凸臺(tái),凸臺(tái)與外管間扇形區(qū)域作為扇形排空區(qū),扇形排空區(qū)與分流孔連通,起到分流高壓鉆井液、減小活塞缸體沖蝕的作用,活塞缸外壁與凸臺(tái)采用過盈配合?；钊左w不與外管直接接觸,只與改進(jìn)后形成的活塞缸體支撐圈過盈緊密配合,少量高壓鉆井液經(jīng)分流孔流入扇形排空區(qū),絕大部分高壓鉆井液進(jìn)入射流元件,產(chǎn)生附壁效應(yīng),再進(jìn)入活塞缸體產(chǎn)生壓差,推動(dòng)活塞桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)沖錘沖擊砧子,產(chǎn)生應(yīng)力波,傳遞到下接頭連接的鉆頭,輔助破巖。由于活塞缸體不與外管直接接觸,在液動(dòng)錘工作時(shí)外管所受的振動(dòng)不會(huì)直接作用到活塞缸體,主要由凸臺(tái)承受,減小了活塞缸體的振動(dòng)?；钊左w和其支撐圈過盈配合,工作時(shí),活塞缸體會(huì)發(fā)生局部變形,但其支撐圈與4個(gè)凸臺(tái)一起可抑制活塞缸體局部周向變形,保護(hù)了活塞缸體。射流元件流出的鉆井液并不全部進(jìn)入活塞缸體內(nèi)部,而是通過分流孔連通4個(gè)扇形排空區(qū),分流了部分鉆井液,減小了高壓鉆井液對活塞缸體內(nèi)壁的沖蝕,避免了因鉆井液中夾帶泥砂在活塞桿表面大量堆積而導(dǎo)致其不工作的問題,進(jìn)一步提高了液動(dòng)錘工作的穩(wěn)定性和可靠性。3.2.3應(yīng)力和應(yīng)變將優(yōu)化后的射流式液動(dòng)沖擊器活塞缸體進(jìn)行有限元分析,分析結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖可見,活塞缸體側(cè)面的最大應(yīng)力為3975.8Pa,最小應(yīng)力為0.2Pa,活塞缸體側(cè)面的最大應(yīng)變?yōu)?.353e-008。在相同外部載荷作用下,與采用傳統(tǒng)側(cè)壁密封形式的活塞缸體相比,改進(jìn)后的活塞缸體側(cè)面與管壁接觸部位應(yīng)力和應(yīng)變都有所降低。因此,優(yōu)化設(shè)計(jì)后,新型結(jié)構(gòu)的側(cè)壁密封形式有效抑制了活塞缸體的徑向局部變形。4現(xiàn)場試驗(yàn)4.1射流式液動(dòng)沖擊器鉆桿組合方案試驗(yàn)1井是一口預(yù)探井,井深4800m,位于新疆阿勒泰地區(qū),試驗(yàn)時(shí)間為2012年7月,提速試驗(yàn)井段4006~4105m,位于石炭系小泉溝組,巖性為灰色凝灰?guī)r。該井采用雙道側(cè)壁密封方式的射流式液動(dòng)沖擊器,沖擊器性能參數(shù):沖擊功400J,沖擊頻率12Hz,行程85mm。鉆具組合:φ215.9mmHJ617G牙輪鉆頭+φ178.0mm射流式液動(dòng)錘+φ159.0mm鉆鋌+φ214.0mm穩(wěn)定器+φ159.0mm鉆鋌+φ165.0mm隨鉆震擊器+φ159.0mm鉆鋌+φ127.0mm斜坡鉆桿。鉆井參數(shù):鉆壓160~180kN,轉(zhuǎn)速60r/min,排量28L/s,泵壓16MPa,鉆井液密度1.24g/cm3,含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%~0.3%。試驗(yàn)結(jié)果:鉆頭進(jìn)尺99m,純鉆時(shí)間84.5h,平均機(jī)械鉆速1.17m/h,僅1號牙輪斷齒2顆。4.2射流式液動(dòng)沖擊器+管道鉆頭鉆井試驗(yàn)2井是與試驗(yàn)1井同一區(qū)塊的預(yù)探井,試驗(yàn)時(shí)間為2012年8月,試驗(yàn)井段4282~4453m,同樣位于石炭系小泉溝組,巖性為灰色凝灰?guī)r。該井采用新型側(cè)壁密封方式的射流式液動(dòng)沖擊器。鉆具組合:HJ517G牙輪鉆頭+φ178.0mm新型射流型液動(dòng)沖擊器+鉆鋌+加重鉆桿+鉆桿。鉆井參數(shù):鉆壓160~180kN,轉(zhuǎn)速60r/min,排量28L/s,泵壓16MPa,鉆井液密度1.24g/cm3,含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%。試驗(yàn)結(jié)果:鉆頭進(jìn)尺171m,純鉆時(shí)間96h,平均機(jī)械鉆速1.78m/h,牙輪輕微磨損。4.3機(jī)械鉆速及牙輪磨損在相同區(qū)塊、地層、鉆具組合和鉆井參數(shù)的情況下,與試驗(yàn)1井試驗(yàn)結(jié)果相比,試驗(yàn)2井純鉆時(shí)間延長14%,平均機(jī)械鉆速提高約52%,單只鉆頭進(jìn)尺提高72%,牙輪磨損較小。因此,采用新型側(cè)壁密封方式的射流式液動(dòng)沖擊器工作更穩(wěn)定,工作壽命更長,能夠有效配合鉆頭鉆進(jìn),大幅提高機(jī)械鉆速,延長鉆頭使用壽命。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(1)應(yīng)用有限元分析模塊SolidWorksSimulation對活塞缸體受力情況進(jìn)行靜力學(xué)模擬分析,分析結(jié)果表明,活塞缸體局部發(fā)生了徑向變形,且其上端的軸向和徑向變形十分明顯。(2)在結(jié)構(gòu)