《超深井鉆井用液動(dòng)沖擊器設(shè)計(jì)與性能研究17000字》

緒論1.1課題背景以及意義對(duì)深井、超深井的界定，在國(guó)內(nèi)外不同教科書(shū)上有不同的概念。在我國(guó)一般把井深超過(guò)4500～6000m的井定義為深井，井深超過(guò)6000m的定義為超深井。《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告（2021）》[1]顯示，2020年中國(guó)石油、天然氣剩余探明技術(shù)可采儲(chǔ)量已達(dá)36.19億噸、62665.78億立方米（李曉東，張文博，王俊宇,2022)。常規(guī)油氣勘查中，塔里木盆地輪探1井（鉆深8882米）在井深8200米寒武系鹽下地層獲日產(chǎn)油134噸、氣4.59萬(wàn)立方米高產(chǎn)油氣流。滿深1井在7600米獲日產(chǎn)油624噸、氣37萬(wàn)立方米高產(chǎn)油氣流，富滿區(qū)塊落實(shí)億噸級(jí)儲(chǔ)量。超深井主要用于兩個(gè)方面：一是用于勘察，對(duì)地下礦藏資源類(lèi)型、儲(chǔ)量評(píng)估或是為地下巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)術(shù)研究；二是對(duì)油氣資源開(kāi)采，這在一定程度上預(yù)示了通過(guò)鉆出超深井到達(dá)地下油氣資源所在深度再向井中注水達(dá)到資源開(kāi)發(fā)的目的。深層油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)油田油氣資源戰(zhàn)略接替的主要途徑。深層油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是超深井鉆井技術(shù)(劉思韻，陳晨曦，周子和,2023)。深井超深井技術(shù)難題與地質(zhì)條件密切相關(guān)，中國(guó)陸上深井超深井巖系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬度大、鉆探周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高。尤其是中國(guó)新疆南部礦藏資源豐富，但在鉆探過(guò)程中存在壓力體系復(fù)雜、巖層硬度高、井下高溫高壓等問(wèn)題。面臨一系列世界級(jí)的深井超深井鉆完井技術(shù)難題，這在一定程度上昭示安全優(yōu)質(zhì)高效鉆井最具挑戰(zhàn)性(張志華，李天佑，王怡萱,2021)。面臨以下問(wèn)題：（1）井下巖層多壓力體系復(fù)雜，鉆探周期長(zhǎng)，事故多發(fā)（2）深井超深井普遍存在超高溫、超高壓，鉆井儀器及工具、鉆井液及材料等面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（3）地層壓力體系多，鉆井液密度窗口窄，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全鉆井難度大（4）地下巖層硬度大，普通鉆井工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效鉆進(jìn)，鉆井周期長(zhǎng)（5）地層富含酸性流體，對(duì)固完井及井筒完整性等要求高。[2]超深井鉆探技術(shù)又是鉆探技術(shù)裝備研制、鉆探工程基礎(chǔ)理論研究和鉆進(jìn)工藝水平的一項(xiàng)綜合性成果。一定意義上展現(xiàn)了從技術(shù)裝備來(lái)說(shuō),它是機(jī)械學(xué)、冶金學(xué)、電子學(xué)、工程力學(xué)等科學(xué)技術(shù)成果的集中表現(xiàn)(周逸和，劉思琪，張博文,2021);從鉆探工藝來(lái)說(shuō),首先要解決一系列理論與實(shí)踐的問(wèn)題,如高溫高壓狀態(tài)下巖石破碎機(jī)理和沖洗液膠體化學(xué)及水力學(xué);鉆桿柱之彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)、震動(dòng)力學(xué)性質(zhì);高溫高壓狀態(tài)下新材料、新工具、新鉆頭及其具體鉆進(jìn)與成井工藝等(王紫萱，陳雪婷，李俊杰,2022)。[3]目前已經(jīng)應(yīng)用在深井鉆井中的技術(shù)有:旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)、抗高溫鉆井液休系、隨鉆地層評(píng)價(jià)系統(tǒng)以及隨鉆測(cè)井系統(tǒng)。隨著鉆井深度不斷變大，地下巖層和壓力體系變得復(fù)雜，普通鉆井工具在深井超深井中已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效鉆進(jìn)且工具壽命低(李博然，趙思源，王瑾萱,2020)。實(shí)踐表明,振動(dòng)沖擊工具可以在不增加地面設(shè)備能力的條件下合理利用并轉(zhuǎn)化泥漿水力能量進(jìn)行輔助破巖,其作為降本增效的最直接有效手段之一,已經(jīng)被行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)同和重視。[4]其工作原理為通過(guò)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)將連續(xù)的鉆井液轉(zhuǎn)化為有壓差和流速差的鉆井液，這在某種程度上驗(yàn)證了通過(guò)兩種或多種壓差沖擊沖錘產(chǎn)生不同沖擊能量。液動(dòng)沖擊器將傳統(tǒng)純靜載扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式變?yōu)闆_擊加扭轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)，提高破巖效率實(shí)現(xiàn)對(duì)超深井有效鉆進(jìn)(劉凱琳，張宇航，周文博,2019)。就目前井下振動(dòng)沖擊鉆井方式而言,可分為三大類(lèi),即軸向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)、扭向振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)、軸扭復(fù)合振動(dòng)沖擊鉆井提速技術(shù)(王天澤，趙子萱，陳宇和,2023)。[5]1.5研究?jī)?nèi)容及意義本課題主要研究?jī)?nèi)容如下：設(shè)計(jì)一種超深井鉆井用沖擊振動(dòng)鉆井工具，依靠裝置內(nèi)部定子轉(zhuǎn)子，經(jīng)過(guò)減速器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭與固定頭旋轉(zhuǎn)將鉆井液流速信號(hào)轉(zhuǎn)化為沖擊頻率信號(hào)。這在一定程度上預(yù)兆了巧妙設(shè)計(jì)鉆井液通道和沖錘結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沖擊功最大化。本裝置按上下結(jié)構(gòu)可以分為旋轉(zhuǎn)部件、配合部件和沖擊部件，具體設(shè)計(jì)工作內(nèi)容為：（1）選取渦輪定子轉(zhuǎn)子型號(hào)作為轉(zhuǎn)換裝置，依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力和阻力關(guān)系確定定子轉(zhuǎn)子組數(shù)和軸向固定方式。（2）依據(jù)選取渦輪定子轉(zhuǎn)子流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系和沖擊頻率與開(kāi)孔數(shù)，旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速關(guān)系設(shè)計(jì)減速器同時(shí)確定旋轉(zhuǎn)頭開(kāi)孔數(shù)。（3）基于運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論和破巖效率確定沖擊沖錘質(zhì)量和沖程角度，旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)和返程彈簧。（4）結(jié)合各種液動(dòng)沖擊器工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)沖程流道和返程流道，同時(shí)為了使沖擊功最大化合理設(shè)計(jì)沖錘結(jié)構(gòu)。（5）根據(jù)正向設(shè)計(jì)內(nèi)容確定裝置最終沖擊功。超深井用振動(dòng)沖擊鉆能在不改變地面設(shè)備的前提下，從中可以表明能滿足對(duì)硬度較高的情況探鉆。有效提高了破巖能量，改善了鉆頭破巖環(huán)境，降低了破巖阻力?？梢蕴岣咩@井過(guò)程中的機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，有廣闊的市場(chǎng)前景。

2沖擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1閥式液動(dòng)沖擊器本裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于閥式液動(dòng)沖擊器，以下將概述3種主流閥式液動(dòng)沖擊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)(李星宇，周佳怡，張曉馮,2022)。2.1.1正作用液動(dòng)沖擊器圖2.1正作用液動(dòng)沖擊器1-外殼;2-活閥座墊圏;3-閥簧;4-活閥；5-沖錘活塞;6-錘簧;7-鐵砧;8-緩沖墊圈正作用液動(dòng)沖擊器的活塞-沖錘加速和沖擊砧子的動(dòng)作依靠水流能量實(shí)現(xiàn)，而活塞返回初始狀態(tài)則靠壓縮彈簧儲(chǔ)存的能量(劉思遠(yuǎn)，王文靜，陳嘉瑞,2022)。這無(wú)疑暴露出這種沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（如圖2.1所示），技術(shù)成熟，工作性能穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境（巖層、孔深、沖洗介質(zhì)、設(shè)備等)適應(yīng)能力強(qiáng)，操作調(diào)試方便，因此深受施工現(xiàn)場(chǎng)的歡迎，然而回動(dòng)彈簧的反作用力會(huì)抵消相當(dāng)大的沖擊力，同時(shí)存在彈簧在高頻沖擊作用下壽命短，從這些趨勢(shì)中看出適用于淺層硬脆性巖石，如花崗巖、砂巖、玄武巖等，在彈塑性巖石中效果不好(張文杰，趙瑞婷，李宇翔,2020)。對(duì)于這一結(jié)果與葛飛合教授的研究結(jié)果一致，無(wú)論是在設(shè)計(jì)過(guò)程還是最終的分析結(jié)果上面，首先在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了系統(tǒng)化的研究方法，確保了從概念形成到方案實(shí)施的每一步驟都能有據(jù)可依。本研究同樣重視理論框架的構(gòu)建，這不僅為具體的設(shè)計(jì)決策提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，還促進(jìn)了對(duì)相關(guān)變量之間復(fù)雜關(guān)系的理解。此外，在設(shè)計(jì)階段本文強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的合作，通過(guò)整合不同領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)提高了設(shè)計(jì)方案的全面性和創(chuàng)新性，這種做法使得研究團(tuán)隊(duì)能夠及時(shí)響應(yīng)新出現(xiàn)的問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整研究路徑。2.1.2反作用液動(dòng)沖擊器

圖2.2反作用液動(dòng)沖擊器1-工作彈簧;2-外殼;3-活塞;4-鉆砧反作用液動(dòng)沖擊器又稱為儲(chǔ)能式?jīng)_擊器（如圖2.2所示）,與正作用液動(dòng)沖擊器相反,其活塞-沖錘加速和沖擊砧子作用取決于活塞-沖錘質(zhì)量和彈簧的壓縮能量,而活塞-沖錘上升-復(fù)位動(dòng)作靠水力沖擊作用(王子凡，劉玉婷，張啟航,2022)。從這些活動(dòng)中看出這類(lèi)沖擊器靠壓縮彈簧釋放的能量和沖錘自重同時(shí)作用，故可獲得較大的單次沖擊功，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件較多，彈簧工作壽命短,為使沖錘快速上移，需要消耗大量泵量，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少(李浩宇，陳嘉琪，周晨曦,2022)。2.1.3雙作用液動(dòng)沖擊器1-上接頭;2-活閥；3-外套；4-支承座;5-活塞;6-密封件;7-節(jié)流環(huán);8-砧子圖2.3雙作用液動(dòng)沖擊器雙作用液動(dòng)沖擊器活塞-沖錘沖程與回程均由液體壓力作用完成,不依賴彈簧作用，此類(lèi)沖擊器采用差動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，這在一定程度上預(yù)示了所以設(shè)計(jì)有既能滑動(dòng)又能隔壓的密封件，從理論上講,該沖擊器液流利用率較高(劉思涵，張?zhí)煊睿w文博,2023)。2.2液動(dòng)沖擊器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)內(nèi)外各種液動(dòng)沖擊器工作方式結(jié)合閥式正作用液動(dòng)沖擊器工作原理，設(shè)計(jì)了一種新的液動(dòng)沖擊器(王天瑞，李梓悅，陳浩然,2022)。本沖擊器外徑φ178，鉆壓50kN,鉆井液流量為15L/s,沖程15mm，沖擊功約為674.8J。這在一定程度上昭示本章主要介紹沖擊器結(jié)構(gòu)、工作原理和計(jì)算壁厚。本裝置結(jié)合正作用液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)，和雙作用液動(dòng)沖擊器工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)兩次沖擊功差值最大化，解決沖擊功不足和內(nèi)部元件易損壞的問(wèn)題。沖擊裝置整體裝配結(jié)構(gòu)如圖.2.4所示(張紫薇，趙俊豪，李詩(shī)雅,2021)：圖2.4液動(dòng)沖擊器整體裝配圖1-上接頭；2-殼體；3-過(guò)渡軸套；4-導(dǎo)流套；5-扶正軸承；6-主軸；7-定位軸套；8-定子；9-轉(zhuǎn)子；10-推力球軸承；11-定位軸套；12-行星齒輪減速器；13-旋轉(zhuǎn)頭；14-固定頭；15-沖錘；16-套筒；17-分隔板；18-導(dǎo)套；19-沖擊砧子；20-彈簧；21-下接頭該沖擊器主要由上接頭、殼體、定子、轉(zhuǎn)子、扶正軸承、行星齒輪減速器、旋轉(zhuǎn)頭、固定頭、沖錘、套筒、單向閥等21個(gè)部件組成，其連接方式為，上下接頭1、21通過(guò)螺紋與殼體2連接在一起，扶正軸承5、定位軸套6、轉(zhuǎn)子9通過(guò)導(dǎo)流套4內(nèi)螺紋與主軸6軸肩壓緊限位(劉子和，王紫涵，周彥宏,2022)。一定意義上展現(xiàn)了過(guò)度軸套3、定子8通過(guò)上接頭與殼體連接的凸臺(tái)壓緊。推力球軸承10、與定位軸套11、和減速器12一端通過(guò)主軸軸肩限位一端由固定頭14限位，旋轉(zhuǎn)頭13安裝在減速器和固定頭中間。沖錘15上端通過(guò)固定頭固定下端通過(guò)套筒16連接套筒18和彈簧20進(jìn)行軸向定位(李文彬，張怡然，趙思源,2022)。分隔板17通過(guò)螺紋連接在沖錘下端。為保障研究結(jié)果的可靠性和可信度，本文首先通過(guò)廣泛搜集和審閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)典與前沿文獻(xiàn)構(gòu)建了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的研究背景框架。這不僅幫助本文明確了研究問(wèn)題的獨(dú)特貢獻(xiàn)點(diǎn)，也確保了本文的研究建立在充分理解現(xiàn)有知識(shí)的基礎(chǔ)上，本文精心挑選了多種來(lái)源的第一手和第二手資料包括但不限于類(lèi)似文獻(xiàn)、官方報(bào)告等。這些資料的選擇基于其權(quán)威性、時(shí)效性和代表性，以確保能夠從多個(gè)角度全面地反映研究主題發(fā)展的真實(shí)情況。裝置工作原理：高壓鉆進(jìn)液通過(guò)上接頭1進(jìn)入沖擊器內(nèi)部，在導(dǎo)流套4導(dǎo)流作用下推動(dòng)轉(zhuǎn)子9旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子特殊的葉片設(shè)計(jì)，15l/s流速的鉆井液轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子40r/s的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子通過(guò)二級(jí)傳動(dòng)比為15的減速器12帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)(王子航，李雪慧，劉浩宇,2023)。固定頭上開(kāi)有6個(gè)孔，旋轉(zhuǎn)頭13與固定頭14配合旋轉(zhuǎn)時(shí)形成3組常開(kāi)孔和常閉孔，鉆井液流經(jīng)常閉孔時(shí)，沖擊器發(fā)生沖擊。這在一定程度上預(yù)兆了開(kāi)孔數(shù)與經(jīng)過(guò)減速器后輸出轉(zhuǎn)速乘積即為沖擊器沖擊頻率8Hz。為保證鉆井液能量利用最大化，當(dāng)常開(kāi)孔導(dǎo)通時(shí)，鉆井液通過(guò)固定頭流經(jīng)沖錘15內(nèi)，不流經(jīng)沖錘表面，此時(shí)沖錘對(duì)下方彈簧壓力除重力外幾乎為0(周俊杰，張子琪，李凱琳,2022)。當(dāng)常閉孔導(dǎo)通時(shí)鉆井液通過(guò)固定頭沖擊沖錘表面，從中可以表明沖錘表面設(shè)計(jì)特殊流道當(dāng)高速鉆井液沖擊沖錘時(shí)鉆井液不能流過(guò)流道，從而沖錘獲得高的沖擊能量。返程時(shí)由于常閉孔通道關(guān)閉，彈簧返程力小，同時(shí)由于常閉孔關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)，其返程時(shí)間也比沖程時(shí)間長(zhǎng)，鉆井液有足夠時(shí)間能通過(guò)特殊流道。從這些趨勢(shì)中看出沖錘下端設(shè)計(jì)單向閥防止常開(kāi)孔導(dǎo)通時(shí)對(duì)裝置影響。鉆井液、軸向力、沖擊力傳遞關(guān)系如圖2.5所示(劉穎慧，王瑾瑤，陳宇翔,2022)：圖2.5鉆井液、軸向力、沖擊力傳遞關(guān)系圖2.3沖擊器壁厚計(jì)算鉆探過(guò)程中沖擊器殼體既要傳遞鉆盤(pán)扭矩也要保證承受高壓鉆井液，為保證鉆探過(guò)程安全性，從這些活動(dòng)中看出沖擊器需確定壁厚防止鉆井工具失效。裝置外徑已確定為φ178mm,計(jì)算殼體厚度前需確定轉(zhuǎn)盤(pán)功率從而確定扭矩(張晨曦，趙思源，李嘉瑞,2021)。由轉(zhuǎn)盤(pán)額定功率公式： P=29k 式中，kn——轉(zhuǎn)速系數(shù),kn=1；Lmax——最大鉆井深度,本裝置設(shè)計(jì)工作范圍為超深井,Lmax=7000上式（1）中α=0.5時(shí)P有最大值(王雅婷，劉思琦，張瑞宇,2022)。 Pmax=29×2+0.5?0.5由轉(zhuǎn)盤(pán)最大消耗功率公式： Pr=式中，kd——轉(zhuǎn)盤(pán)超載系數(shù)，kd=1.25；hr——轉(zhuǎn)盤(pán)效率,hr=0.9；將（2）中Pmax和kd、hr代入解得，轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)耗最大功率：Pr=635kw已知沖擊器外徑為178，轉(zhuǎn)盤(pán)最大功率635kw由扭矩和功率公式： T=9550 ==103,936沖擊器殼體材料選取為42CrMo，其屈服強(qiáng)度σs=930 σ=σ外徑D內(nèi)徑d,D=178殼體受擠壓應(yīng)力(李志鵬，周嘉琳，趙紫涵,2021)： σ=FA由抗扭截面系數(shù)與直徑關(guān)系式： wp=扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力： τ=T根據(jù)第四強(qiáng)度理論其計(jì)算應(yīng)力為((陳曉婷,吳浩然,2021),2022)： ca滿足殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求則有(張宇和，李雪珂，趙天宇,2022)： ca代入得到表達(dá)式： ca這在一定程度上預(yù)示了將扭矩T許用應(yīng)力[]以及外徑D的數(shù)值大小代入式得：d≤147.8普通鉆柱壁厚為10mm,計(jì)算所得結(jié)果合理。綜上所述：沖擊器壁厚設(shè)計(jì)為16mm，裝置內(nèi)徑146mm；3旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)本裝置中旋轉(zhuǎn)部件作用是將鉆井液流速信號(hào)轉(zhuǎn)化為主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)減速器達(dá)到需要的轉(zhuǎn)速(王子翔，劉雪婷，張怡萱,2020)。旋轉(zhuǎn)部件包括導(dǎo)流套、渦輪定子轉(zhuǎn)子、行星齒輪減速器。對(duì)于這一部分的創(chuàng)作借鑒了章和寧教授的相關(guān)主題的研究，主要體現(xiàn)在思路和手法方面，在思路上遵循了其強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)性與邏輯性的原則。通過(guò)深入分析研究對(duì)象的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)制，本研究不僅吸收了章教授提出的多層次、多角度審視問(wèn)題的方法論，還進(jìn)一步將這些理念應(yīng)用于具體實(shí)踐中以確保研究結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性。在手法上本文采納了章教授所提倡的定量與定性相結(jié)合的研究方法為研究提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。 3.1渦輪定子轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)渦輪定子轉(zhuǎn)子可以將流速信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速信號(hào)，得益于特殊的葉片形狀在固定流速下轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速也是定值，這在一定程度上昭示因此渦輪定子轉(zhuǎn)子是決定沖擊頻率的關(guān)鍵部件。渦輪葉片參數(shù)多設(shè)計(jì)復(fù)雜因此本文采用現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)渦輪鉆具定子轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算(李思遠(yuǎn)，趙麗萍，周昊宇,2020)。選取渦輪定子轉(zhuǎn)子型號(hào)為：TDR1．127。其尺寸參數(shù)為：外徑127mm，內(nèi)徑70mm，這在某種程度上驗(yàn)證了葉片安裝內(nèi)徑85mm，葉片安裝外徑117mm。其在鉆井液排量為15L/s密度為1.2g/cm3時(shí)減速前特性參數(shù)如下表所示(張宸妍，劉建華，王子凡,2022)：表3-1110級(jí)TDR1．127渦輪定子轉(zhuǎn)子減速前特性參數(shù)排量/L·s-1空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速/r·s-1制動(dòng)扭矩/N·m工作壓降/MPa15407313.75沖擊器工作條件為：渦輪定子產(chǎn)生力矩＞制動(dòng)扭矩。滾動(dòng)軸承摩擦力矩由以下公式計(jì)算： M=ηPd/2 式中，M——摩擦力矩N·mm，η——摩擦系數(shù)，查滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)表η＜0.03；p——軸承負(fù)載，本裝置中負(fù)載為主軸和渦輪質(zhì)量P＜500N；d——軸承公稱直徑,軸承安裝位置d=30mm；代入計(jì)算得：M=225N·mm=0.225N·m＜＜731/110因此M＜制動(dòng)扭矩/110＜單級(jí)定子產(chǎn)生扭矩,單級(jí)渦輪定子轉(zhuǎn)子即可滿足要求，為保證轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速精確，在沖擊器內(nèi)部設(shè)計(jì)三組渦輪(李昊天，周紫薇，趙文華,2022)。3.2導(dǎo)流套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆井液由上接頭流入沖擊器，導(dǎo)流套將高壓鉆井液引導(dǎo)為均勻穩(wěn)定流動(dòng)，防止鉆井液直接進(jìn)入渦輪中產(chǎn)生不均勻的沖擊同時(shí)減少鉆井液對(duì)沖擊器內(nèi)部元件的沖蝕提高裝置壽命和穩(wěn)定性。從中可以表明如圖3.1所示，導(dǎo)流套內(nèi)部設(shè)計(jì)螺紋與主軸連接實(shí)現(xiàn)軸向和徑向定位。導(dǎo)流套側(cè)面與豎直方向夾角為30°，實(shí)現(xiàn)有效的導(dǎo)流作用，提高裝置穩(wěn)定性(李嘉和,王睿昊,2022)。圖3.1導(dǎo)流套結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)流套螺紋內(nèi)徑設(shè)計(jì)：螺紋作用是壓緊渦輪定子，渦輪定子工作扭矩參數(shù)在表中沒(méi)有定值給出，由于葉片特殊形狀通過(guò)通過(guò)壓降參數(shù)難以求得(張文博,陳思琪,2023)。這無(wú)疑暴露出理想狀態(tài)下渦輪制動(dòng)扭矩與定子參數(shù)相等，因此采用放大制動(dòng)扭矩的方法反求渦輪定子扭矩(林澤,劉俊杰,2023)。對(duì)此本文也進(jìn)行了結(jié)論的復(fù)核，首先在理論上確保了研究結(jié)論與現(xiàn)有學(xué)術(shù)框架的一致性。本文仔細(xì)比對(duì)了本研究得出的主要結(jié)論與相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)已被廣泛接受的理論以驗(yàn)證其合理性和邏輯嚴(yán)密性。通過(guò)這一過(guò)程，本文確認(rèn)了研究結(jié)果不僅能夠得到現(xiàn)有理論的支持，而且在某些方面提供了新的見(jiàn)解或補(bǔ)充，進(jìn)一步豐富和完善了相關(guān)理論體系。其次，在實(shí)證層面本文重新分析原始數(shù)據(jù)、使用不同的統(tǒng)計(jì)工具和技術(shù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證、以及引入外部數(shù)據(jù)集作為對(duì)照樣本等措施。通過(guò)這些手段本文力求排除任何可能影響結(jié)論準(zhǔn)確性的偏差因素，保證研究發(fā)現(xiàn)的真實(shí)性和普遍適用性。將制動(dòng)扭矩放大1.2倍后單級(jí)扭矩為: M=731×1.5渦輪扭矩需要螺紋工作拉力平衡，即工作拉力： M=F式中，F(xiàn)——螺栓工作拉力；L1——螺栓工作力矩，L1=d螺紋半徑；f——接觸面摩擦系數(shù)，連接表面噴砂處理，摩擦系因數(shù)f=0.3。主軸載荷工況穩(wěn)定，定義殘余預(yù)緊力(趙宇航,孫睿智,2022)：F1=0.6F由此計(jì)算總拉力： F2=F =1.6F= =2選擇性能等級(jí)為4.6的螺栓，這在一定程度上預(yù)示了由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得材料屈服極限δs=240Mpa安全系數(shù)取1.5，故螺栓材料許用應(yīng)力為(高思遠(yuǎn),陳子辰,2022)： [δs]=δs/s=160Mpa (3-5)由此計(jì)算螺栓直徑（小徑）： d1≥ ≥4×1.3 ≥10.3207 螺紋直徑要求相對(duì)較小，螺紋下方連接件為軸承，綜合考慮軸承定位軸套因素選取公稱直徑為20mm的普通螺紋（螺距2.5小徑17.835mm）(王子豪,李凌霄,2022)。3.3扶正軸承、輔助軸承套及定位軸套設(shè)計(jì)3.3.1扶正軸承設(shè)計(jì)扶正軸承在沖擊器中起軸向定位作用，它與軸之間配合關(guān)系為間隙配合。按經(jīng)驗(yàn)值間隙一般取0.1-0.2mm。這在一定程度上昭示考慮主軸為輕載且長(zhǎng)度遠(yuǎn)不如渦輪鉆具的主軸，設(shè)計(jì)間隙值為0.2mm。主軸與軸承之間還需要有軸套作為定位，且主軸直徑為25mm。所以設(shè)計(jì)扶正軸承內(nèi)徑為35mm，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取軸承代號(hào)為6007。3.3.2輔助軸套和定位軸套設(shè)計(jì)輔助軸承套設(shè)計(jì)(鄧浩然,魏晨曦,2019)：輔助軸承套作用是幫助扶正軸承徑向定位，一定意義上展現(xiàn)了軸向由于沖擊器對(duì)扶正軸承沒(méi)有要求所以軸向可以有一定滑移距離。依據(jù)其工作特點(diǎn)和尺寸要求設(shè)計(jì)輔助軸承套結(jié)構(gòu)如圖3.2所示(何旭東,劉涵煦,2020)：圖3.2輔助軸承套剖視圖及仰視圖定位軸套設(shè)計(jì)：由于扶正軸承、輔助軸套都是浮動(dòng)式徑向定位，主軸上端用于導(dǎo)流和鎖緊的導(dǎo)流套和渦輪定子之間缺少軸向定位零件(蔣澤宇,李雅馨,2022)。這在某種程度上驗(yàn)證了根據(jù)扶正軸承、輔助軸承套、主軸和渦輪定子參數(shù)設(shè)計(jì)定位軸套如圖3.3所示：圖3.3定位軸套裝配關(guān)系圖及其剖視圖渦輪定子軸向定位和徑向固定如圖3.3中左圖所示，軸向定位依靠定位軸套尺寸確定，徑向依靠導(dǎo)流套螺紋鎖緊產(chǎn)生壓力固定(劉宇涵,何俊熙,2022)。3.4行星齒輪減速器設(shè)計(jì)3.4.1行星齒輪減速器原理及特點(diǎn)行星減速機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因，單級(jí)減速最小為3，最大一般不超過(guò)10，常見(jiàn)減速比為：3、4、5、6、8、10，減速機(jī)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3，這在一定程度上預(yù)兆了但有部分大減速比定制減速機(jī)有4級(jí)減速。相對(duì)其他減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性，高精度(單級(jí)可做到1分以內(nèi))，高傳動(dòng)效率（單級(jí)在97%-98%），高的扭矩/體積比，終身免維護(hù)等特點(diǎn)(鄒欣怡,王子昊,2021)。對(duì)于以上這部分存在的創(chuàng)新主要在于視角的創(chuàng)新，首先體現(xiàn)在對(duì)研究問(wèn)題的獨(dú)特切入點(diǎn)選擇。本研究突破了傳統(tǒng)研究中較為局限的視角從更為宏觀和微觀的角度同時(shí)出發(fā)，既關(guān)注整體趨勢(shì)又注重個(gè)體差異，為理解復(fù)雜現(xiàn)象提供了新的思路。這種雙重視角不僅加深了對(duì)研究對(duì)象內(nèi)在機(jī)制的理解，也為解決實(shí)際問(wèn)題提出了更具針對(duì)性的建議。行星齒輪減速器體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。具有功率分流、多齒嚙合獨(dú)用的特性(陳思源,呂俊凱,2022)。從中可以表明其輸入軸和輸出軸有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，在結(jié)構(gòu)緊湊的空間內(nèi)輸出軸和輸入軸對(duì)齊既滿足沖擊器工作特點(diǎn)又滿足尺寸需求。工作方式：（1）齒圈固定，太陽(yáng)輪主動(dòng)，行星架被動(dòng)。此種組合為降速傳動(dòng)，通常傳動(dòng)比一般為2.5~5，轉(zhuǎn)向相同。（2）齒圈固定，行星架主動(dòng)，太陽(yáng)輪被動(dòng)。這無(wú)疑暴露出此種組合為升速傳動(dòng)，傳動(dòng)比一般為0.2~0.4，轉(zhuǎn)向相同。（3）太陽(yáng)輪固定，齒圈主動(dòng)，行星架被動(dòng)。此種組合為降速傳動(dòng)，傳動(dòng)比一般為1.25一1.67，轉(zhuǎn)向相同(李若萱,張晨陽(yáng),2021)。（4）太陽(yáng)輪固定，行星架主動(dòng)，齒圈被動(dòng)。此種組合為升速傳動(dòng)，傳動(dòng)比一般為0.60.8，轉(zhuǎn)向相同。（5）行星架固定，太陽(yáng)輪主動(dòng)，齒圈被動(dòng)。傳動(dòng)比一般為1.5~4，轉(zhuǎn)向相反。（6）行星架固定，齒圈主動(dòng)，太陽(yáng)輪被動(dòng)。此種組合為升速傳動(dòng)，傳動(dòng)比一般為0.25~0.67，轉(zhuǎn)向相反。（7）把三元件中任意兩元件結(jié)合為一體的情況：當(dāng)把行星架和齒圈結(jié)合為一體作為主動(dòng)件，從這些趨勢(shì)中看出太陽(yáng)輪為被動(dòng)件或者把太陽(yáng)輪和行星架結(jié)合為一體作為主動(dòng)件，齒圈作為被動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)情況。行星齒輪間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，作為一個(gè)整體運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動(dòng)比為1，轉(zhuǎn)向相同。汽車(chē)上常用此種組合方式組成直接檔(劉寧宇,羅晨曦,2022)。三元件中任一元件為主動(dòng)，其余的兩元件自由：從分析中可知，其余兩元件無(wú)確定的轉(zhuǎn)速輸出。第六種組合方式，由于升速較大，主被動(dòng)件的轉(zhuǎn)向相反，在汽車(chē)上通常不用這種組合。從這些活動(dòng)中看出其余的七種組合方式比較常用(趙雨桐,孫樂(lè)天,2020)。本裝置中行星齒輪減速器工作原理設(shè)計(jì)為方式（1）：固定齒圈，太陽(yáng)輪作為主動(dòng)件行星架作為從動(dòng)件。3.4.2行星齒輪減速器傳動(dòng)比計(jì)算齒圈固定時(shí)，太陽(yáng)輪直徑、行星輪直徑與齒圈直徑的關(guān)系：圖3.4行星齒輪減速器轉(zhuǎn)速關(guān)系圖圖中，rR——齒圈半徑；rs——太陽(yáng)輪半徑；rp——行星輪半徑；VR——行星架圓周線速度；Vs——太陽(yáng)輪圓周線速度；Vp——行星輪圓周線速度；由太陽(yáng)輪角速度與圓周線速度關(guān)系： Vs=ws×太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈半徑關(guān)系： rc=r由行星架中線速度角速度關(guān)系： Vc=w本裝置中減速器為固定齒圈的工作方式， VR=0由行星輪與齒圈嚙合點(diǎn)處半徑關(guān)系可得太陽(yáng)輪線速度與行星架線速度關(guān)系： Vs=2Vc將上文所述直徑關(guān)系代入式中 Vs=2Vc這在一定程度上預(yù)示了由此推導(dǎo)出傳動(dòng)比與各齒輪直徑關(guān)系： i=2(r由上文設(shè)計(jì)參數(shù)和行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得到以下限制條件（1）由上文可知其輸入轉(zhuǎn)速V入=40r/s，沖擊頻率f=8Hz（2）由于裝置結(jié)構(gòu)尺寸限制，所以其外齒圈直徑因限制小于85mm,（3）行星減速器傳動(dòng)比i與齒輪半徑關(guān)系： 1+rRrs式中，rR為齒圈半徑；Rs為太陽(yáng)輪半徑。這在一定程度上昭示為了便于安裝制造和整體裝置尺寸緊湊合理，傳動(dòng)比i＞1，且i=4時(shí)太陽(yáng)輪直徑與行星輪直徑相等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使傳動(dòng)比向4靠近(王嘉熙,劉元熙,2022)。（4）沖擊頻率由旋轉(zhuǎn)頭和固定頭配合時(shí)常開(kāi)孔常閉孔開(kāi)關(guān)次數(shù)決定，具體關(guān)系為 8=f=式中，f——沖擊頻率，由任務(wù)書(shū)可知f=8Hz；V出——輸出軸轉(zhuǎn)速，裝配結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速即為輸出軸轉(zhuǎn)速n孔——常開(kāi)孔數(shù)，為保證裝置穩(wěn)定性n＞2且為整數(shù)（常閉孔數(shù)=常閉孔數(shù)）；對(duì)于減速比級(jí)數(shù)而言，級(jí)數(shù)越少越好，假定傳動(dòng)比級(jí)數(shù)為1級(jí)，傳動(dòng)比為4則由公式（2）和公式（3）可知(陳曉婷,吳浩然,2021)： 4=V入V解得n孔=0.8＜1所以傳動(dòng)比級(jí)數(shù)為1時(shí)不滿足要求，一定意義上展現(xiàn)了同時(shí)可知沖擊頻率固定時(shí)傳動(dòng)比級(jí)數(shù)與開(kāi)孔數(shù)為反比關(guān)系(鄭宇晨,王悅婷,2022)。假定傳動(dòng)比級(jí)數(shù)為二級(jí)，且第一級(jí)傳動(dòng)比為4，第二級(jí)傳動(dòng)比暫定為4，新的輸入轉(zhuǎn)速由公式（3）可知v入=10r/s將沖擊頻率和傳動(dòng)比代入得： 4=V入解得n孔=3.2，所以設(shè)計(jì)孔數(shù)為3，將n孔=3代入， 1083解得i=3.753.4.3傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)傳統(tǒng)減速器齒輪需要傳遞高轉(zhuǎn)速大扭矩，對(duì)齒輪工藝性要求較高，而在本裝置中對(duì)減速器要求不高，這在一定程度上預(yù)兆了故設(shè)計(jì)時(shí)主要對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，齒輪材料選取為45鋼(韓一鳴,王瑾瑜,2022)。第一級(jí)減速器中齒輪各參數(shù)確定：傳動(dòng)比i=4，主從齒輪相關(guān)參數(shù)相同減速器直徑確定:總空間rR設(shè)計(jì)為69mm<85mm齒輪直徑關(guān)系式為： rs+2rp=rR （3-19）式中，rs為太陽(yáng)輪半徑，rp為行星輪半徑，rR為齒圈半徑，由傳動(dòng)比i=4主從齒輪相關(guān)參數(shù)相同，rs=rp，ds=dp=23mm主從齒輪模數(shù)選取為1齒數(shù)Z：由模數(shù)齒數(shù)和直徑關(guān)系式，d=mz；設(shè)計(jì)齒數(shù)Z=23,從中可以表明齒寬:為了便于裝配節(jié)約空間，設(shè)計(jì)兩齒寬相同，齒寬b=6mm第二級(jí)減速器中齒輪各參數(shù)確定(張語(yǔ)涵,李睿澤,2023)：減速器直徑確定：總空間rR設(shè)計(jì)為69mm與第一級(jí)相同齒輪直徑確定：由公式（2）傳動(dòng)比與太陽(yáng)，行星輪關(guān)系可知 1+Rri=3.75,ds=25,dp=rR-rs=22齒數(shù)zs=25,zp=22齒寬設(shè)計(jì)與第一級(jí)保持一致bs=6,bp=6

4配合部件設(shè)計(jì)配合部件是將上級(jí)減速器轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為沖擊頻率信號(hào)的關(guān)鍵部件。常規(guī)閥式液動(dòng)沖擊器沖擊頻率發(fā)生機(jī)構(gòu)為阻尼孔，從中可以表明本裝置頻率發(fā)生機(jī)構(gòu)為配合部件(黃瑞萱,趙澤宇,2022)。配合部件由旋轉(zhuǎn)頭和固定頭組成，旋轉(zhuǎn)頭和固定頭上開(kāi)有位置不同的孔，當(dāng)兩面貼合旋轉(zhuǎn)時(shí)由于開(kāi)孔形狀和位置不同導(dǎo)致孔打開(kāi)關(guān)閉的時(shí)間不同，也就是常開(kāi)孔和常閉孔。這一結(jié)果也與本文之前的預(yù)想研究結(jié)果一致，這在一定程度上體現(xiàn)了本文研究方向的正確性。首先，這種一致性反映了本文在研究設(shè)計(jì)初期所設(shè)定的目標(biāo)和假設(shè)具有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)相關(guān)理論文獻(xiàn)的深入探討和對(duì)已有研究成果的綜合分析，本文的預(yù)想建立在一個(gè)合理且有據(jù)可依的基礎(chǔ)上，而最終獲得的結(jié)果與預(yù)期相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了這些研究的有效性。這一結(jié)果的吻合證明了本文所采用的研究方法和工具是恰當(dāng)且有效的。研究過(guò)程中，本文嚴(yán)格遵循學(xué)術(shù)規(guī)范，采用了多種驗(yàn)證手段來(lái)保證結(jié)論的準(zhǔn)確性。本裝置中常開(kāi)孔流道不經(jīng)過(guò)沖錘表面，負(fù)責(zé)正常鉆井液供給，與不安裝液動(dòng)沖擊器工作狀態(tài)相同。常閉孔的流道經(jīng)過(guò)沖錘表面負(fù)責(zé)向下沖擊。配合部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定沖擊器破巖要求，這無(wú)疑暴露出預(yù)定沖擊功，沖擊時(shí)間，與旋轉(zhuǎn)頭上常開(kāi)孔，常閉孔占據(jù)空間比例的關(guān)系。本文采用估算沖擊功的方式，找到?jīng)Q定沖擊功的關(guān)鍵因素再依據(jù)沖擊時(shí)間設(shè)計(jì)常開(kāi)孔常閉孔角度占比。4.1沖擊功估算由任務(wù)書(shū)可知，鉆壓為50KN,沖擊行程為15mm，查閱資料可知破巖要求最小沖擊功為500J。沖程中做功有，鉆井液壓力，沖錘重力，彈簧，浮力，上升鉆井液阻力。彈簧彈力，浮力與沖錘質(zhì)量相當(dāng)，從這些趨勢(shì)中看出沖錘質(zhì)量為40-80kg，而鉆井液壓力＞＞沖錘重力，因此沖擊功與主要考慮因素為鉆井液因素(張志華，李天佑，王怡萱,2021)。沖擊功計(jì)算中，沖錘末速度是衡量沖擊功的關(guān)鍵因素因此通過(guò)計(jì)算沖擊功與沖擊末速度的關(guān)系設(shè)計(jì)沖錘質(zhì)量，計(jì)算沖擊時(shí)間(周逸和，劉思琪，張博文,2021)。由加速度與質(zhì)量關(guān)系式： F=ma （4-1）再由速度，加速度，時(shí)間與路程關(guān)系式： s=v0t+12將鉆井液壓力F=50000N代入公式（9）得： a=50000將所得結(jié)果和V0=0代入公式（11）中，得：v依據(jù)動(dòng)能定理： E=1=將沖程s=15mm代入得沖擊功為750J從這些活動(dòng)中看出從上面計(jì)算中可以看出沖錘做功過(guò)程實(shí)為鉆井液做功過(guò)程(王紫萱，陳雪婷，李俊杰,2022)。沖錘質(zhì)量影響沖擊時(shí)間，依據(jù)沖擊器原理，這在一定程度上預(yù)示了沖擊時(shí)間短于返程時(shí)間。本文采用的方法是先定義沖錘質(zhì)量再檢驗(yàn)沖擊時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值定義沖錘質(zhì)量為80kg由此可得衡量沖擊功的重要因素，沖錘末速度： v4.2沖擊時(shí)間計(jì)算及旋轉(zhuǎn)頭設(shè)計(jì) 由公式（4-2）計(jì)算沖擊時(shí)間 t=一個(gè)沖擊周期時(shí)間受沖擊頻率影響， t=1沖擊頻率設(shè)計(jì)為8hz即一個(gè)周期沖擊時(shí)間為0.125s比較沖擊時(shí)間和周期時(shí)間，0.0069<<0.125所以設(shè)計(jì)符合要求依據(jù)沖擊時(shí)間設(shè)計(jì)占空比：整個(gè)周期與沖擊時(shí)間比值約為18，考慮平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)頭與固定頭配合時(shí)是逐漸配合，逐漸退出其比值應(yīng)該在9-18之間，這在一定程度上昭示設(shè)計(jì)沖擊面積占據(jù)總面積為10，更靠近9消除時(shí)間不足帶來(lái)的影響，同時(shí)沖錘會(huì)在底部停留一段時(shí)間(李博然，趙思源，王瑾萱,2020)。綜上所述：旋轉(zhuǎn)頭設(shè)計(jì)開(kāi)孔數(shù)為3，整個(gè)周期為120°，沖擊面積占據(jù)角度為12°。旋轉(zhuǎn)頭，固定頭結(jié)構(gòu)及配合狀態(tài)如下圖4.1所示(劉凱琳，張宇航，周文博,2019)：固定頭上開(kāi)有3組孔，其中常開(kāi)孔位于靠近中心位置，常開(kāi)孔常閉孔形成主要靠旋轉(zhuǎn)頭遮擋形成。一定意義上展現(xiàn)了常開(kāi)孔所處圓周內(nèi)旋轉(zhuǎn)頭占據(jù)面積小，剩余空間大；而常閉孔所在圓周內(nèi)，旋轉(zhuǎn)頭占據(jù)面積大，剩余空間小。因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)頭與固定頭配合時(shí)流道導(dǎo)通時(shí)間不一致，由此定義處于內(nèi)圈、導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)的孔為常開(kāi)孔，處于外圈、導(dǎo)通時(shí)間短的為常閉孔(王天澤，趙子萱，陳宇和,2023)。圖4.1旋轉(zhuǎn)頭，固定頭結(jié)構(gòu)及配合狀態(tài)圖4.3沿程壓力損失對(duì)沖擊功影響高壓鉆井液在旋轉(zhuǎn)頭與固定頭配合位置處有明顯面積變化，導(dǎo)通前面積為11309.7mm常閉孔面積為403.4mm配合位置出截面積經(jīng)兩次變化，先變小后變大。這在一定程度上預(yù)兆了其面積關(guān)系如圖4.2所示：圖4.2流道面積變化圖其面積變化系數(shù)為0.035，局部阻力為計(jì)算公式為： ?PJ式中，?PJ——局部阻力壓降；C——局部阻力系數(shù)，面積變化為0.03時(shí)突擴(kuò)管c=1,突縮管c=0.5；ρ——為流體密度，kg/m3；本裝置中鉆井液密度為1.2×103kg/m3；v——流體速度，m/s；局部阻力系數(shù)與面積關(guān)系如下圖所示(李星宇，周佳怡，張曉馮,2022)：圖4.3流道面積變化與局部阻力系數(shù)關(guān)系圖從這些活動(dòng)中看出在管道中，過(guò)流面積與流速有以下關(guān)系： Q=V1A式中，Q為沖擊器中鉆井液流量，A為過(guò)流面積將Q=15L/s,A1=11309.7mm2,A2=403.4mm2,A3=11309.7mm2代入解得：V1=1.3m/s,V2=3.7m/s，V3=1.3m/s第一次突縮造成壓降： ?PJ第二次突擴(kuò)造成壓降 ?PJ沖錘與鉆井液接觸面積為10,053mm2，鉆井液壓力為50kN,鉆井液產(chǎn)生壓強(qiáng)約為5Mpa綜上所述，局部阻力產(chǎn)生沖擊功損失對(duì)沖擊器整體性能影響較小(劉思遠(yuǎn)，王文靜，陳嘉瑞,2022)。

5沖擊部件設(shè)計(jì)沖擊部件是固定頭下方與沖錘運(yùn)動(dòng)發(fā)生沖擊直接相關(guān)的部件，這在一定程度上預(yù)示了其中包括沖錘、返程彈簧和流道。其中流道分為兩個(gè)，一個(gè)用與導(dǎo)通常開(kāi)孔直接與下方鉆頭連接，一個(gè)流過(guò)沖錘表面推動(dòng)沖錘下行后經(jīng)過(guò)單向閥流向鉆頭(張文杰，趙瑞婷，李宇翔,2020)。5.1沖錘及流道設(shè)計(jì)沖錘需要確定其高度，在沖錘上部還需設(shè)計(jì)特殊流道保證高壓鉆井液沖擊時(shí)，阻止其迅速流通。沖錘下端還需連接單向閥，這在一定程度上昭示防止兩通道鉆井液壓力相互干擾造成裝置失效。本文在行為思路上也有所創(chuàng)新，作者創(chuàng)新性地融入了前人關(guān)于此主題已有的研究成果，在研究深度上有所加強(qiáng)，首先通過(guò)綜合分析現(xiàn)有文獻(xiàn)中的關(guān)鍵理論和實(shí)證發(fā)現(xiàn)，本文構(gòu)建了一個(gè)更為系統(tǒng)且全面的框架，旨在為該領(lǐng)域的研究提供新的視角和方法論指導(dǎo)。其次，為了確保研究的有效性和可靠性不僅驗(yàn)證了前期理論假設(shè)，還進(jìn)一步探索了未被充分關(guān)注的研究空白。沖錘長(zhǎng)度確定(王子凡，劉玉婷，張啟航,2022):沖錘外徑設(shè)計(jì)為100mm,內(nèi)徑設(shè)計(jì)為40mm,沖錘材料選取為普通鑄鐵其密度為：7.85×103kg/m3。由體積密度關(guān)系式計(jì)算沖錘高度： ?=m沖錘上端流道確定：普通沖錘結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，一定意義上展現(xiàn)了鉆井液由沖錘上端進(jìn)入沖錘內(nèi)部，由沖錘內(nèi)部T型流道擋住鉆井液獲得沖擊能量(李浩宇，陳嘉琪，周晨曦,2022)。圖5.1普通沖錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)流道開(kāi)口大，通道簡(jiǎn)單且通道設(shè)計(jì)在沖錘中心。本文設(shè)計(jì)的沖擊裝置內(nèi)有一條通道，加上大通道不能充分利用鉆井液流量所以傳統(tǒng)流道并不適用，設(shè)計(jì)沖錘結(jié)構(gòu)如圖5.2所示(劉思涵，張?zhí)煊睿w文博,2023)：圖5.2沖擊器沖錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其裝配圖這在一定程度上預(yù)兆了常閉孔流道導(dǎo)通時(shí)鉆井液從沖錘上端流入，經(jīng)中間環(huán)形通道后從沖錘上端下通道流出(王天瑞，李梓悅，陳浩然,2022)。相比傳統(tǒng)沖錘結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)流道直徑小，彎道多可以更有效地利用鉆井液沖擊能量。5.2套筒、分隔板設(shè)計(jì)傳統(tǒng)液動(dòng)沖擊器中沖錘與沖擊砧子之間沒(méi)有套筒和分隔板，本裝置加套筒和分隔板作用是利用沖錘中心孔作為流道減少流道設(shè)計(jì)、消除兩流道之間影響。套筒是沖錘與沖擊砧子中間的連接件，從中可以表明套筒在彈簧作用下跟隨沖錘同步運(yùn)動(dòng)，在本裝置中，套筒作用是作為傳力和抗沖擊元件(張紫薇，趙俊豪，李詩(shī)雅,2021)。分隔板在套筒中間，由于其特殊結(jié)構(gòu)鉆井液形成互不干擾的兩條通道。針對(duì)兩元件特殊功能，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)如圖5-3所示：圖5.3套筒、分隔板俯視圖及裝配關(guān)系圖5.3沖擊過(guò)程分析通過(guò)沖錘、套筒、分隔板設(shè)計(jì)聯(lián)系上文旋轉(zhuǎn)頭與固定頭配合狀態(tài)分析沖擊過(guò)程中各元件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這無(wú)疑暴露出常開(kāi)孔導(dǎo)通和常閉孔導(dǎo)通時(shí)沖擊器內(nèi)各元件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖5.4所示(劉子和，王紫涵，周彥宏,2022)。圖5.4不同流道導(dǎo)通沖擊器內(nèi)部元件狀態(tài)圖常開(kāi)孔導(dǎo)通時(shí)，沖擊器內(nèi)部元件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖中a所示。沖錘上端在彈簧作用下緊貼固定頭上端。從這些趨勢(shì)中看出套筒上端連接沖錘下端，下端通過(guò)彈簧限位。鉆井液流向如圖中綠線所示，由常開(kāi)孔經(jīng)沖錘內(nèi)部流至分隔板出口處(李文彬，張怡然，趙思源,2022)。常閉孔導(dǎo)通時(shí)，沖擊器內(nèi)部元件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖中b所示。由于沖錘上端存在特殊流道，且鉆井液直接對(duì)沖錘沖擊，沖錘在高壓鉆進(jìn)液沖擊作用下向下位移。沖錘下端連接套筒，鉆井液沖擊能量通過(guò)沖錘傳遞給套筒。從這些活動(dòng)中看出當(dāng)套筒下行到極限位置，套筒下端對(duì)沖擊砧子產(chǎn)生沖擊，沖錘沖程完成。從中可以看出本研究特別注重跨學(xué)科交叉融合，借鑒相關(guān)領(lǐng)域如經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、等的理論工具和分析模型，以期從多維度解析研究問(wèn)題，從而豐富和完善已有理論體系。通過(guò)對(duì)研究結(jié)果的深入解讀本文提出了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的政策建議或?qū)嵺`指南，希望能夠?qū)π袠I(yè)發(fā)展、決策制定以及未來(lái)研究方向產(chǎn)生積極影響。沖程結(jié)束后，沖錘返程沖擊器內(nèi)部元件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖中c所示。此時(shí)常開(kāi)孔導(dǎo)通常開(kāi)孔流道鉆井液流動(dòng)狀態(tài)與a圖中相同(王子航，李雪慧，劉浩宇,2023)。常開(kāi)孔導(dǎo)通的時(shí)，常閉孔關(guān)閉，此時(shí)沖錘在彈簧作用下向上運(yùn)動(dòng)，這在一定程度上預(yù)示了鉆井液從沖錘上端和沖錘中部向沖錘下端流動(dòng)。沖擊器內(nèi)部常開(kāi)孔導(dǎo)通，沖錘返程過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，常閉孔關(guān)閉單獨(dú)進(jìn)行。在渦輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭不斷旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，沖擊器完成周期沖擊。5.3彈簧設(shè)計(jì)普通正作用式液動(dòng)沖擊器，回程有鉆井液參與，導(dǎo)致回程壓力大，所以回程用碟簧。而本裝置設(shè)計(jì)回程只需克服重力和鉆井液阻力所以采用抗疲勞強(qiáng)度高的彈簧即可滿足要求。裝置中彈簧剛度與上文計(jì)算返程時(shí)間有關(guān)，因此需要確定彈簧剛度。上文計(jì)算沖程時(shí)間為0.0069s而考慮裝置為接觸面為平面型，這在一定程度上昭示突變需要時(shí)間設(shè)計(jì)角度為其二倍。一個(gè)周期為0.125s,返程時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s返程與沖程相同都為15mm。計(jì)算時(shí)應(yīng)以足夠的返程時(shí)間為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,為了便于計(jì)算將浮力與水阻力作用都記為重力做功m=100kg。先設(shè)該過(guò)程由恒力做功，則有速度，加速度時(shí)間公式(周俊杰，張子琪，李凱琳,2022)： s=v由V0=0,t=0.1s,s=15mm;解得a=3m/s2。由彈簧力與所設(shè)恒力做功相等有： FS=mas式中，?x為預(yù)壓縮彈簧量，解得彈簧剛度K=3900這在某種程度上驗(yàn)證了依據(jù)裝置結(jié)構(gòu)和彈簧手冊(cè)，選取底部彈簧直徑為110mm。計(jì)算直徑： d≥1.6P式中，Pn——彈簧承受載荷；τP——許用切應(yīng)力，依據(jù)載荷類(lèi)型（拉，壓）按彈簧手冊(cè)選??；K——曲度系數(shù)，K=4CPn為非平衡狀態(tài)，所以不能直接用沖錘質(zhì)量計(jì)算，Pn=ma+mg=K(?x+15),加速度與沖程關(guān)系即彈簧與沖程關(guān)系為一次函數(shù)且由于未確定彈簧彈性系數(shù)，則不知道斜率和始末數(shù)值(劉穎慧，王瑾瑤，陳宇翔,2022)；這在一定程度上預(yù)兆了速度與沖程關(guān)系為過(guò)原點(diǎn)的二次函數(shù)，由彈性勢(shì)能與重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化關(guān)系可以算出沖程終點(diǎn)15mm處末速度v=依據(jù)彈簧手冊(cè)中徑為110mm的彈簧中，材料為：65Mn直徑為12mm時(shí)單圈剛度為154N/mm。節(jié)距推薦值為:0.28D≤t≤0.5D,取t=0.4D=44mm有效圈數(shù)≥3，自由高度（兩端磨平）H0=nt+d節(jié)距t=(H0-d)/n。從中可以表明需要確定參數(shù)為圈數(shù)，自由高度ho，彈簧預(yù)壓縮值△x，實(shí)際彈簧剛度k2。為確定自由高度和實(shí)際圈數(shù)，通過(guò)列表觀察理想剛度k1與所選彈簧剛度k2關(guān)系決定設(shè)計(jì)參數(shù)值。表4-1彈簧圈數(shù)與相關(guān)系數(shù)關(guān)系表圈數(shù)n材料直徑d/mm自由高度ho/mm預(yù)壓縮值△x/mm理想剛度k1/N·mm-1實(shí)際剛度k2/N·mm-1力差值△F/N損失功W/J61227627.63.7025.67770.9011.56712320323.2922.00739.0011.0981236436.42.9619.25715.0810.7391240840.82.6917.11696.4710.45101245245.22.4715.40681.5810.22111249649.62.2814.00669.4010.041212540542.1112.83659.259.89131258458.41.9711.85650.669.76141262862.81.8511.00643.309.65151267267.21.7410.27636.929.55表中，h0——自由高度為彈簧為壓縮前的高度，h0=44n+d；△x——預(yù)壓縮值，彈簧工作△x=h0/10；k1——理想剛度，周期時(shí)間內(nèi)彈簧滿足回程時(shí)間需要的剛度,；k1=3900/（30*△x+225）k2——實(shí)際剛度，依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取彈簧的剛度，k2=154/·n；△F——力差值，彈簧處于沖程中位時(shí)理想剛度與實(shí)際剛度差值△F=(k2-k1)*(d+7.5)；△w——損失功△w=△F*0.015；分析表中數(shù)據(jù)可知：隨圈數(shù)增加，彈簧高度正比增加，理想剛度下降速度慢，實(shí)際剛度下降快，這無(wú)疑暴露出力差值和損失功都逐步減少。表中力差值雖然大但損失功很小，而力差值變化范圍不大(張晨曦，趙思源，李嘉瑞,2021)。實(shí)際剛度K2值小的有利于彈簧使用壽命，同時(shí)應(yīng)以裝置結(jié)構(gòu)緊湊為一定依據(jù)。選取高度500以內(nèi)，減少結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)圈數(shù)為10時(shí)，實(shí)際剛度遞減不明顯設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)圈數(shù)為10。綜上所述,設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)如下:材料：熱軋彈簧鋼65Mn；其優(yōu)點(diǎn)為：較高的疲勞強(qiáng)度，彈性好，廣泛用于各種機(jī)械、交通工具等；端部制造方式：兩端圈磨平自由圈數(shù)N1=n+1.5=11.5有效圈數(shù)N=10表面處理：a）強(qiáng)化處理：立定處理；b）噴丸強(qiáng)度：0.3Ａ～0.45Ａ，表面覆蓋率大于90％；c）表面處理：清洗上防銹油；尺寸參數(shù)：中徑D=110mm,N=10,d=12,t=0.4D=44mm,H0=nt+d=452,工況為10%（45.2mm）壓縮行程為15mm，剛度為15.4N/mm。

6沖擊功計(jì)算沖擊功指沖擊器在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的單次沖擊能量，沖擊功是沖擊器重要工作參數(shù)。為檢驗(yàn)沖擊器破巖能力需進(jìn)行沖擊功計(jì)算(王雅婷，劉思琦，張瑞宇,2022)。上文介紹可以將沖擊器工作分為兩個(gè)階段即沖程階段和返程階段。本裝置中沖程返程互不影響，從這些活動(dòng)中看出因此計(jì)算沖擊功只需要計(jì)算沖程過(guò)程裝置產(chǎn)生的沖擊功。雖然本文對(duì)這一部分的研究結(jié)論尚未進(jìn)行完全的挖掘，但是從已經(jīng)露出的研究成果來(lái)看，具有一定的指導(dǎo)價(jià)值，首先初步的研究結(jié)果為理解該領(lǐng)域提供了新的視角和見(jiàn)解，有助于識(shí)別關(guān)鍵變量及其相互作用機(jī)制，這為進(jìn)一步深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次這些研究揭示了若干潛在的趨勢(shì)和模式，能夠?yàn)槔碚摽蚣艿陌l(fā)展提供實(shí)證支持，并激發(fā)更多的學(xué)術(shù)探討與辯論。已知上文沖擊器內(nèi)部元件設(shè)計(jì)參數(shù)，為研究方便作如下假設(shè)：(1)活閥、沖錘和與之配合的缸套間的摩擦力等于零(李志鵬，周嘉琳，趙紫涵,2021)。(2)活閥和沖錘所受液體的粘滯阻力等于零。(3)鉆井液推動(dòng)沖錘下行時(shí)，這在一定程度上預(yù)示了鉆井液做功全部轉(zhuǎn)化為沖錘沖擊功。(4)忽略材料彈性變形，沖錘能量全部轉(zhuǎn)化為鉆頭能量（能量傳遞無(wú)損失）(5)液體靜壓力對(duì)沖錘影響作用在浮力系數(shù)f中 f=1?ρ式中,f——浮力系數(shù)；ρ1——鉆井液密度，1.2×103kg/m3；ρ2——沖錘材料密度,7.85×103kg/m3；代入解得f=0.85。沖程中沖錘受到力和他們所做功分別為：1)沖錘自身重力，它在沖錘下行過(guò)程中做功： w1=fG式中，s——沖錘行程。將上文數(shù)據(jù)代入得重力做功((陳曉婷,吳浩然,2021),2022)：w1=GS=80×10×0.015×0.85=10.2J2)鉆井液對(duì)沖錘作用力: w2=F式中，F(xiàn)z——鉆井液壓力;將上文數(shù)據(jù)代入得鉆井液做功:w2=FzS=50000×0.015=750J3)彈簧對(duì)沖錘作用力: Ft=fk沖程做功: w3=f式中,k——彈簧剛度系數(shù)；L——壓縮增加長(zhǎng)度，積分變量;X——預(yù)安裝時(shí)壓縮長(zhǎng)度;將上文數(shù)據(jù)代入得彈簧做功;w這在一定程度上昭示綜上所述:本裝置沖擊功: A=?（w式中，△為修正系數(shù)，△=0.85-0.9取△=0.9，代入上式中數(shù)據(jù)，解得沖擊功A=674.8J。沖錘末速度(張宇和，李雪珂，趙天宇,2022)： 12m v=2 =4.11m/綜上所述：沖擊器沖擊功約為674.8J，沖錘末速度為4.1