畢業(yè)設計（論文）-水力振蕩器（振動發(fā)生部）設計

III水力振蕩器（振動發(fā)生部）結構設計與關鍵參數(shù)計算摘要：隨著人類社會對資源的需求越來越高，當今社會對鉆井技術的要求也隨之越來越高。常見的鉆井有直井，定向井，水平井幾種，無論是哪一種鉆井形式，在鉆井過程中鉆頭外柱與鉆井井壁之間的摩擦阻力都是影響鉆井速度的主要因素。鉆頭機構與鉆井井壁摩擦產(chǎn)生的額外扭矩以及摩擦阻力會導致鉆頭鉆井速度降低，難以控制鉆頭工作面，單次鉆進尺度少，鉆頭鉆柱嚴重磨損等情況。而且當鉆井過程中積累的摩擦力超過給與鉆頭的壓力（也就是鉆頭管柱依靠本身自重給與鉆頭機構的下推力）時就會出現(xiàn)托壓的情況，托壓會導致鉆頭管柱發(fā)生正旋彎曲或是螺旋屈曲。再鉆定向井或者是水平井時，大的摩阻還會導致井眼彎曲，從而降低了鉆機能夠鉆達的最大深度，對于鉆探石油的鉆井，由于深度不夠，甚至會影響到油井的產(chǎn)油量。經(jīng)過國內外鉆井研究機構實踐表明，依靠水力脈沖來使得鉆柱產(chǎn)生軸向振蕩，能夠有效的減少鉆頭機構與鉆井井壁之間的摩擦力并且可以很好的改善鉆頭機構的壓力傳遞情況，顯著提升鉆頭定向滑動鉆進的效果，大幅度提高鉆井時定向鉆進的效率，并且鉆出的井眼也更加的平滑，也大大提高了單次鉆進的深度。在直井，螺桿鉆具導向井，旋轉導向鉆井，大位移井，頁巖氣儲層井等類型的的鉆井應用水力振蕩器，可以有效的解決托壓，卡滑以及鉆頭控制鉆頭工作面能力差等問題。所以本次課題應鉆井機械發(fā)展背景，設計一款性能優(yōu)良的水力振蕩器。關鍵詞：鉆井技術；摩阻；托壓；水力振蕩器；水力脈沖；摘要I第一章研究的目的和意義與國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 31.1研究的目的和意義 31.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 3第二章直徑178型水力振蕩器的研究 92.1直徑178型水力振蕩器結構及工作原理的確定 92.2水力振蕩器關鍵部位零部件設計以及主要參數(shù)的計算 112.3射流元件應力分析 12第三章直徑178型水力振蕩器振動短節(jié)振動分析計算 163.1水力振蕩器系統(tǒng)振動模型 163.2芯軸—碟簧振動系統(tǒng)的固有頻率 173.3碟簧組的設計方法 183.4碟簧組的設計 22第四章直旋作動器流道口水擊數(shù)值模擬 234.1直旋作動器工作原理 244.2計算直旋作動器的螺旋角 264.3流道口水擊數(shù)值模擬 27參考文獻 29結論 30致謝 31第一章研究的目的和意義與國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢1.1研究的目的和意義隨著人類科學技術的不斷發(fā)展，人們的物質生活越來越豐富，人們對于外部資源與內部設施的需求越來越大。這就使得人們對鉆井的使用越來越多。近年來，有許許多多的大位移井，長水平段水平井出現(xiàn)。在鉆井的過程中，機械鉆機的鉆機速度收到摩阻或、托壓等一系列問題使得鉆井鉆速下降，而伴隨著鉆速的下降，還可能造成壓差卡鉆等一系列的井下故障，特別是在鉆頭滑動鉆進的時候，鉆頭系統(tǒng)無法給與鉆頭施加有效的鉆進壓力，使得鉆井效率下降，建井周期延長。為了解決上述問題，鉆井研究人員分別做了優(yōu)化井眼軌道，加入井筒潤滑劑，應用滑動扶正器等方面的一系列研究實驗。但是對于解決鉆井時長水平段摩阻大，托壓等問題的效果都不太理想。因此，國內外專家學者便紛紛把精力投入到水力振蕩器的研究當中。水力振蕩器在工作時利用機械振動原理把鉆井機械外壁與鉆井內壁之間的靜摩擦力轉化為動摩擦力。這樣便降低了鉆井時的摩阻，同時也減下了托壓。隨著人們對鉆井的需求量越來越大，更多的大斜度井，水平井出現(xiàn)，尤其是最近一段時間，小井眼鉆井技術得到廣泛的應用，在報廢井，枯竭井上進行套管開窗式側鉆以及裸眼側鉆的水平井或定向井已發(fā)展成為了挖掘舊的油氣井剩余潛能的重要手段。用以往的鉆井方法進行鉆井時，不管是轉盤的鉆進，亦或是鉆井底部動力鉆具的鉆進，都是靠著鉆機鉆柱自身的重量來對鉆頭施加壓力。在對一些大斜度井，水平井的鉆探時，井斜角的角度不斷增大，由于矢量的原因，使得鉆頭鉆柱想要給鉆頭施加足夠的壓力變得越來越困難，與此同時，鉆機機構與鉆井井壁之間的摩擦阻力也變得越來越大，使得鉆頭在鉆井時受到了很大的阻礙。所以在對大斜度井，水平井還有一些小井眼鉆井進行鉆探時，使用以往的依靠鉆柱自身重量施加鉆壓的方法并不能很好的進行鉆探工作。并且對這些類型的鉆井進行鉆探時，鉆機的鉆柱所處的工作狀況要比普通鉆井惡劣的多，鉆柱在作業(yè)時會產(chǎn)生振動，尤其時鉆這些類型的鉆井時，鉆柱所產(chǎn)生的縱向振動，會使得鉆頭的鉆壓難以保持穩(wěn)定，使鉆頭的鉆速下降，會使鉆頭提前磨損過度而失效，還有可能會造成鉆柱被扭斷破壞等一些嚴重的事故。而水力振蕩器的開發(fā)與使用可以改變直井，大斜度井，水平井以及開窗側鉆井等鉆井進行鉆探時的水力學效果?？梢允广@機在鉆井過程中準確施加壓力，勻速送進鉆頭，使井下的事故發(fā)生率大大的減少。對于機械產(chǎn)品設計要從全局出發(fā)，在滿足使用效果的前提下，既要有技術上的先進，還要考慮產(chǎn)生的經(jīng)濟性，以及是否便于加工或是維修更換零部件等特性。1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢從上世紀九十年代開始，西方多家石油勘探公司便將人力物力投入到水力振蕩器的研究當中。經(jīng)過多年的實踐探索，國外在水力振蕩器提速方面的技術已經(jīng)發(fā)展的比較完善。這其中，美國國民油井華高公司（NationalOilverVarco，簡稱NOV)研制開發(fā)的水力振蕩器是最具有代表性的一款水力振蕩器。其產(chǎn)品已經(jīng)投入到商業(yè)化市場應用。因其出色的降低摩阻的效果，應用的范圍便越來越大，在大斜度井，水平井，多分支水平井等類型的鉆井中也使用了此款水力振蕩器。同國外相比，我國對水力振蕩器的開發(fā)研究應用比較晚，但是水力振蕩器的發(fā)展速度較快，特別是在最近的幾十年里面，我國大大小小的鉆井勘探公司已經(jīng)研發(fā)出了十幾種水力振蕩器。部分性能出色的產(chǎn)品已經(jīng)進入了商業(yè)化市場。下面小生列舉幾款水力振蕩器的機構原理，并分析其優(yōu)缺點。NOV水力振蕩器結構組成NOV水力振蕩器由振動短節(jié)，動力短節(jié)，閥門和軸承系統(tǒng)等幾部分構成，具體結構見圖1NOV水力振蕩器結構簡單，機身直接鏈接到鉆桿上工作原理NOV水力振蕩器在工作過程中，鉆井液流經(jīng)動力短節(jié)時，驅動動力短節(jié)內部的螺桿旋轉，在螺桿末端的固定閥盤的中心位置設置上過流孔，和設置有偏心過流孔的振蕩閥盤緊密配合。因為轉子的旋轉，固定閥盤與振蕩閥盤上的過流孔會出現(xiàn)周期性的交錯與重合。這樣會使得機構下部的過流面積出現(xiàn)周期性的變化，進而形成了脈沖式的鉆井液壓力。鉆井液壓力升高，壓力推動著活塞和中心軸壓縮后面裝置的碟簧組。心軸伸出來；而鉆井液壓力降低時，心軸便縮回到之前的位置。這樣的結構原理，會利用脈沖壓力使工具產(chǎn)生軸向的振動，進而改變了鉆頭鉆柱與鉆井內壁之間的摩擦形式，降低了它們之間的摩阻，從而提高了鉆井的速度。NOV水力振蕩器的優(yōu)缺點：在鉆井過程中，對鉆井的造斜段與鉆井水平段進行勘探時，鉆井速度有顯著的提升，水力振蕩器設置在鉆柱的內部，把鉆柱滑動鉆進時與鉆井內壁之間的靜摩擦轉變?yōu)閯幽Σ痢＿@樣使得鉆井過程中的摩擦阻力降低了百分之八十以上。定向效果優(yōu)良，NOV水力振蕩器能夠有效的避免鉆頭壓力的堆積，可以很好的操控鉆頭工作面。使用壽命短，由于NOV水力振蕩器獨特的內部結構，其動力部分產(chǎn)生的脈沖壓力在使振蕩器產(chǎn)生軸向振動時也會對振蕩器的內部零部件進行沖擊，使其使用壽命縮短。當鉆探超過六十度井斜角的鉆井時，或者是超過十萬米的水平位移鉆井時，鉆井的速度有明顯的下降。2水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設備設備結構：水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設備分為鉆頭與鉆柱連接短節(jié)，外殼，鉆頭驅動桿缸套，水力振蕩組件等幾個部分，具體結構見圖2在此款設備中，鉆頭驅動桿和水力震蕩組件在外部都設有專用的密封元件，這樣是為了防止在鉆機工作時會有鉆井液滲漏出來。水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設備的主要技術參數(shù)如下：鉆進壓力75~85KN，理想排量32~35L/S，泵壓18mpa，工作頻率24HZ.設備的工作原理：在內部所設置的能量轉換機構，可以把鉆井液的一部分動能轉換為對井底巖石的一種周期性的沖擊能，鉆頭執(zhí)行鉆井操作時，可以同時進行徑向旋轉和軸向振動。并且水力脈沖經(jīng)過能量轉換裝置改變了鉆頭面對巖石的受力狀態(tài)。這種結構的鉆井設備在工作時，還能夠有效的清潔井底，使得鉆頭的破巖性能非常的優(yōu)越。水力脈沖誘發(fā)振動鉆井設備的優(yōu)缺點：該款設備成功把振動沖擊和水力脈沖的優(yōu)勢集中到了一起，設備的破巖性能十分出色。直接利用水力脈沖引起機械振動，同一般的鉆機比如靠內部沖擊錘沖擊鉆井的結構相比，結構簡單，制作成本低，安全系數(shù)高。設備的適應能力不強，作業(yè)時受到地層結構的限制，目前為止，該種設備還不能應用在比較堅硬的地層。設備的耐沖蝕性能比較差，水力振蕩結構容易出現(xiàn)損壞。1.3自激振蕩式旋轉沖擊鉆井設備設備結構自激振蕩式旋轉沖擊鉆井設備分為鉆柱鏈接短節(jié)，自激振蕩器，沖擊傳遞桿和鉆頭驅動鏈接短節(jié)幾部分構成，該設備中的自激振蕩器包括一級自激振蕩器和二級自激振蕩器兩種。設備的主要技術參數(shù)：設備使用在井深小于6000m的鉆井中，適合應用于井眼大小在直徑154.3~直徑407.6mm之間，鉆頭壓力為40.0~140.0KN,鉆頭轉速在60~120r/min之間，泵壓18~26mpa，理想排量20~60L/S,設備的振動頻率50~55HZ,使用的鉆井液密度1.2~1.8kg/L，壓力損耗約為0.6mpa，設備的使用壽命超過220h。設備的工作原理鉆井液流經(jīng)該設備內部所設的一級與二級自激振蕩器的處理，出來后的鉆井液形成水力脈動壓力，然后鉆頭驅動桿將水力脈動壓力轉化成為對鉆頭的機械振動沖擊。然后水力脈動壓力繼續(xù)往下傳遞，在鉆井的底部形成脈沖射流，鉆井底部的巖石在振動沖擊和脈沖射流的共同作用下，受力情況發(fā)生改變，同時脈沖射流還可以沖洗井底的巖屑，使設備的破巖效率提升，加快設備的鉆進速度。自激振蕩式旋轉沖擊鉆井設備的優(yōu)缺點：此種類型的設備采用高性能合金鋼制造，設備的機械強度高，與鉆頭的機械強度不相上下。所使用的密封原件環(huán)境適應能力強，可在酸性，堿性，油性以及200度高溫等環(huán)境下工作。將振動沖擊水力脈沖以及射流破巖等優(yōu)勢集中到一起，設備的破巖效果更上一層樓，速度進一步提升。設備的耐沖蝕性能出色，此款鉆井設備在受到?jīng)_蝕比較強烈的部位采用硬質合金等高耐磨材質制成。并且對其表面采用局部淬火“氮化”激光熔覆等強化處理。此款設備的水力脈沖高頻率，幅度平緩。可以和各種各樣的鉆具鉆頭相配合使用，安全性能強。設備壓力損耗?。ǖ陀?.2mpa），減少了鉆井泵在高壓環(huán)境下工作所產(chǎn)生的額外損失。設備使用優(yōu)化過的水力結構以及高耐磨材質部件，使用壽命較長，一般超過220h。另外也可以更換局部零部件，使設備的使用壽命進一步延長。由于設備的結構特點，使此款設備只能在鉆井直井段的地方使用，設備的應用范圍較為局限。1.4軸向水力振蕩器軸向水力振蕩器的機械結構軸向水力振蕩器分為動力部分，閥門與軸承系統(tǒng)，振動部分等幾個部分，軸向水力振蕩器的主要技術參數(shù)見表2軸向水力振動器的工作原理：軸向水力振蕩器的工作原理同NOV水力振蕩器的工作原理類似，都是依靠周期性的改變閥門的過流面積來產(chǎn)生水力脈沖，從而帶動機身上振動部分周期性伸縮來產(chǎn)生振動效果，從而將鉆柱與鉆井井壁之間的靜摩擦轉變?yōu)閯幽Σ?，增強鉆頭的鉆進效率。軸向水力振蕩器的優(yōu)缺點：軸向水力振蕩器可以通過把鉆柱與鉆井井壁之間的靜摩擦轉換為動摩擦，避免了鉆壓堆積，鉆柱屈曲，鉆頭黏滑以及鉆進面丟失等現(xiàn)象的發(fā)生，從而增強了鉆頭的工作效率?？梢耘c各種類型的鉆頭配合使用，并且?guī)鱼@頭做周期性的徑向伸縮運動，沒有軸向的扭轉，可以一定程度上保護鉆頭，延長鉆頭的使用壽命。由于水力脈沖的作用，該設備內部零部件遭受較為強烈的沖蝕作用，易于損壞，另外此設備對于鉆探巖石面的沖刷性能不佳。在執(zhí)行對鉆井的三緯扭方位鉆進過程時，該設備的鉆進速度提升效果不好。1.5徑向水力振蕩器徑向水力振蕩器的機械結構徑向水力振蕩器分為激振機構單元，動力單元以及旋轉密封單元等幾個部分。在該設備中，使用螺桿馬達做為其動力單元的核心部件。而激振機構單元則分為偏心軸，外筒，密封總成，軸承還有下部轉換接頭等。詳細結構見圖4:徑向水力振蕩器的主要技術參數(shù)如下：適用于直徑155.3mm的鉆井。設備的最大外徑122.0mm，并且配備直徑88.9mm的鉆桿。激振力的大小在0.6KN~1.5KN之間，理想排量范圍10~15L/S.設備的振動頻率10~25HZ，設備壓力損耗1.4mpa。徑向水力振蕩器的工作原理：設備執(zhí)行鉆井工作時，首先將高壓鉆井液注入徑向水力振動器，驅動馬達運轉，偏心軸在馬達主軸的帶動下發(fā)生轉動從而產(chǎn)生激振力。激振力的方向跟隨偏心軸的旋轉而呈現(xiàn)出旋轉式分布，這樣的激振力推動徑向水力振蕩器內部的鉆桿，做周期性的徑向振動。徑向水力振蕩器的優(yōu)缺點：可以周期性將鉆柱與井壁之間的靜摩擦力轉變?yōu)閯幽Σ亮Γ广@壓傳遞給鉆頭的效率更高。結構簡單，方便維修以及更換零部件，從而延長設備的使用壽命。目前為止，此款設備的應用尚存在局限性，在對超過60度井斜角的鉆段進行鉆探時，仍然有很明顯的托壓現(xiàn)象。1.6雙向水力振蕩器2014年，我國鉆井公司在仔細分析了軸向水力振蕩器和徑向水力振蕩器的技術特點后，綜合了兩款水力振蕩器的優(yōu)勢，開發(fā)出了一款雙向水力振蕩器。雙向水力振蕩器的機械結構：雙向水力振蕩器分為軸向水力振蕩裝置和徑向水力振蕩裝置兩個部分。這其中徑向水力振蕩裝置可以做為獨立的振蕩單元進行使用，而軸向振動裝置部分則需要配合徑向水力振蕩裝置使用。徑向水力振蕩裝置內設動力部分與變流閥組，而軸向水力振動裝置則是由活塞，心軸，碟簧等零部件構成。雙向水力振蕩器工作原理：雙向水力振蕩器的徑向振動部分主要是依靠鉆井液進入馬達后，轉子帶動定子產(chǎn)生徑向振動，而變流閥則會改變流入鉆柱的液體體積，進而形成水力脈沖。軸向振動部分則是依靠徑向振動部分變流閥工作產(chǎn)生的水力脈沖推動活塞，壓縮活塞后面的彈簧裝置，進行形成軸向水力振蕩器在軸向的振動。雙向水力振蕩器的優(yōu)缺點：雙向水力振蕩器可通過徑向振動與軸向振動的方式大大減少鉆桿鉆井時所受到的摩擦力，使鉆機的鉆井速度明顯提升。此款水力振蕩裝置較受安防位置的限制，需在合適的安防位置才能發(fā)揮出其良好的使用效果。第二章直徑178型水力振蕩器的研究2.1直徑178型水力振蕩器結構以及工作原理的確定在國內市場上，軸向振蕩減阻器以及射流式液動沖擊器是應用最多的振動減摩阻工具。軸向振蕩減阻器，即是我們常說的軸向水力振蕩發(fā)生器，其結構見圖2-1軸向振蕩減阻器主要分為：軸向振動短節(jié)，動力短節(jié)，閥門和軸承系統(tǒng)等幾個部分。軸向振動短節(jié)則是由心軸，活塞，碟簧組以及外管等零部件構成。螺桿是動力短節(jié)的核心零部件，它為動力短節(jié)部分提供動力。動閥盤和定閥盤共同工作構成水力振蕩器的水擊裝置。此款水力振蕩器的工作原理：通過心軸將鉆井液注入到振蕩器下部的螺桿轉子部分。鉆井液推動螺桿旋轉，螺桿和閥盤通過一個萬向節(jié)連接，從而也帶動閥盤旋轉，在振蕩閥盤與固定閥盤上開有不同心的孔，振蕩閥盤旋轉從而周期性的改變鉆井液的注入體積，從而產(chǎn)生了水力脈沖。水力脈沖周期性的壓縮軸向振動短節(jié)下部的碟簧組，從而使碟簧組周期性的發(fā)生彈性形變，來推動活塞引起了振蕩性的軸向振動。把鉆機鉆柱與鉆井外壁之間的靜摩擦力轉變?yōu)閯幽Σ亮Γ广@頭因為摩擦而損耗的能量大幅度下降，并減少扭矩。但是這樣的結構的水力振蕩器會因為螺桿轉動而帶來橫向振動和扭轉振動，要想制造外徑比較大的此款設備，需要一個很高的造價。在水力振蕩器方面我國還自主創(chuàng)新研發(fā)了一款射流式液動沖擊裝備，內部結構使用無運動的射流元件來控制振動的產(chǎn)生。比較國外的各種閥門式振蕩機，此種設備結構簡單，工作穩(wěn)定，對環(huán)境的適應能力更強，具體結構見圖2-2。射流式液動沖擊器可分為射流元件，缸體，活塞，沖錘還有帖子幾部分。射流式液動沖擊器的工作原理：鉆井液經(jīng)過射流元件附壁的作用，使鉆井液在不同時間進入不同的通道從而推動活塞作往復運動，來使設備產(chǎn)生振動。但是這種水力振蕩器容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，結構也比較大，而且部分零部件受沖蝕嚴重，需要頻繁更換。在綜合了上述兩款水里振蕩器的機械結構原理以及使用性能上的優(yōu)缺點，我國水力振蕩器研究學者柳鶴將兩種水力振蕩器的內部結構巧妙結合研發(fā)出了一款新型的振動減摩設備，其機械結構見圖2-3心軸、2-上接頭、3-隔套、4-外管、5-碟簧組、6-中接頭、7-心軸中接頭、8-斯特封活塞、9-心軸下接頭、10-下接頭、11-上接頭、12-調節(jié)碟簧、13-外缶工、14-上接頭、15-射流元件、16-缸體、17-調整錐桿、18-活塞、19-圓柱銷、20-缸蓋、21-隔套、22-節(jié)流盤、23-下接頭這種水力振蕩設備是依靠振蕩短節(jié)中設置的碟簧組來實現(xiàn)機體的振動，通過設置在振蕩短節(jié)中的射流元件來周期性對碟簧組部位進行加壓與釋放，從而可以像前面提到的軸向振蕩減阻器一樣來為振動提供所需的能量。這樣的結構因為圓柱銷會對節(jié)流盤產(chǎn)生沖擊，使得節(jié)流盤的損壞率比較高，節(jié)流盤損壞最終會使得振蕩短節(jié)無法產(chǎn)生水擊效應進而形成壓力波的過程，然后導致水力振蕩器失效。本次設計，學生按照課題要求并且參考射流式水力振蕩器的結構，設計了一款直徑178型軸向水力振蕩器。具體結構見圖2-4:芯軸、2-上接頭、3-套筒、4-碟形彈簧、5-外管、6-芯軸中接頭、7-斯特封活塞、8-芯軸下接頭、9-中接頭、10-下接頭、11-振蕩短節(jié)接頭、12-射流元件、13-缸體、14-活塞、15-旋轉套、16-活塞桿、17-缸蓋、18-導向套、19-平動滾珠固定套、20-鋼球、21-平動套、22-軸承、23-旋轉滾珠固定套、24-旋轉套、25-尾套。這一款的直徑178型軸向水力振蕩器的工作原理為：鉆井液從軸向振動短節(jié)的芯軸中心經(jīng)過，進入到水力振蕩短節(jié)，經(jīng)過射流元件噴嘴處理成為高速射流，在射流元件里面作附壁切換推動著后面的活塞在管體里面進行直線性的往復運動，與此同時和活塞桿下端連接在一起的直旋作動器驅動節(jié)流孔上面的旋轉套做圓周狀的來回擺動。從而可以周期地改變節(jié)流孔鉆井液的過流面積，在振動短節(jié)入口的地方形成周期性的脈沖壓力波。鉆井液壓力升高時，流體壓力推動軸向振動短節(jié)里面的芯軸向左壓縮碟簧組，芯軸伸出。鉆井液壓力降低時，被壓縮后的碟簧恢復原狀向外釋放能量，然后推動著芯軸向右運動。按照這種方式下部設立的水力振蕩短節(jié)經(jīng)上部的軸向振動短節(jié)提供動力。達到驅動連續(xù)油管往復運動，從而解決鉆頭滑動鉆井過程中面臨的托壓問題。2.2水力振蕩器關鍵部位零部件設計以及主要參數(shù)的計算2.2.1計算流體動力學簡介及運用計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）是一門融合了流體力學與數(shù)值計算兩部分內容的學科，是一門應用計算機科學技術與圖像顯示技術為方法的新型學科。使用計算流體動力學技術模擬鉆頭進行鉆井工作時射流式水力振蕩器的內部流場和壓力場分布情況，能夠很好的優(yōu)化水力振蕩器的機械結構以及工作性能。同常規(guī)的室內外樣機實驗相比，計算流體動力學模擬技術更節(jié)省成本，并且可以縮短試驗周期以及簡化試驗步驟。本次研究的射流式水力振蕩器在工作時內部流場十分復雜，因此本次我們使用Solidworksflowsimulation插件來模擬射流式水力振蕩器在工作情況下附壁射流機構內的流場分布還有壓力變化特性，從而實現(xiàn)對水力振蕩器的仿真模擬。對于使用Solidworksflowsimulation插件對射流式水力振蕩器內部流場的模擬仿真的詳細過程，因篇幅原因本文不再一一敘述，只列出仿真結果。假設活塞，活塞桿以及活塞桿下方連接機構的質量為M，缸體的內徑為D，面積為A，活塞桿直徑為p2，面積為A3，活塞上部腔體內水壓為P,活塞下腔水壓力為P2，活塞所受阻力用R表示，因此，施加在活塞上的壓力差為：2.3射流元件應力分析在本次設計的水力振蕩器振蕩短節(jié)中，振蕩機構分為射流元件、活塞缸、活塞和活塞桿幾部分。為了確保振蕩機構在工作過程中能夠正常發(fā)揮它的特定作用并且延長振蕩機構的使用壽命，我們在設計時要對該機構中的關鍵零部件做應力分析，在振蕩短節(jié)中射流元件受沖蝕效應比較嚴重，非常容易損壞,參考下圖：圖2-3射流元件損壞圖

圖2-3射流元件損壞圖我們利用流體仿真插件采用流固耦合的分析方式來分析射流元件在執(zhí)行操作時會受到的作用力，本次設計的射流元件采用對稱結構，所以我們只需要分析射流附壁于射流元件內部一側所受的應力以及應變，具體的分析模型分成流體域和固體域，參考圖2-3-2和2-3-3所示：圖2-3-1流固耦合分析流體域圖2-3-3流固耦合分析固體域首先我們對流體域進行模擬，分析出射流元件內部流體作用力，具體的射流元件流體作用力導入固體域后的作用力分布情況見圖2-3-4：圖2-3-4射流元件流體作用力圖

接著我們將模擬所分析出來的的流體作用力導入到固體域中進行應力分析，分析結果見圖2-3-5和2-3-6：圖2-3-5射流元件應力圖圖2-3-6射流元件應變圖由上圖分析結果可知在射流元件入射道、排出道拐角處以及附壁面的應力要比其它地方高出很多，并且因為受到鉆井液的沖蝕，這幾個部位對比其它地方來說也更加容易損壞，為了使這幾個地方更加的耐用，我們在加工這幾個地方時鑲嵌硬質合金塊或者對表面進行滲氮、滲碳等特殊熱處理。第三章直徑178型水力振蕩器振動短節(jié)振動分析計算3.1水力振蕩器系統(tǒng)振動模型在本次設計的水力振蕩器振動短節(jié)中，水擊元件為振蕩器的振動提供所需要的激振力，水力振蕩器所設的振動短節(jié)內部碟簧組的運動帶動芯軸運動，從而產(chǎn)生往復的振動。此款水力振蕩器的振動為有阻尼的受迫振動，水力振蕩器的振動微分方程為： 公式中：m,c,k分別代表振動系統(tǒng)的質量，阻尼，剛度；則是分別代表振動系統(tǒng)的加速度，速度，位移；F代表著振動系統(tǒng)所受的激勵力，它是一個周期性激振力，水擊效應的作用力近似為簡諧激振力：在一般情況下，阻尼比小于一時，可以認為共振頻率也就是激振力頻率等于統(tǒng)固有頻率。系統(tǒng)發(fā)生共振,共振的振幅為：3.2芯軸一碟簧振動系統(tǒng)的固有頻率像水力振蕩器振動短節(jié)芯軸一碟簧系統(tǒng)，需要把芯軸簡化成為振子、碟簧組簡化為有質量的彈簧，用能量法計算水力振蕩器系統(tǒng)的固有頻率。圖3-2彈簧振子簡化示意圖假設彈簧的質量為m、長度為L質量均勻分布的彈性體，當振子產(chǎn)生一個dx的位移時，彈性體也會產(chǎn)生一個位移，假設彈性體各部分的位移同它們到固定點之間的距離成正比，那么彈性體微元dm移動的距離為：因為彈性體的質量呈現(xiàn)分布均勻的狀態(tài)，所以有：這樣我們便能計算出彈性體微元的動能為：對整個彈性體進行積分可以得到在任意時刻彈性體的總動能為：令可以得到：振動系統(tǒng)的哈密頓量為:得到的哈密頓正則方程為：聯(lián)和上面公式可得:解出上式得到其通解為：其中系統(tǒng)的固有圓頻率為：即系統(tǒng)的固有頻率為公式中：k是振動系統(tǒng)組合碟簧的總剛度，單位N/mmm0表示芯軸的質量，單位kgm代表包括組合碟簧組以及套筒的質量，單位kg3.3碟簧組的設計方法圖3-3-1單片蝶形彈簧圖圖3-3-2復合碟形彈簧圖經(jīng)過多次實驗研究得出結論，諸如隨鉆測量、鉆頭及導向這樣的工具，振動的頻率對于此類工具很有影響，普遍認為當振動頻率低于10Hz時，振動對于井下鉆井工具的影響是良性的；當頻率大于10Hz小于60Hz的時時候，振動對于井下鉆井工具會產(chǎn)生中等程度的影響；當頻率大于60Hz時，振動會對井下鉆井設備產(chǎn)生破壞性的影響。本次水力振蕩器振蕩元件的激振頻率為7Hz,因為我們要讓水力振蕩器振動短節(jié)同振蕩元件形成共振，所以把振動短節(jié)中芯軸一碟簧振動系統(tǒng)的固有頻率設計為7Hz左右,因為水力振蕩器內鉆井液的阻尼作用，設置的水力振蕩器工作頻率不但不會對井下鉆井工具造成明顯影響，而且也不會破壞水力振蕩器的機械結構。首先我們選定所使用的碟簧的特性曲線。然后根據(jù)碟簧的布置空間，選取合適的碟簧外圓直徑D與內圓直徑d并確定它們之間的比值C,參考圖3-3-1。接下來給定f/h的值，然后根據(jù)應力計算公式計算出滿足使用強度要求的碟簧厚度t。最后再根據(jù)本次水力振蕩器工作所受載荷與變形的關系，確定碟簧組合方式和碟簧的總片數(shù)，組合碟簧采用疊合再對合的方式布置，疊合層數(shù)為n,對合次數(shù)為i,布置方式見圖3-3-2，最后把組合碟簧用并聯(lián)的方式套在在芯軸上，并聯(lián)個數(shù)為numo確定已知參數(shù)： 參考圖3-3-1所示，單個碟簧的結構主要分為4個尺寸參數(shù)（h0,t,D和d）,根據(jù)水力振蕩器振動短節(jié)結構所留空間我們取D=55mm,d=34mm。單片碟簧厚度計算:

當hO/t的值在0-0.5之間時，碟簧的特性曲線接近直線，近似于壓縮圓柱螺旋彈簧。內外徑比值應力公式系數(shù)的值碟簧無支承面碟簧壓縮極限后面的計算中均以下式代入?yún)⒖紙D3-3-2,最大切應力位于碟簧內圓外表而的I處（碟簧材質為60Si2CrVA）其中：E代表的是材料彈性模量；振動系統(tǒng)的固有頻率計算：為了便于計算芯軸質量，我們把芯軸分成連接段和安裝碟簧段兩段，來計算它的質量，質量大約是（芯軸的材質為40CrMnMo）公式中：P代表材料密度；L代表的是安裝碟簧段長度;內套筒的質量振動系統(tǒng)振子質量碟簧的質量組合碟簧的總剛度3.4碟簧組的設計利用MATLAB我們把已經(jīng)知道的參數(shù)還有計算公式求解出符合設計要求的碟簧組合形式以及具體的碟簧參數(shù)，接著計算出在限定條件下可以讓碟簧組壓縮量最大的數(shù)據(jù)。首先要確定設計變量。對于碟簧組的結構來講，未知參數(shù)包括碟簧厚度t、碟簧組的疊合層數(shù)為n,對合次數(shù)為i還有并聯(lián)個數(shù)mun,所以設計變量為：然后確定設計約束。按照本次碟簧的設計方式還有水力振蕩器振動短節(jié)自身設計的尺寸等限定條件，具體的約束可分為以下幾個：碟簧特性曲線的要求碟簧壓縮界限要求碟簧強度要求，碟簧內圓外表面的I處的應力應小于材料的屈服極限碟簧疊合片數(shù)要求，一般情況下碟簧片數(shù)不超過（5）工作頻率要求，當水力振蕩器工作頻率不超過10Hz時振動對于井下鉆井工具的影響是良性的，并且與振蕩短節(jié)的激振頻率近似最后利用MATLAB編寫設計代碼然后進行求解（計算步驟因篇幅原因不在詳細敘述），得出的最終結果為：碟簧外圓直徑55mm、內圓直徑34mm、疊合層數(shù)為2、對合次數(shù)為5、并聯(lián)個數(shù)為4。水力振蕩器振動短節(jié)振動系統(tǒng)固有頻率為7.2Hz,最大壓縮量為6.25mm。根據(jù)得出的結果設計出的水力振蕩器振動短節(jié)結構如圖3-4所示：第四章直旋作動器流道口水擊數(shù)值模擬直旋作動器是一種能夠把活塞桿的直線往復運動轉化成旋轉套往復擺動運動的機構，在各種工程機械還有石油鉆井工具中被普遍應用。直旋作動器具體結構見圖4-1：1-活塞桿；2-導向套；3-平動滾珠固定套；4-滾珠；5-平動套；6-軸承；7-套筒;8-旋轉套；9-旋轉滾珠固定套；10-尾套圖4-1直旋作動器結構簡圖4.1直旋作動器工作原理直旋作動器由旋轉機構與平動機構構成其核心部件，活塞桿上的活塞受到鉆井液的的不同方向的壓力在活塞缸內做上下往復運動，帶動活塞桿還有平動套在導向套內沿著軌道進行往復平移運動，平動套的上半部分是直線軌道，下半部分是螺旋軌道，在旋轉滾珠固定套的作用下平動套的直線運動迫使螺旋軌道內的滾珠將力傳遞給旋轉套，使得旋轉套作周向往復擺動運動。具體結構見圖4-1-1和圖4-1-2：流道口在直旋作動器旋轉套帶動下做旋轉運動時，流道口過流面積發(fā)生周期性的變化，因此可以使鉆井液產(chǎn)生周期性壓力脈沖，周期性壓力脈沖傳遞到振動短節(jié)，周期性的壓縮蝶形彈簧，從而使振蕩器得以產(chǎn)生周期性的軸向振動。圖4-1-2流道口初始位置與結束位置示意圖旋轉套上流道口在旋轉的過程中，鉆井液的流通區(qū)域逐漸發(fā)生改變。參考圖4-4-3，我們設定旋轉套上流道口的半徑為R,圓心距離旋轉套中心距離為L,陰影面積大小為S。圖4-4-3流道口運動簡圖計算陰影面積大小的公式為:計算運動階段a的公式為:隨著旋轉套的轉動鉆井液的流通區(qū)域消失后，即陰影面積S=nR2時，鉆井液的停止注入會形成水擊效應，從而使水力振蕩器振蕩短節(jié)產(chǎn)生周期性的壓力波。水擊壓力為：其中：P代表流體密度,單位kg/m3；C代表水擊壓力傳播速度，單位m/s；v代表節(jié)流口處的流速，單位m/s；水擊壓力傳播速度為：式中：E為流體彈性模量，單位MPa；e為管壁厚度，單位mm；E0為管壁材料彈性模量，單位MPa；4.2計算直旋作動器的螺旋角根據(jù)直旋作動器的結構我們知道，直旋作動器的水擊頻率取決于平動套、旋轉套、滾珠的直徑以及軌道的螺旋角。因為前文當中我們已經(jīng)確定了活塞缸的結構尺寸，直旋作動器的水擊頻率為7赫茲，平動套移動的距離與活塞的移動距離都為為40mm,假設旋轉套的螺旋角為B,參考圖4-2-1，直旋作動器的公稱直徑為46mm,在活塞桿的帶動下，平動套做往復的直線運動，旋轉套做擺動運動，根據(jù)圖4-1-2所示，旋轉套最大擺動角度為120度。圖4-2-1直旋作動器截面圖計算旋轉套轉動的角度公式:公式中：d。代表直旋作動器公稱直徑；代表旋轉套的擺動角度；1是平動套的直線移動距離；因此直旋作動器的螺旋角計算公式為:也就是，直旋作動器的螺旋角等于:為了便于加工螺旋角，取直旋作動器的螺旋角為40度。4.3流道口水擊數(shù)值模擬雖然水力振蕩器的振動短節(jié)與水擊振蕩元件短節(jié)可以形成共振，但是因為阻尼作用的存在，因此振動短節(jié)的振動幅度不可能無限的大，鉆井液的流體阻尼是振動短節(jié)中阻尼的主要來源。為了保證水力振蕩器在工作時能夠有足夠的振動幅值，所以我們需要研究直旋作動器流道口孔徑大小對于水擊激振力的影響，從而選擇一個合適的流道口孔徑。本次我們使用數(shù)值模擬的方法，在水力振動器的工作流量下，研究不同的流道口半徑R對于水力振蕩器激振力大小的影響。使用液態(tài)水作為鉆井液介質、流量1.5L/S,流道口半徑R分別取2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm,流道口圓心距離旋轉套中心距離L的值7mm,對流道口流場進行數(shù)值模擬，因為模擬需要我們對直旋作動器流域進行適當?shù)暮喕?，簡化后的模型見圖4-3。圖4-3直旋作動器流域簡化模型隨后將畫好網(wǎng)格的模型導入solidworksflowsimulation中模擬。我們把不同孔徑的流道口全部模擬后得到了直旋作動器流道口半徑與水擊壓力變化之間的關系，見下圖，由此可見水擊壓力隨著流道口半徑的減小而增大，這是因為流道口半徑減小，通過流道口的鉆井液速度會加快，所以發(fā)生水擊時壓力會變大。參