液壓震擊器阻尼機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

□ 范春英 □ 李興杰 □ 周家齊

北京石油機(jī)械廠 北京 100083

液壓震擊器是一種先進(jìn)的打撈震擊工具，其應(yīng)用液壓原理，采用了先進(jìn)的工藝技術(shù)并集中了各類打撈震擊工具的優(yōu)點(diǎn)。它結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，使用方便，適用于鉆井作業(yè)中沉砂、泥包等需要向上震擊的卡鉆事故的處理，以及中途測(cè)試、解封、取芯等特殊作業(yè)，是石油、地質(zhì)勘探鉆井工程中新型的向上震擊工具［1］。

市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，個(gè)別液壓震擊器下井一次后阻尼機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重，涂層嚴(yán)重脫落，導(dǎo)致無法使用。

產(chǎn)品質(zhì)量是一個(gè)企業(yè)的生命，為有效提高液壓震擊器的產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，筆者詳細(xì)分析了產(chǎn)品的失效原因，并提出了優(yōu)化方案。優(yōu)化后的液壓震擊器試驗(yàn)臺(tái)架有效工作周期超過400次，且拆檢后發(fā)現(xiàn)，零部件除正常磨損外，無其它異常，現(xiàn)場(chǎng)使用后，客戶反映使用狀況良好。

1 失效原因分析

液壓震擊器采用液壓油泄漏阻尼原理，通過液壓油在不同壓力下經(jīng)過一定間隙的泄漏時(shí)間不同，提供蓄積震擊的能量不同，來調(diào)整震擊力的大小。液壓阻尼機(jī)構(gòu)是液壓震擊器的重要組成部分，其質(zhì)量好壞直接決定了液壓震擊器的工作周期。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，失效的液壓震擊器阻尼機(jī)構(gòu)均磨損嚴(yán)重，涂層嚴(yán)重脫落，導(dǎo)致無法使用，如圖1、圖2所示。

圖1 涂層脫落

圖2 涂層磨損

經(jīng)分析，阻尼零件涂層脫落或磨損與其表面處理工藝有關(guān)。

1.1 工藝分析

阻尼零件的表面處理工藝為熱噴涂，熱噴涂是利用由燃料氣或電弧等提供的熱量，經(jīng)噴槍，將絲（棒）狀或粉末狀噴涂材料加熱到熔化或軟化狀態(tài)，并通過高速氣流，使其進(jìn)一步霧化、加速，然后噴射到工件表面而形成涂層的方 法［2］。

1.1.1 熱噴涂工藝流程

熱噴涂的一般工藝流程主要包括3個(gè)基本工序：工件預(yù)處理，噴涂，涂層后處理。

（1）工件預(yù)處理。為了使涂層與基體材料很好地結(jié)合以及滿足噴涂工藝的需求，基材表面必須進(jìn)行預(yù)處理，包括表面預(yù)加工、凈化、粗糙化和黏結(jié)底層等幾步操作。除此外，工件預(yù)處理還包括預(yù)熱，其目的是為了消除工件表面的水分，提高噴涂時(shí)涂層/基體界的溫度，減少基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的殘余應(yīng)力，以避免由此導(dǎo)致的涂層開裂和改善涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。預(yù)熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì)以及基材和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素，一般控制在60～120℃范圍。

表面預(yù)處理是熱噴涂作業(yè)中非常重要的工序，涂層的結(jié)合質(zhì)量直接與基體表面的清潔度和粗糙度有關(guān)，并且其表面清潔度應(yīng)一直保存到噴涂完成為止，以保證涂層與基材的粘接。

（2）噴涂。這是整個(gè)熱噴涂工藝的主體和關(guān)鍵工序，其它的工序都是為保證此步而進(jìn)行的。噴涂的操作主要是選擇噴涂方法和確定噴涂參數(shù)。

（3）涂層后處理。有些涂層在噴涂后不能直接使用，而須進(jìn)行各種后續(xù)處理。主要包括封孔處理與致密化處理，根據(jù)不同的需要采取不同的后處理工藝。對(duì)有尺寸精度要求的涂層，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工等。

1.1.2 熱噴涂涂層結(jié)合方式

熱噴涂技術(shù)中涂層與基體的結(jié)合機(jī)理主要為機(jī)械結(jié)合或“拋錨作用”，即最先形成的薄片狀顆粒與基體表面凹凸不平處產(chǎn)生機(jī)械咬合，隨后飛來的顆粒敷在先到的顆粒表面，依照次序堆疊鑲嵌，形成以機(jī)械結(jié)合為主的噴涂層。此外，噴涂過程中顆粒在撞擊到基體時(shí)釋放出大量能量，使基體表面局部達(dá)到瞬時(shí)高溫，導(dǎo)致涂層材料與基體之間發(fā)生局部擴(kuò)散和焊合，形成冶金結(jié)合。但是顆粒撞擊涂層時(shí)冷卻速度非?？?，擴(kuò)散反應(yīng)過程非常短，擴(kuò)散層厚度很淺，一般不超過0.5 μm，所以常稱其為微冶金結(jié)合。

1.2 失效原因確定

（1）熱噴涂工藝復(fù)雜且各個(gè)工序都對(duì)涂層質(zhì)量有很大影響。因此，零件工藝相對(duì)較復(fù)雜，涂層質(zhì)量較難控制，這就造成個(gè)別阻尼零件鍍層易脫落，磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致液壓震擊器失效。

（2）以機(jī)械結(jié)合為主的結(jié)合機(jī)理，決定了熱噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度較差，只相當(dāng)于其母材材料的5%～10%，最高也只能達(dá)到 70 MPa［2］。

以上兩點(diǎn)造成了個(gè)別阻尼零件鍍層易脫落，磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致液壓震擊器失效。

2 優(yōu)化方案

針對(duì)上述問題，從結(jié)構(gòu)和工藝兩方面對(duì)阻尼零件進(jìn)行了優(yōu)化［3］，制訂了3個(gè)優(yōu)化方案。

2.1 方案1：改變阻尼零件基體材料

原阻尼零件材料為合金鋼，與之配合的零件亦為合金鋼，因此需對(duì)阻尼零件進(jìn)行表面處理，使其硬度減小而耐磨性增強(qiáng)。

改進(jìn)方案1是改變阻尼零件的材料：有配合的部位為硬度較低但耐磨的金屬，其余部位仍為合金鋼，兩者壓合為一體，并在其上增加儲(chǔ)油槽，起潤(rùn)滑作用。

2.2 方案2：改變阻尼零件基體材料

方案2的阻尼零件配合部位為橡膠，通過特殊工藝與基體結(jié)合。

2.3 方案3：改變阻尼零件表面處理方式

阻尼零件表面處理方式改為激光表面處理技術(shù)。激光表面處理技術(shù)融合了現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的高新技術(shù)，包括激光表面改性技術(shù)、激光表面修復(fù)技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光產(chǎn)品化技術(shù)等，能使低等級(jí)材料實(shí)現(xiàn)高性能表層改性，達(dá)到零件低成本與工作表面高性能的最佳組合［2］，其特點(diǎn)如下。

（1）在零件表面形成細(xì)小均勻、層深可控、含有多種介穩(wěn)相和金屬間化合物的高質(zhì)量表面強(qiáng)化層，大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性和抗疲勞的能力以及制備特殊的功能表層。

（2）強(qiáng)化層與零件本體形成最佳冶金結(jié)合，解決許多傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)難以解決的技術(shù)關(guān)鍵。

（3）依靠零件本體熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)急冷，無需冷卻介質(zhì)，而實(shí)現(xiàn)相變硬化和熔凝硬化。

（4）與各種傳統(tǒng)熱處理技術(shù)相比，具有最小的變形，可以用處理工藝來控制變形量。

（5）可進(jìn)行靈活的局部強(qiáng)化，根據(jù)需要，可處理零件的特定部位以及其它方法難以處理的部位。

（6）一般無需真空條件，即使在進(jìn)行特殊的合金化處理時(shí)，也只需吹保護(hù)性氣體即可有效防止氧化及元素?zé)龘p。

（7）配有計(jì)算機(jī)控制的多維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的現(xiàn)代大功率激光器，特別適用于生產(chǎn)率很高的機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)。

（8）生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，成本低，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化方案確定后，以外徑178 mm規(guī)格的液壓震擊器為樣機(jī)，對(duì)3個(gè)方案分別進(jìn)行了功能性試驗(yàn)與壽命試驗(yàn)［4］，以驗(yàn)證各個(gè)方案的可行性及實(shí)施效果。

3.1 功能性試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康募耙?/p>

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

試驗(yàn)要求：液壓阻尼機(jī)構(gòu)主要性能指標(biāo)須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.2 試驗(yàn)步驟及內(nèi)容

（1）試驗(yàn)順序：方案2→方案1→方案3。

（2）將試驗(yàn)樣機(jī)放置于試驗(yàn)臺(tái)架上，進(jìn)行跑合。

（3）性能試驗(yàn)：初拉力試驗(yàn)、標(biāo)定釋放力試驗(yàn)及最大釋放力試驗(yàn)。施加推力將試驗(yàn)樣機(jī)完全閉合，調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置拉力Ts(即設(shè)定值)分別為70 kN、550 kN和800 kN，換向閥搬至拉的位置，將其完全拉開，同時(shí)記錄釋放時(shí)間、釋放距離、總行程及復(fù)位力等。重復(fù)2～3次。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）方案2：初拉力試驗(yàn)釋放時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到17.83 min（行標(biāo) 4～8 min［1］），且當(dāng)最大釋放力試驗(yàn)進(jìn)行到第二次時(shí)，無明顯液壓阻尼過程（即沒有憋壓儲(chǔ)能過程），現(xiàn)場(chǎng)判斷阻尼機(jī)構(gòu)過盈配合失效，隨即拆檢發(fā)現(xiàn)橡膠部分開裂。

（2）方案1：初拉力試驗(yàn)釋放時(shí)間較長(zhǎng)12.70 min（行標(biāo) 4～8 min［1］），標(biāo)定釋放力試驗(yàn)釋放時(shí)間 41 s（行標(biāo)20～40 s），超過標(biāo)準(zhǔn)范圍上限少許，功能試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定。經(jīng)分析可能是由于阻尼零件端面過流槽尺寸問題或者油液中有污物影響釋放時(shí)間。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)油液中有極少量銅屑，并對(duì)阻尼零件過盈部位外圓尺寸進(jìn)行測(cè)量，有微量磨損，屬正?，F(xiàn)象。

（3）方案3：經(jīng)整機(jī)跑合后試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求［1］。在初拉力試驗(yàn)中，第一次釋放時(shí)間較長(zhǎng)，后經(jīng)過跑合后趨于正常，經(jīng)初步分析原因在于，第一次試驗(yàn)油溫過低，黏稠度高，過流速度慢，時(shí)間長(zhǎng)；還有就是裝配后過流槽內(nèi)有污物，影響過流速度。

由上述分析可知，液壓震擊器液壓阻尼機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案1和方案3的性能基本達(dá)到預(yù)期目的，下一步將分別對(duì)其進(jìn)行壽命試驗(yàn)，以確定其具體的有效工作周期［1］，驗(yàn)證其穩(wěn)定性。

3.2 壽命試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

壽命試驗(yàn)主要是釋放力不低于產(chǎn)品最大釋放力的50%時(shí)，液壓震擊器震擊次數(shù)大于有效工作周期（行標(biāo)200 次［1］），記錄其實(shí)際釋放力、釋放時(shí)間，然后拆檢觀察零部件的損壞程度。此次試驗(yàn)設(shè)定釋放力為550 kN，釋放次數(shù)為400次。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）方案1：400次試驗(yàn)結(jié)果顯示：最大釋放力為534 kN，最小釋放力529 kN；釋放時(shí)間最長(zhǎng)41 s，最短37 s（行標(biāo)20～40 s）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，有較小波動(dòng)，分析原因是由于試驗(yàn)臺(tái)本身系統(tǒng)備壓隨溫度變化造成的，屬正常。

（2）方案3：400次試驗(yàn)結(jié)果顯示：最大釋放力為532 kN，最小釋放力526 kN;釋放時(shí)間最長(zhǎng)37.6 s，最短25 s（行標(biāo)20～40 s）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，有較小波動(dòng)，分析原因是由于試驗(yàn)臺(tái)本身系統(tǒng)備壓隨溫度變化造成的，屬正常。

3.2.3 試驗(yàn)樣機(jī)拆檢

樣機(jī)經(jīng)廠內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)后，進(jìn)行了拆檢，主要是了解試驗(yàn)后主要零部件的磨損情況，以確定優(yōu)化方案的可靠性。拆檢情況如下：

（1）方案1：阻尼零件：配合部位表面光亮，外徑較原始值減少約0.01～0.03mm，屬正常磨損，其它零部件除正常磨損外，其余無異常；

（2）方案3：阻尼零件：表面處理部位尺寸基本無變化，有軸向劃傷，較嚴(yán)重。其它零部件除正常磨損外，其余無異常；

試驗(yàn)結(jié)果表明，方案1與方案3設(shè)計(jì)合理，制造控制嚴(yán)格，性能可靠，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，有效工作周期遠(yuǎn)超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)震擊次數(shù)的要求。

綜合分析，并結(jié)合成本預(yù)算，選用方案1為最終優(yōu)化方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后產(chǎn)品壽命的穩(wěn)定性，特對(duì)5套采用方案1作為阻尼機(jī)構(gòu)的液壓震擊器進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果顯示，均達(dá)到優(yōu)化樣機(jī)性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

改進(jìn)后的液壓震擊器陸續(xù)發(fā)往多家客戶使用，總計(jì)30余套，另有3批配件發(fā)給客戶，客戶反映使用狀況良好。

5 結(jié)論

（1）原阻尼零件表面處理工藝為熱噴涂，由于其工藝復(fù)雜、涂層結(jié)合強(qiáng)度低導(dǎo)致個(gè)別阻尼零件涂層脫落或磨損嚴(yán)重，使液壓震擊器失效。

（2）針對(duì)阻尼零件失效原因，設(shè)計(jì)了3個(gè)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了功能化及壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：方案2無法達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，方案1與方案3設(shè)計(jì)合理，其性能可靠，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的。優(yōu)化后的阻尼零件式液壓震擊器臺(tái)架試驗(yàn)達(dá)到400次 （行標(biāo)200次），樣機(jī)拆檢后除正常磨損外，基本無異常。

（3）產(chǎn)品發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)使用后，客戶反映使用狀況良好，證明此次改進(jìn)成功的提高了產(chǎn)品整機(jī)使用壽命，增強(qiáng)產(chǎn)品了在各種鉆井工況下的可靠性。

［1］ SY/T5496-2010震擊器及加速器［S］.

［2］ 胡傳炘.表面處理技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［3］ 田明，鄔衛(wèi)紅.高壓超深井液壓震擊器的改進(jìn)及應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2008，36（8）：81-83.

［4］ 劉長(zhǎng)艷.液壓上擊器臺(tái)架試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)探討［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（7）：56-59.