過(guò)盈配合量對(duì)液壓震擊器阻尼閥性能的影響

高巧娟，陳慧慧，郭 晨

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機(jī)械廠，北京 102206)

過(guò)盈配合量對(duì)液壓震擊器阻尼閥性能的影響

高巧娟，陳慧慧，郭 晨

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機(jī)械廠，北京 102206)

阻尼閥是液壓震擊器成功解卡的關(guān)鍵部件。介紹了阻尼閥的結(jié)構(gòu)原理及閥體與芯軸的配合結(jié)構(gòu)。針對(duì)閥體與芯軸配合面的過(guò)盈量，對(duì)阻尼閥的工作特性進(jìn)行分析，推導(dǎo)出阻尼閥在正常工作時(shí)閥體與芯軸合理過(guò)盈配合的接觸應(yīng)力算法。對(duì)?178mm規(guī)格液壓震擊器阻尼閥中閥體與芯軸過(guò)盈配合面接觸應(yīng)力進(jìn)行了理論計(jì)算，利用ANSYS對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明：當(dāng)閥體與芯軸配合面過(guò)盈量在0.04～0.05mm時(shí)，過(guò)盈處形成潤(rùn)滑油膜，阻尼閥產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，使震擊器的震擊作用延時(shí)，延時(shí)時(shí)間保持在40～50s，有效地防止了震擊器誤震；同時(shí)避免了因過(guò)盈量偏大而引起的阻尼閥早期過(guò)度磨損，導(dǎo)致震擊器失效。理論分析與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

阻尼閥；過(guò)盈量；接觸應(yīng)力；磨損

卡鉆是指鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)和上提下放活動(dòng)受阻[1]。震擊器常被用來(lái)作為鉆頭卡鉆時(shí)的解卡工具。液壓式震擊器具有性能穩(wěn)定、啟動(dòng)靈活、沖擊力大的特點(diǎn)，受到鉆井工程師青睞。資料顯示，國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的使用量較大，例如國(guó)民油井、威德福等大型井下工具供貨商的成熟產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在美國(guó)本土及北美地區(qū)的油氣鉆探作業(yè)中。據(jù)用戶(hù)反饋及相關(guān)資料了解，該產(chǎn)品技術(shù)基本成熟，但在結(jié)構(gòu)、維修性等方面尚有待改進(jìn)[2]。阻尼閥防止液壓震擊器的誤震，同時(shí)增加了震擊器的沖擊力，是液壓震擊器核心部件。阻尼閥中閥體與芯軸配合面在震擊器工作過(guò)程中受周期性交替變載荷的影響，若配合面過(guò)盈量大，會(huì)造成配合面的磨損，磨損后的磨屑堵塞阻尼閥泄流孔，導(dǎo)致震擊器失效。若配合面過(guò)盈量小，在隨鉆過(guò)程中時(shí)常產(chǎn)生誤震。

為滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間鉆井工作的需要，液壓式震擊器出廠前均需要經(jīng)過(guò)多次臺(tái)架試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)震擊器重新拆卸，將阻尼閥的閥體與芯軸配合面多次修正。為節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，提高工作精度和可靠性，有必要研究液壓震擊器中阻尼閥的工作特性，將理論推導(dǎo)結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工作中。

1 阻尼閥工作原理

阻尼閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括芯軸、閥體、活塞等零件，以及阻尼閥與外部筒體形成的液壓腔。

1—芯軸；2—低壓腔；3—閥體；4—泄流孔；5—過(guò)盈配合面；6—高壓腔；7—活塞。圖1 阻尼閥結(jié)構(gòu)示意

工作時(shí)，液壓腔被過(guò)盈配合面分為高壓腔和低壓腔。芯軸中部大徑處帶有涂層，便于與閥體里孔過(guò)盈配合形成密封面，將高壓腔與低壓腔隔離，從而在閥體兩端形成壓差，通過(guò)閥體上的泄流孔泄壓排流。當(dāng)活塞隨著芯軸向左移動(dòng)，高壓腔體積減小，壓力增加，震擊器儲(chǔ)存能量。當(dāng)芯軸涂層配合面完全通過(guò)閥體后，高壓腔泄壓。阻尼閥的閥芯通過(guò)閥體內(nèi)部由過(guò)盈配合到間隙配合，液壓油通過(guò)泄流孔泄壓，高壓腔從增壓到泄壓，此過(guò)程液壓緩慢變化為阻尼效應(yīng)，所經(jīng)歷的時(shí)間為震擊器延時(shí)震擊的時(shí)間。

鉆井中，當(dāng)需要震擊時(shí)，上提鉆柱，使芯軸帶著活塞向上移動(dòng)，直到芯軸涂層面與閥體處于過(guò)盈配合時(shí)，高壓腔內(nèi)液壓油隨著活塞的移動(dòng)，壓力增高，液壓油通過(guò)泄流孔泄壓。在鉆柱上提力逐漸加大，由于芯軸過(guò)盈配合面受到閥體的制約，芯軸緩慢移動(dòng)，此時(shí)，震擊器以上的鉆柱受拉伸而產(chǎn)生拉伸彈性變形。當(dāng)芯軸涂層配合面完全通過(guò)閥體，高壓腔與低壓腔連通，高壓腔泄壓，芯軸得到釋放，在鉆柱彈性變形能的作用下高速向上運(yùn)動(dòng)，震擊器釋放能量，產(chǎn)生強(qiáng)大震擊。

從結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出：

1) 震源是由閥體與芯軸配合形成的環(huán)形液壓油密封腔。環(huán)形液壓油密封腔一方面是為了保證潤(rùn)滑、減少磨損；另一方面能夠形成高壓工作油腔，產(chǎn)生延時(shí)震擊效果，最終加速?zèng)_擊震動(dòng)。

2) 該結(jié)構(gòu)不僅有過(guò)盈配合，同時(shí)存在間隙配合。由于泄流孔的作用，被密封的液壓油的壓力是脈動(dòng)變化的，因此阻尼閥的質(zhì)量和壽命很難保證。

3) 液壓震擊器一次下井可多次重復(fù)震擊，隨著震擊次數(shù)的增加，阻尼閥失效機(jī)率越大。因此，合理地設(shè)計(jì)阻尼閥中閥體與芯軸配合面，是保證阻尼閥使用性能關(guān)鍵所在。

2 建模分析

阻尼閥建模如圖2所示。工作時(shí)，芯軸涂層處與閥體里孔之間形成過(guò)盈配合，形成密封面，當(dāng)向左拉力F大于閥體與芯軸過(guò)盈配合間摩擦力時(shí)，芯軸隨拉力緩慢移動(dòng)，在阻尼閥右端環(huán)空形成高壓腔，高壓流體通過(guò)泄流孔泄壓；當(dāng)芯軸過(guò)盈面處卸荷點(diǎn)(即芯軸涂層配合面末端)通過(guò)閥體時(shí)，高壓腔瞬間泄壓，阻尼效應(yīng)消失，從而使芯軸釋放產(chǎn)生震擊。

當(dāng)泄流孔直徑一定時(shí)，閥體與芯軸配合量決定了阻尼效果與延時(shí)震擊效果。

1—芯軸；2—密封面；3—閥體；4—卸荷點(diǎn)；5—活塞；6—泄流孔。圖2 阻尼閥力學(xué)模型

2.1 單位時(shí)間泄流量分析

對(duì)于高壓流體，通過(guò)不同間隙的臨界流量是相同的。只有在間隙很小時(shí)，以油為流體介質(zhì)，油的黏度大，間隙值較小。在工程流體力學(xué)中，油在壓差作用下的流動(dòng)按定常流動(dòng)的層流規(guī)律進(jìn)行分析[3]。液壓油流經(jīng)泄流孔時(shí)，由于黏性而流動(dòng)不暢，流速低，按照層流狀態(tài)分析。泄流孔作細(xì)長(zhǎng)孔進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，細(xì)長(zhǎng)孔流量與壓差成正比，與小孔截面平方成反比，與黏度、孔長(zhǎng)度成反比，通過(guò)泄流孔中的壓差流量為[4]

(1)

其中，阻尼閥兩端壓差為

(2)

式中：q為流量，m3/s；S為小孔截面積，m2；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；l為小孔長(zhǎng)度，m；Δp為阻尼閥兩端壓差，Pa；F為軸向拉力，kN；f為軸向摩擦阻力，kN；A為閥體截面積，m2。

2.2 高壓腔內(nèi)流量分析

當(dāng)震擊器芯軸隨著拉力緩慢移動(dòng)，高壓腔體積減小，壓力增加，高壓液體通過(guò)泄流孔緩慢流入閥體另一端低壓腔；當(dāng)芯軸卸荷點(diǎn)通過(guò)閥體，高壓腔內(nèi)泄壓，阻尼作用消失。高壓腔增壓時(shí)間t1到泄壓時(shí)間t2時(shí)間段，通過(guò)泄流孔排出的液壓油流量為

(3)

式中：L為芯軸軸向位移，m。

由式(3)可得：

(4)

合并式(1)與式(4)，得：

(5)

2.3 接觸應(yīng)力分析

閥體的內(nèi)孔與芯軸外圓過(guò)盈配合，從而在配合面上形成擠壓力，在軸向產(chǎn)生摩擦阻力，摩擦阻力為

(6)

根據(jù)力學(xué)分析，摩擦力計(jì)算式[5]為

(7)

式中：fs為接觸面摩擦因數(shù)，取0.1～0.15；d為過(guò)盈配合接觸面直徑(即芯軸外圓直徑)，m；ls為過(guò)盈接觸面長(zhǎng)度，m；σf為接觸面應(yīng)力，MPa。

接觸面產(chǎn)生的應(yīng)力為

(8)

即：

(9)

3 實(shí)例計(jì)算

以?178mm規(guī)格液壓震擊器為例，若震擊延時(shí)時(shí)間為45s，芯軸軸向拉力為800kN，閥體端面截面積為6.64×10-3m2，芯軸與閥體配合面直徑為0.098m，芯軸涂層配合面長(zhǎng)度為 0.15m；液壓腔注入40號(hào)液壓油，動(dòng)力黏度為0.028 8Pa·s；泄流孔長(zhǎng)度為0.022m，截面積為0.055 7m2；接觸面摩擦因數(shù)取0.13；芯軸與閥體里孔過(guò)盈配合處直徑為0.098m，閥體與芯軸過(guò)盈配合長(zhǎng)度為0.027m。計(jì)算得到過(guò)盈配合處接觸應(yīng)力為73.2MPa。

對(duì)實(shí)例中?178mm液壓震擊器的阻尼閥進(jìn)行分析。阻尼閥工作時(shí)，芯軸受到閥體制約，移動(dòng)緩慢，假設(shè)芯軸與閥體相對(duì)靜止。按照實(shí)例參數(shù)建立有限元模型，進(jìn)行靜態(tài)接觸分析[6-8]。通過(guò)改變芯軸外徑，建立閥體與芯軸不同配合實(shí)物模型，過(guò)盈量取0.03、0.04、0.06、0.08mm4種模型，模型按實(shí)際過(guò)盈量重合，導(dǎo)入ANSYS靜態(tài)應(yīng)力分析模塊，應(yīng)力分析結(jié)果如圖3中所示；應(yīng)力值如表1。

a 過(guò)盈量0.03 mm

b 過(guò)盈量0.04 mm

c 過(guò)盈量0.06 mm

d 過(guò)盈量0.08 mm

過(guò)盈量/mm0.030.040.060.08最大接觸應(yīng)力/MPa55.6872.68111.68281.46

閥體與芯軸過(guò)盈配合狀態(tài)下過(guò)盈配合面接觸應(yīng)力與過(guò)盈量關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 過(guò)盈配合面接觸應(yīng)力曲線分布

由圖4可知，當(dāng)過(guò)盈量越大，壓應(yīng)力越大。根據(jù)實(shí)例計(jì)算，當(dāng)震擊器延時(shí)時(shí)間為45s時(shí)，接觸應(yīng)力為73.2MPa，在應(yīng)力曲線中對(duì)應(yīng)過(guò)盈量位于0.04mm與0.05mm之間(三角形表示位置)，此時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)過(guò)盈量為0.06mm時(shí)，配合面接觸應(yīng)力達(dá)到111.68MPa，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算接觸應(yīng)力73.2MPa，此時(shí)摩擦阻力較大。隨著震擊次數(shù)的增加，阻尼閥磨損越大。當(dāng)過(guò)盈量為0.03mm時(shí)，過(guò)盈接觸面應(yīng)力為55.68MPa，比理論計(jì)算值小，產(chǎn)生的摩擦阻力小，密封面易泄露，芯軸移動(dòng)速度快，此時(shí)產(chǎn)生的阻尼時(shí)間短，達(dá)不到震擊延時(shí)效果，反而使震擊器在鉆井過(guò)程中易產(chǎn)生誤震。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2013-10，在一套?178mm液壓震擊器設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，根據(jù)計(jì)算分析的阻尼閥中閥體與芯軸配合過(guò)盈量，按0.05mm過(guò)盈量進(jìn)行配做加工，規(guī)范裝配后，按照出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，完全合格，無(wú)需反復(fù)拆卸、修正。該震擊器于2014-03發(fā)往委內(nèi)瑞拉現(xiàn)場(chǎng)使用，在使用過(guò)程中震擊器液壓延遲作用時(shí)間穩(wěn)定、使用過(guò)程中多次震擊解卡，取得滿(mǎn)意的效果。

5 結(jié)論

1) 結(jié)合理論計(jì)算與有限元分析，確定阻尼閥閥體與芯軸配合的合理過(guò)盈量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，產(chǎn)品性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

2) 對(duì)于?178mm液壓震擊器，阻尼閥中閥體與芯軸的過(guò)盈配合面，過(guò)盈量控制在0.04～0.05mm，延時(shí)時(shí)間40～50s，避免了阻尼閥早期過(guò)度磨損而導(dǎo)致的震擊器失效，同時(shí)有效地防止了誤震，達(dá)到延時(shí)震擊效果。

3) 理論計(jì)算與軟件分析結(jié)合的研究方法，減少了震擊器的試驗(yàn)費(fèi)用與試驗(yàn)時(shí)間，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。該研究方法對(duì)于確定同類(lèi)模型配合的過(guò)盈量和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量具有參考意義。

4) 建議類(lèi)似于阻尼閥中閥體與芯軸過(guò)盈配合的部件，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求，結(jié)合ANSYS進(jìn)行分析，精確配合公差。

[1] 高巧娟，李興杰，張健，等.打撈震擊器力學(xué)分析 [J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(6)：34-37.

[2] 蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)題[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：26-148.

[3] 周梓榮，李夕兵，劉迎春.環(huán)形縫隙中壓力水的流動(dòng)規(guī)律研究與試驗(yàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，16(11)：1009-1012..

[4] 董曾南.水力學(xué)(上)[M].北京：高等教育出版社，1995：338-342.

[5] 顧曉勤.工程力學(xué)：靜力學(xué)與材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：95-105.

[6] 王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999：52-60.

[7] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1987：309.

[8] 張棣，董祥偉，李增亮，等.射流泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(11)3-9.

Influence of Interference Fit Amount on Performance ofDamping Valve in the Hydraulic Jar

GAO Qiaojuan，CHEN Huihui，GUO Chen

(Beijing Petroleum Machinery Factory，Drilling Research Institute，Beijing 102206，China)

Damping valve is the key to the hydraulic jar.The damping valve structure principle is introduced.To keep the jar good performance，the damping valve must be reasonable matched with the spindle.The interference quantity and fit between the body and the spindle are analyzed，and algorithm is deduced.The working characteristics of damping valve is analyzed.Take ?178mm hydraulic jar for example，interference fitted contact stress between the body and the spindle is theoretical calculation.The theoretical calculation results are analyzed by ANSYS，and are verified by field application.As the results show，when the fitting interference quantity is controlled between 0.04 mm to 0.05 mm，the damping mechanism works and the jar action is delayed for 40 s or 50 s，the jar mistakenly vibration is effectively prevented.Excessive wear of damping valve is avoided.The theoretical analysis are consistent with the experiment results，and successfully improve the quality of the product.The optimization design method of interference fit model is significant.

damping valve；interference quantity；contact stress；excessive wear

1001-3482(2017)04-0020-04

2017-01-05

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“煤層氣水平井、多分支水平井鉆井技術(shù)”(2011ZX05036-002)

高巧娟(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事井下工具的研發(fā)工作。

TE

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.006