新型反作用液動沖擊器的設(shè)計及碰撞性能分析

何臻，馮進，張慢來，黃新宇，陳維 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

目前，在油田的井下勘探過程中，主要以深井、超深井鉆井為主，傳統(tǒng)鉆井工具沖擊功小，沖擊頻率低，鉆進效率已無法滿足現(xiàn)代鉆井要求[1]。液動回轉(zhuǎn)鉆具作為目前市場主流鉆進技術(shù)所用的鉆具，它具有沖擊功大、易損件少且便于更換、鉆井效率高、使用壽命長等特點，被廣泛運用于復雜地層鉆井領(lǐng)域[2]。吳冬宇[3]探討了沖錘結(jié)構(gòu)參數(shù)與沖錘末速度的關(guān)系，并采用Fluent、Ansys數(shù)值模擬分析了沖錘徑向擺動對沖擊能量效率的影響，并首次提出了環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流噴嘴的運用；葉曉平等[4]針對具體雙作用液動沖擊器結(jié)構(gòu)，采用Matlab數(shù)值模擬計算，討論了不同節(jié)流口徑、活閥行程以及沖錘質(zhì)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)對沖擊器輸出性能的影響，并對相應結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；李瑋等[5]設(shè)計了一款新型軸向輔助破巖工具，并根據(jù)具體設(shè)計結(jié)構(gòu)采用Solidwork/Simulation插件分析了關(guān)鍵部件的應力和應變分布情況，結(jié)合材料結(jié)構(gòu)強度對關(guān)鍵件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。近年來，相關(guān)科研人員采用沖擊鉆進和旋轉(zhuǎn)鉆進結(jié)合技術(shù)，大大提高了井下鉆進效率[6,7]。筆者研制了一款新型的反作用液動沖擊器，利用高壓鉆井液推動沖擊器沖錘高頻沖擊砧座，并由砧座下端的鉆頭將沖擊碰撞能量傳遞到井底巖石，結(jié)合地面鉆井平臺提供的回轉(zhuǎn)力矩和鉆壓，沖擊器軸向高頻沖擊、周向回轉(zhuǎn)切削破碎巖石，大大提高了硬質(zhì)地層鉆井速度。沖擊器在鉆進過程中，如果沖錘在沖擊過程中沖擊頻率、沖擊末速度太小，井底巖石所受到的沖擊能量過小，則無法達到?jīng)_擊破巖效果；反之沖錘沖擊頻率、沖擊末速度過高，則會使地底巖石重復破碎，巖石無法上返，影響沖擊器的井下鉆進過程[8,9]，故需要合理地控制沖錘沖擊末速度，得到最佳的破巖效果。因此，筆者還建立了沖擊器運動組件的沖擊碰撞模型，用多體動力學[10]和顯示動力學[11]理論，并結(jié)合ADAMS、Ansys仿真軟件，分析了沖錘沖擊砧座全過程，以得到合理的沖擊末速度范圍。

1 反作用液動沖擊器設(shè)計

1.1 沖擊器結(jié)構(gòu)與工作原理

該沖擊器主要由上接頭、沖擊組件、分流機構(gòu)、殼體、彈簧、花鍵套以及鉆頭等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理如下：高壓鉆井液通過上接頭下端分流裝置進入到?jīng)_擊器內(nèi)腔，在節(jié)流孔的作用下造成閥錘系統(tǒng)上下端面的壓差，此時在鉆井液壓力的推動下帶動沖錘向上運動并壓縮沖錘與活閥彈簧蓄能，閥錘系統(tǒng)在運動到一定位置時由于限位套筒沖錘停止向上運動，同時沖錘與活閥接觸端面打開，活閥保持慣性繼續(xù)上行壓縮彈簧直至減速為零，沖錘則在彈簧反作用力與自身重力下加速下行沖擊砧座，鉆井液則通過閥錘系統(tǒng)的中心通孔流進低壓區(qū)；另一方面活閥在上行結(jié)束時由于活閥彈簧與自身重力下行復位，直至活閥與沖錘端面接觸則完成一個周期內(nèi)的上下運動。沖擊器在閥錘系統(tǒng)與彈簧和限位套筒的配合下實現(xiàn)了沖擊器內(nèi)部的軸向往復運動。

1.2 沖擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

1)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易損件少且便于安裝。

2)彈簧設(shè)計。沖擊器上行運動過程中，彈簧蓄能，為沖錘下行沖擊提供較大的沖擊功并實現(xiàn)沖錘與活閥的復位。

3)扶正套筒設(shè)計。高壓鉆井液流進沖擊器內(nèi)部，推動閥錘系統(tǒng)運動，由于活閥桿存在一定的長度，運動過程中在扶正套筒的作用下保持對中。

4)沖錘限位套筒設(shè)計。限制了沖錘上行，并在彈簧的作用下實現(xiàn)沖錘下行沖擊。

5)分流機構(gòu)設(shè)計。采用分流的方法，防止高壓鉆井液對沖擊器內(nèi)部元件的沖蝕。

2 沖擊器沖錘運動分析

沖錘下行沖擊過程中主要由沖錘彈簧釋放彈性勢能推動沖錘下行沖擊，由于沖擊器沖錘在鉆進過程中，其運動和受力情況非常復雜，故不考慮運動部件之間的摩擦和阻力作用，以便簡化模型分析；其中沖錘主要受到彈簧力、自身重力和鉆井液浮力以及阻力作用，沖錘受力簡圖如圖2所示。

沖錘的運動加速度為：

(1)

沖錘的運動末速度為：

(2)

沖錘的運動位移為：

(3)

式中：a為沖錘的加速度，m/s2；v為任一微小時間段沖錘沖擊末速度，m/s；v0為任一微小時間段沖錘初速度，m/s；x0為任一微小時間段沖錘運動的初始位移，mm；m為沖錘的設(shè)計質(zhì)量，kg；Δt為微小時間間隔,s；g為重力加速度(取向下為正)，m/s2；x為沖錘下行沖擊位移(根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計位移量為200mm)，mm；s0為沖錘彈簧預壓量,N/mm；ρ為沖錘密度(取值7800)，kg /m3；ρl為鉆井液密度(取值1200)，kg/m3；k為彈簧剛度，N/mm；S為沖錘下行所受液壓阻力有效端面面積總和，m2。

計算彈簧M80在不同彈簧剛度下沖錘末速度、沖擊頻率大小。彈簧作為沖錘的主要動力來源，其剛度對沖錘末速度影響較大。由表1可以看出，在沖擊器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定情況下，所選取彈簧剛度越大，沖錘下行沖擊末速度越大，沖錘運動時間就越短，沖擊運動頻率也越高?？紤]到?jīng)_擊器內(nèi)部元件結(jié)構(gòu)強度，沖擊器沖擊末速度不能無限制增大，因此，針對運動沖擊組件所選材料的結(jié)構(gòu)強度，進行仿真分析以得到合適的沖擊末速度范圍。

表1 不同彈簧剛度下沖擊器運動參數(shù)

3 運動沖擊組件多體動力學仿真

3.1 沖擊器基本工作要求

沖擊器在深井、超深井工況鉆進時，會經(jīng)常遇到硬度較高的巖層，一般由安山巖、閃長斑巖、石英巖等組成，其最高抗壓強度可達360MPa。但是堅硬巖石往往脆性大、抗剪強度低，因此抗沖擊能力也低，破碎巖石所需沖擊功一般在500J以上[12]。所設(shè)計的反作用液動沖擊器結(jié)合地面提供的回轉(zhuǎn)力矩，在鉆頭軸向沖擊以及周向回轉(zhuǎn)切削作用下加強了鉆頭的壓碎和剪切作用，可有效提高鉆進速度。沖擊功是衡量沖擊器性能的主要參數(shù)之一，沖擊器單次沖擊功計算公式如下：

(4)

式中：W為沖錘單次沖擊功，J；vm為沖錘沖擊末速度，m/s。

根據(jù)所設(shè)計的沖擊器結(jié)構(gòu)，采用UG三維建模軟件中的測量工具，系統(tǒng)默認沖錘結(jié)構(gòu)密度為7800kg/m3，測量出沖錘質(zhì)量為36.43kg。根據(jù)上述巖石破碎最低沖擊功要求，結(jié)合沖擊器單次沖擊功計算公式得出沖錘破巖最小沖擊末速度為5.24m/s。

3.2 多體動力學仿真

沖擊器在高壓鉆井液的作用下推動沖錘軸向往復沖擊運動，經(jīng)由與砧座連接的鉆頭將沖擊能量以應力波的形式傳遞給井底巖石[13]，實現(xiàn)破巖鉆進。為防止沖錘與砧座在沖擊過程中發(fā)生損壞，選用強度較高、耐用的合金鋼材料，沖錘材料選用42CrMo，砧座材料選用20Ni4Mo，2種材料密度均為7800kg/m3，屈服強度分別為930、1220MPa。如圖3所示，沖擊組件由沖錘與砧座組成，使用ADAMS多體動力學碰撞仿真軟件，將砧座設(shè)置為固定副，沖錘設(shè)置為相對砧座的移動副，創(chuàng)建砧座與沖錘的接觸力約束，建立運動部件的沖擊碰撞模型。賦予沖錘一定初速度(沖錘末速度)使得沖錘能夠沿軸向運動沖擊砧座，并以沖錘下端面和砧座上端面為監(jiān)測面，通過ADAMS/postprocessor后處理方式監(jiān)測沖擊組件碰撞過程所產(chǎn)生的沖擊力。

ADAMS碰撞軟件擁有Impact函數(shù)和恢復系數(shù)2種接觸力計算模型。其中，Impact函數(shù)模型將沖擊組件視為彈性阻力系統(tǒng)，能夠真實地模擬出整個碰撞過程，但是所涉及的系統(tǒng)參數(shù)和計算量比較大；恢復系數(shù)模型雖然相對計算效率比較高，但只能完成碰撞的瞬時過程，無法反映碰撞過程接觸力的變化[14]。

采用了ADAMS中的Impact函數(shù)模型監(jiān)測接觸力的變化過程，沖擊組件的質(zhì)量特征按照相應材料屬性定義為幾何形狀和密度的形式，切入深度、阻尼、剛度等參數(shù)設(shè)置為默認值，沖擊碰撞過程設(shè)置為無摩擦力方式。

4 仿真結(jié)果與分析

圖4是以沖錘沖擊末速度為7m/s為例得到的砧座所受沖擊力隨沖擊時間的變化曲線。由于沖錘與砧座在碰撞前存在一定的間距，因此圖4左側(cè)曲線監(jiān)測的接觸力為0kN；由曲線變化趨勢可得，沖擊組件在受到?jīng)_擊時端面接觸力瞬間達到最大值，從而使得部件本身發(fā)生一定的彈性形變，隨后在彈性恢復力作用下，沖錘開始反彈并以一定的速度遠離砧座，接觸力開始變小最終消失為0kN。在整個沖擊碰撞過程中端面接觸時間約為12.5ms，最大沖擊力約為69.387kN。

由巖石破碎所需最小沖擊功計算得到?jīng)_錘最小末速度為5.24m/s。為進一步分析沖擊組件的碰撞特性，分別討論了在沖錘末速度為5.5～10m/s的不同情況下沖擊組件各碰撞參數(shù)的變化。表2分別監(jiān)測了沖錘碰撞接觸時間、極限沖擊力、沖擊功、沖錘反彈速度與沖擊末速度的關(guān)系，數(shù)據(jù)表明，沖錘沖擊末速度越大，沖擊組件所受極限沖擊力越大，對應的沖擊功隨之變大；沖擊碰撞接觸時間則隨著沖擊末速度的增大而變小，這是因為在沖擊碰撞接觸面保持不變的情況下，沖錘沖擊速度越大，沖擊碰撞力就越大，在沖擊組件彈性形變范圍內(nèi)，沖擊碰撞越大，材料彈性恢復越快，因此沖擊碰撞接觸時間越短。

表2 沖錘末速度為5.5～10m/s時各碰撞參數(shù)

沖錘以不同的沖擊末速度沖擊砧座，在沖擊組件彈性恢復力作用下，沖錘以一定的速度反向運動，且沖錘末速度越大，反彈速度越大。根據(jù)所設(shè)計的沖擊器結(jié)構(gòu)，沖錘以一定的速度反彈作為下一個運動過程的初速度，故需討論沖錘末速度與其反彈速度之間的關(guān)系。為得到?jīng)_錘末速度與反彈速度的函數(shù)關(guān)系式，應用Origin數(shù)據(jù)后處理軟件，對其進行回歸分析，最終得到回歸函數(shù)方程式如下：

vf=-0.64314+0.23351vm

(5)

式中：vf為沖錘反彈速度，m/s。

根據(jù)Origin數(shù)據(jù)后處理軟件回歸分析，該方程擬合方差值R2=0.998，證明沖錘沖擊末速度與反彈速度呈一定的線性關(guān)系，且擬合度高，具有一定的參考價值。

5 沖擊器沖擊碰撞性能

沖錘在工作過程中，高頻往復沖擊砧座，可能造成工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)疲勞損壞以及變形等情況，嚴重影響沖擊器的正常工作過程，甚至帶來不良的井下事故。對此，開展對沖擊組件沖擊碰撞過程中的結(jié)構(gòu)受力、強度分析，優(yōu)化運動部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為沖擊器的設(shè)計提供參考。

采用Ansys Workbench軟件中Explicit-Dynamic(顯示動力學)應用模塊對沖擊器沖擊碰撞過程進行仿真，分析沖擊組件的碰撞強度。由表2所得的沖擊碰撞接觸時間作為不同沖擊末速度對應的碰撞仿真結(jié)束時間；圖5中的沖擊組件為回轉(zhuǎn)體，軸向尺寸較大，在網(wǎng)格劃分中采用四面體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸為8mm×8mm×8mm，單元數(shù)為27×104左右，初步顯示網(wǎng)格質(zhì)量比較高。

圖6是沖錘沖擊末速度為5.5m/s時仿真得到?jīng)_錘與砧座的應力、彈性應變云圖，可以看出最大應力出現(xiàn)在沖錘右端直徑較小的直桿上，因此需對沖錘右端進行強化處理，可增大直桿徑向尺寸或縮短軸向長度，以減小沖錘應力集中問題；對回轉(zhuǎn)體表面涂用特殊材料來提高沖錘結(jié)構(gòu)強度。

表3 不同沖擊速度下沖錘、砧座所受最大應力

沖錘與砧座在碰撞的過程中，沖擊組件本身材料和結(jié)構(gòu)強度都有一定的極限值，當沖錘沖擊末速度較大時，沖錘與砧座碰撞造成的沖擊力會對沖擊組件本身結(jié)構(gòu)帶來破壞。對此，針對筆者所設(shè)計的沖錘與砧座結(jié)構(gòu)結(jié)合所選用材料，分別分析沖擊組件在沖錘末速度為5.5～10m/s情況下沖錘與砧座最大應力的變化趨勢。根據(jù)碰撞強度結(jié)果進一步分析得到在滿足沖錘不破壞組件結(jié)構(gòu)情況下對應的最大沖擊末速度。

由表3可知，沖擊末速度越大，沖錘與砧座對應最大應力隨之增大，這是因為沖擊末速度越大，達到的沖擊功就越大，作用在碰撞接觸面上的力就越大，在接觸面大小不變的情況下，沖擊速度越大，沖擊組件結(jié)構(gòu)所受應力越大。沖錘與砧座的屈服強度分別為930、1220MPa，取安全因子2.7，計算得出沖錘與砧座的許用應力分別為372、451MPa。采用拉格朗日插值方法計算得出在滿足結(jié)構(gòu)強度情況下沖擊組件不發(fā)生破壞的最大沖擊末速度為8.05m/s，對應沖錘最大應力為372MPa。

6 結(jié)論

1)設(shè)計了一款新型反作用液動沖擊器，并結(jié)合沖錘下行運動方程，計算了不同彈簧剛度下沖錘末速度及工作頻率大小，初步確定結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

2)根據(jù)沖擊器井下鉆進過程中破巖所需最小沖擊功，結(jié)合沖擊功公式計算得到?jīng)_錘最小沖擊末速度為5.24m/s。

3)采用ADAMS軟件建立沖擊組件的碰撞模型，分析得到?jīng)_錘沖擊末速度與反彈速度之間的函數(shù)關(guān)系式；通過Ansys Workbench軟件仿真研究了沖錘與砧座沖擊碰撞過程中不同沖錘末速度對沖擊器結(jié)構(gòu)強度的影響，并計算得出了在滿足結(jié)構(gòu)與材料強度條件下沖錘的最大沖擊末速度，最終獲得沖錘沖擊末速度適用范圍為5.24～8.05m/s，為沖擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。