液壓震擊器阻尼環(huán)關(guān)鍵作用及材料特性分析

摘" "要：液壓震擊器在鉆修井中應(yīng)用廣泛，阻尼環(huán)作為主要部件對(duì)震擊器正常工作及液壓阻尼延遲時(shí)間至關(guān)重要。以某型號(hào)液壓震擊器為例，針對(duì)阻尼環(huán)工作特性，分析其與外筒配合關(guān)系，建立理論和物理模型，并通過(guò)Ansys有限元仿真軟件驗(yàn)證可行性。為研究材料對(duì)性能的影響，對(duì)阻尼環(huán)不同材料參數(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比。結(jié)果表明，降低阻尼環(huán)彈性模量、增大外筒彈性模量、增加阻尼環(huán)泊松比、降低外筒泊松比，可增強(qiáng)阻尼環(huán)與外筒密封性，降低阻尼環(huán)載荷應(yīng)力，對(duì)外筒載荷應(yīng)力影響可忽略。該型號(hào)液壓震擊器已在渤海油田大量應(yīng)用，阻尼環(huán)優(yōu)化降低了磨損和作業(yè)成本，提高了作業(yè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：液壓震擊器；阻尼環(huán)；機(jī)械密封；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TE921.2" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.008

Analysis of the Key Role and Material Characteristics of

the Damping Ring of Hydraulic Jar

WANG Bingshuang，HUANG Yuxiang，HU Qinfeng，ZHAO Jincheng，NAN Shaolin，CAI Yugui

（ Engineering Technology Branch，CNOOC Energy Development Co.， Ltd.，Tianjin 300452，China）

Abstract： Hydraulic jar is widely used in drilling and workover， its damping ring is significant for normal operation and hydraulic damping delay time and is a key component in the design process. Taking a certain type of hydraulic jar as an example， the working characteristics of the damping ring and its matching with the outer cylinder were analyzed， the theoretical and physical model was established， and the feasibility was verified by Ansys finite element simulation. Different material parameters of the damper ring were simulated and compared to study the influence of materials. The results show that reducing the elastic modulus of the damper ring， increasing the elastic modulus of the outer cylinder， increasing the Poisson ratio of the damper ring， and decreasing the Poisson ratio of the outer cylinder can improve the sealing property of the damper ring and the outer cylinder， reduce the load stress of the damper ring， and the influence of the load stress of the outer cylinder can be ignored. This type of hydraulic jar has been widely used in the Bohai oil field and so on， damping ring optimization reduces wear and operating costs， and improves service quality.

Key words：hydraulic jar; damping ring; mechanical seal; finite element analysis

在當(dāng)今鉆修井作業(yè)中，震擊器作為井下工具發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。震擊器主要分為機(jī)械震擊器和液壓震擊器兩類(lèi)。其中，常用的機(jī)械震擊器利用機(jī)械摩擦原理，鎖緊機(jī)構(gòu)采用棱帶式卡瓦，其震擊力在出廠前或入井前調(diào)整好后，井下操作時(shí)無(wú)法改動(dòng)。而液壓震擊器一般分為上下兩個(gè)液壓腔，每個(gè)液壓腔處配有一個(gè)阻尼機(jī)構(gòu)。液壓震擊器運(yùn)用液壓阻尼原理產(chǎn)生延遲作用，在其工作載荷范圍內(nèi)可放大任意數(shù)值的上提或下壓力，并且每次震擊后復(fù)位用時(shí)更短，產(chǎn)生的震擊頻率可以更大。

阻尼環(huán)對(duì)液壓震擊器的正常運(yùn)行和液壓阻尼的延遲時(shí)間起著關(guān)鍵作用。已有不少學(xué)者對(duì)液壓震擊器進(jìn)行了研究。王戰(zhàn)濤等［1］對(duì)液壓上擊器震擊器震擊力進(jìn)行了計(jì)算與分析。張兆德等［2］對(duì)液壓式上擊器解卡的震擊力進(jìn)行了計(jì)算。時(shí)亞楠［3］對(duì)液壓式鉆柱震擊器解卡過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。高巧娟等［4］對(duì)液壓震擊器的阻尼閥應(yīng)力計(jì)算及性能分析有所研究。孫林平等［5］對(duì)震擊器延時(shí)機(jī)構(gòu)的閥體進(jìn)行了優(yōu)化分析。

本文以某一型號(hào)的液壓震擊器為例，對(duì)液壓震擊器阻尼機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析與計(jì)算，旨在進(jìn)一步揭示阻尼環(huán)在液壓震擊器中的重要作用，并為優(yōu)化液壓震擊器的性能提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 阻尼機(jī)構(gòu)工作原理

液壓震擊器阻尼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)由1個(gè)阻尼環(huán)、1個(gè)阻尼銷(xiāo)、1個(gè)固定套組成，如圖1所示。阻尼機(jī)構(gòu)與液壓震擊器心軸和液壓震擊器外筒配合使用。其中固定套由平扣螺紋與心軸連接，由于固定套的存在，阻尼環(huán)和阻尼銷(xiāo)只能相對(duì)于心軸在一定范圍內(nèi)活動(dòng)。阻尼機(jī)構(gòu)兩側(cè)是液壓腔，內(nèi)部充滿液壓油。

當(dāng)液壓震擊器心軸在上提或下壓力的作用下，攜帶阻尼機(jī)構(gòu)由左向右通過(guò)外筒縮徑時(shí)，由于液壓油阻力的作用，阻尼環(huán)相對(duì)于心軸向左運(yùn)動(dòng)，自主密封面與心軸產(chǎn)生接觸并自主密封如圖1中A自主金屬密封面，此時(shí)阻尼環(huán)和心軸的相對(duì)位置如圖1中阻尼環(huán)與液壓震擊器心軸所示。由于自主金屬密封的作用，心軸上的擴(kuò)展流道封堵，如圖1中C擴(kuò)展流道。阻尼環(huán)右側(cè)液壓腔在上提或下壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生液壓力，阻尼壞與外筒之間的配合在液壓力的作用下由間隙配合逐漸變?yōu)檫^(guò)盈配合，如圖1中B處會(huì)在過(guò)盈位置產(chǎn)生密封。此時(shí)，液壓油在壓力的作用下只能通過(guò)阻尼銷(xiāo)與阻尼環(huán)之間的間隙流向阻尼環(huán)的左側(cè)，間隙流道如圖1中D阻尼銷(xiāo)與阻尼環(huán)上孔之間的間隙流道。由于阻尼銷(xiāo)和阻尼環(huán)之間的間隙很小，液壓油由阻尼環(huán)右側(cè)流向左側(cè)需要一定時(shí)間，液壓震擊器進(jìn)入液壓延遲狀態(tài)。

當(dāng)心軸攜帶阻尼機(jī)構(gòu)由右向左通過(guò)液壓震擊器外筒縮徑段時(shí)，在液壓油的阻力作用下阻尼環(huán)相對(duì)心軸向右運(yùn)動(dòng)，與固定套接觸如圖2中的阻尼環(huán)和固定套，此時(shí)心軸、阻尼環(huán)的相對(duì)位置如圖2中的液壓震擊器心軸和阻尼環(huán)所示，自主金屬密封面分開(kāi)如圖2中A自主金屬密封面所示。此時(shí)，心軸上的擴(kuò)展流道開(kāi)通，如圖2中C擴(kuò)展流道。阻尼環(huán)左側(cè)液壓腔在上提或下壓力的作用下快速通過(guò)阻尼環(huán)流向右側(cè)，基本不會(huì)產(chǎn)生液壓力，圖1～2中的B處也不會(huì)產(chǎn)生密封效果，阻尼機(jī)構(gòu)可以快速順利通過(guò)外筒縮徑段，不會(huì)產(chǎn)生鎖緊作用。

本文主要對(duì)液壓阻尼機(jī)構(gòu)進(jìn)入縮徑段后阻尼環(huán)在液壓壓力作用下阻尼環(huán)膨脹與外筒產(chǎn)生過(guò)盈配合進(jìn)行分析。此型號(hào)液壓震擊器阻尼機(jī)構(gòu)進(jìn)入縮徑段后，根據(jù)上提或下壓力200～600 kN不同，右側(cè)液壓壓力可達(dá)到30 ～90 MPa，采用符合ISO 11158—2023標(biāo)準(zhǔn)的液壓油。

2 阻尼環(huán)理論分析

2.1 阻尼環(huán)與外筒之間配合理論分析

目前已有文獻(xiàn)對(duì)液壓震擊器阻尼環(huán)與外筒之間過(guò)盈配合進(jìn)行相關(guān)研究［4-5］，主要針對(duì)阻尼環(huán)與外筒之間的過(guò)盈配合狀態(tài)進(jìn)行分析，均未考慮阻尼環(huán)承受液壓壓力作用下的膨脹效應(yīng)。本文主要采用間隙配合到過(guò)盈配合的過(guò)程進(jìn)行分析。阻尼環(huán)與外筒之間在阻尼機(jī)構(gòu)工作時(shí)的受力分析如圖3所示。

2.2 阻尼環(huán)與外筒之間密封理論分析

研究阻尼環(huán)過(guò)盈密封，可以分析當(dāng)阻尼環(huán)外徑與外筒內(nèi)徑變形逐漸達(dá)到過(guò)盈狀態(tài)的過(guò)程。開(kāi)始由于阻尼環(huán)與外筒之間存在間隙，此時(shí)間隙內(nèi)還有液壓油流動(dòng)。阻尼環(huán)在受到液壓油作用時(shí)逐漸變形。此時(shí)，阻尼環(huán)與外筒之間的間隙變?。?-9］，直至間隙間的泄漏量達(dá)到密封要求。

3.2 阻尼環(huán)與外筒之間的密封驗(yàn)證

阻尼環(huán)外筒之間的密封仿真，涉及到阻尼環(huán)與外筒之間間隙流動(dòng)的流體力學(xué)，以及阻尼環(huán)與外筒之間在流動(dòng)壓力分布作用下的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。因此需要將流體力學(xué)與結(jié)構(gòu)力同時(shí)考慮在一起進(jìn)行有限元分析，可以采用Ansys流固耦合的方法進(jìn)行［15-16］。流固耦合可以將Fluent中分析出的壓力梯度施加到阻尼環(huán)外徑與外筒內(nèi)徑上。如3.1所述，此結(jié)構(gòu)只承受徑向與軸向載荷，由于流固耦合分析所需的計(jì)算資源較大，為了節(jié)約計(jì)算資源，加快計(jì)算分析，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。采用將外筒、流道、阻尼環(huán)建立的3D模型選取軸對(duì)稱局部區(qū)域進(jìn)行分析來(lái)代替整體，可選擇1.0°扇形區(qū)域進(jìn)行仿真。在Solidworks中建模并處理，如圖6所示。

依據(jù)圖5在阻尼環(huán)對(duì)應(yīng)的面進(jìn)行壓力和約束設(shè)置，壓力93.0 MPa在阻尼環(huán)外徑面和外筒內(nèi)徑面導(dǎo)入Fluent中分析的流體壓力進(jìn)行分析如圖9所示，分析結(jié)果如圖10所示。

在流體壓力作用后阻尼環(huán)與外筒之間的過(guò)盈面理論壓力，對(duì)液壓油壓力在31.0、46.5、62.0、77.5、93.0 MPa時(shí)進(jìn)行分析。過(guò)盈面殘余平均壓力，如表5所示。仿真分析過(guò)盈面殘余壓力及位置分布，如圖11所示，其中橫坐標(biāo)是阻尼環(huán)長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)是阻尼環(huán)外徑與外筒內(nèi)徑過(guò)盈面在流體壓力作用下殘余過(guò)盈壓力。

殘余過(guò)盈壓力與過(guò)盈結(jié)合長(zhǎng)度的坐標(biāo)曲線在橫坐標(biāo)≤27 mm殘余過(guò)盈壓力都為0。為了方便展示，過(guò)盈面殘余壓力與位置分布坐標(biāo)中橫坐標(biāo)從距離阻尼環(huán)高壓面28 mm處開(kāi)始，如圖11所示。根據(jù)最大等

效應(yīng)力仿真結(jié)果來(lái)看，利用式（11）的過(guò)盈壓力完全可以實(shí)現(xiàn)密封效果。此外，此結(jié)構(gòu)的阻尼環(huán)與外筒的過(guò)盈配合隨著液壓壓力的增大，殘余過(guò)盈壓力和殘余過(guò)盈距離的值越大，說(shuō)明在此型號(hào)的液壓震擊器工程要求范圍內(nèi)過(guò)液壓壓力越大，密封性越好。

不同液壓壓力下外筒和阻尼環(huán)的最大載荷應(yīng)力如圖12所示。隨著液壓壓力的增加，阻尼環(huán)與外筒受到的載荷應(yīng)力都在增加，但外筒受到載荷應(yīng)力增加量要高于阻尼環(huán)，當(dāng)液壓壓力為93.0 MPa時(shí)阻尼環(huán)受到的載荷應(yīng)力為253.18 MPa，外筒受到的載荷應(yīng)力為316.04 MPa，最大應(yīng)力在外筒上。兩個(gè)材料的應(yīng)力安全系數(shù)都大于2，在強(qiáng)度要求范圍內(nèi)。

3.3 阻尼環(huán)與外筒材料特性研究

由式（1）～（3）理論計(jì)算并結(jié)合3.2分析可知，材料的泊松比和彈性模量對(duì)阻尼機(jī)構(gòu)的密封性、應(yīng)力強(qiáng)度有重要影響。

阻尼環(huán)材料的彈性模量分別取111、116、121、126、131、136 GPa，表1～2其他變量參數(shù)不變，液壓壓力為62 MPa，帶入流固耦合分析系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，當(dāng)阻尼環(huán)的彈性模量由111 GPa增加至136 GPa，降低了阻尼環(huán)與外筒之間的殘余過(guò)盈密封距離25.2%，增大了阻尼環(huán)載荷應(yīng)力13.3%，增大外筒最大載荷應(yīng)力1.2%，如圖13～14所示。

綜上所述，液壓震擊器的阻尼環(huán)在液壓壓力作用下膨脹后與外筒實(shí)現(xiàn)過(guò)盈密封的理論是可實(shí)現(xiàn)的。目前此型號(hào)的液壓震擊器已在渤海油田大量使用，每年作業(yè)井?dāng)?shù)140～180口井，單根液壓震擊器的年服務(wù)井深5～8口井，而阻尼環(huán)由于減少外徑尺寸、選取合理的材質(zhì)，降低了由于心軸上下運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的阻尼環(huán)磨損情況，節(jié)約了作業(yè)成本。

4 結(jié)論

1） 對(duì)液壓震擊器阻尼環(huán)工作過(guò)程進(jìn)行了分析，建立了可以有效應(yīng)用于工程上面的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真分析，得到了優(yōu)化材質(zhì)的方向。

2） 通過(guò)Ansys流固耦合的方法對(duì)阻尼環(huán)與外筒之間的密封進(jìn)行有限元仿真，阻尼環(huán)受液壓膨脹可實(shí)現(xiàn)過(guò)盈密封。

3） 有限元仿真表明，阻尼環(huán)的彈性模量降低、外筒的彈性模量增大、阻尼環(huán)的泊松比增大、外筒的泊松比降低都可有效增大阻尼環(huán)與外筒之間的密封性，降低阻尼環(huán)載荷應(yīng)力，對(duì)外筒載荷應(yīng)力影響小。

4） 阻尼環(huán)受液壓力作用膨脹的理論可以設(shè)計(jì)優(yōu)化阻尼環(huán)尺寸，降低阻尼環(huán)與外筒之間的接觸性，使阻尼環(huán)在不工作時(shí)順利通過(guò)縮徑段，降低阻尼環(huán)磨損。

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（編輯：馬永剛）