高巧娟，陳慧慧，郭 晨

(中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機械廠，北京 102206)

過盈配合量對液壓震擊器阻尼閥性能的影響

高巧娟，陳慧慧，郭 晨

(中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機械廠，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)。針對閥體與芯軸配合面的過盈量，對阻尼閥的工作特性進行分析，推導(dǎo)出阻尼閥在正常工作時閥體與芯軸合理過盈配合的接觸應(yīng)力算法。對?178mm規(guī)格液壓震擊器阻尼閥中閥體與芯軸過盈配合面接觸應(yīng)力進行了理論計算，利用ANSYS對理論計算結(jié)果進行分析，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用驗證。結(jié)果表明：當閥體與芯軸配合面過盈量在0.04～0.05mm時，過盈處形成潤滑油膜，阻尼閥產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，使震擊器的震擊作用延時，延時時間保持在40～50s，有效地防止了震擊器誤震；同時避免了因過盈量偏大而引起的阻尼閥早期過度磨損，導(dǎo)致震擊器失效。理論分析與試驗結(jié)果相吻合，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

阻尼閥；過盈量；接觸應(yīng)力；磨損

卡鉆是指鉆機在鉆進過程中鉆柱轉(zhuǎn)動和上提下放活動受阻[1]。震擊器常被用來作為鉆頭卡鉆時的解卡工具。液壓式震擊器具有性能穩(wěn)定、啟動靈活、沖擊力大的特點，受到鉆井工程師青睞。資料顯示，國外同類產(chǎn)品的使用量較大，例如國民油井、威德福等大型井下工具供貨商的成熟產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在美國本土及北美地區(qū)的油氣鉆探作業(yè)中。據(jù)用戶反饋及相關(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[2]。阻尼閥防止液壓震擊器的誤震，同時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程中受周期性交替變載荷的影響，若配合面過盈量大，會造成配合面的磨損，磨損后的磨屑堵塞阻尼閥泄流孔，導(dǎo)致震擊器失效。若配合面過盈量小，在隨鉆過程中時常產(chǎn)生誤震。

為滿足長時間鉆井工作的需要，液壓式震擊器出廠前均需要經(jīng)過多次臺架試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，對震擊器重新拆卸，將阻尼閥的閥體與芯軸配合面多次修正。為節(jié)約試驗時間，降低試驗成本，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，液壓腔被過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，通過閥體上的泄流孔泄壓排流。當活塞隨著芯軸向左移動，高壓腔體積減小，壓力增加，震擊器儲存能量。當芯軸涂層配合面完全通過閥體后，高壓腔泄壓。阻尼閥的閥芯通過閥體內(nèi)部由過盈配合到間隙配合，液壓油通過泄流孔泄壓，高壓腔從增壓到泄壓，此過程液壓緩慢變化為阻尼效應(yīng)，所經(jīng)歷的時間為震擊器延時震擊的時間。

鉆井中，當需要震擊時，上提鉆柱，使芯軸帶著活塞向上移動，直到芯軸涂層面與閥體處于過盈配合時，高壓腔內(nèi)液壓油隨著活塞的移動，壓力增高，液壓油通過泄流孔泄壓。在鉆柱上提力逐漸加大，由于芯軸過盈配合面受到閥體的制約，芯軸緩慢移動，此時，震擊器以上的鉆柱受拉伸而產(chǎn)生拉伸彈性變形。當芯軸涂層配合面完全通過閥體，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動，震擊器釋放能量，產(chǎn)生強大震擊。

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滑、減少磨損；另一方面能夠形成高壓工作油腔，產(chǎn)生延時震擊效果，最終加速沖擊震動。

2) 該結(jié)構(gòu)不僅有過盈配合，同時存在間隙配合。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，阻尼閥失效機率越大。因此，合理地設(shè)計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，芯軸涂層處與閥體里孔之間形成過盈配合，形成密封面，當向左拉力F大于閥體與芯軸過盈配合間摩擦力時，芯軸隨拉力緩慢移動，在阻尼閥右端環(huán)空形成高壓腔，高壓流體通過泄流孔泄壓；當芯軸過盈面處卸荷點(即芯軸涂層配合面末端)通過閥體時，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。

當泄流孔直徑一定時，閥體與芯軸配合量決定了阻尼效果與延時震擊效果。

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

2.1 單位時間泄流量分析

對于高壓流體，通過不同間隙的臨界流量是相同的。只有在間隙很小時，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按定常流動的層流規(guī)律進行分析[3]。液壓油流經(jīng)泄流孔時，由于黏性而流動不暢，流速低，按照層流狀態(tài)分析。泄流孔作細長孔進行流量計算時，細長孔流量與壓差成正比，與小孔截面平方成反比，與黏度、孔長度成反比，通過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為動力黏度，Pa·s；l為小孔長度，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

當震擊器芯軸隨著拉力緩慢移動，高壓腔體積減小，壓力增加，高壓液體通過泄流孔緩慢流入閥體另一端低壓腔；當芯軸卸荷點通過閥體，高壓腔內(nèi)泄壓，阻尼作用消失。高壓腔增壓時間t1到泄壓時間t2時間段，通過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為過盈配合接觸面直徑(即芯軸外圓直徑)，m；ls為過盈接觸面長度，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 實例計算

以?178mm規(guī)格液壓震擊器為例，若震擊延時時間為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，芯軸涂層配合面長度為 0.15m；液壓腔注入40號液壓油，動力黏度為0.028 8Pa·s；泄流孔長度為0.022m，截面積為0.055 7m2；接觸面摩擦因數(shù)取0.13；芯軸與閥體里孔過盈配合處直徑為0.098m，閥體與芯軸過盈配合長度為0.027m。計算得到過盈配合處接觸應(yīng)力為73.2MPa。

對實例中?178mm液壓震擊器的阻尼閥進行分析。阻尼閥工作時，芯軸受到閥體制約，移動緩慢，假設(shè)芯軸與閥體相對靜止。按照實例參數(shù)建立有限元模型，進行靜態(tài)接觸分析[6-8]。通過改變芯軸外徑，建立閥體與芯軸不同配合實物模型，過盈量取0.03、0.04、0.06、0.08mm4種模型，模型按實際過盈量重合，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 過盈量0.03 mm

b 過盈量0.04 mm

c 過盈量0.06 mm

d 過盈量0.08 mm

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

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

圖4 過盈配合面接觸應(yīng)力曲線分布

由圖4可知，當過盈量越大，壓應(yīng)力越大。根據(jù)實例計算，當震擊器延時時間為45s時，接觸應(yīng)力為73.2MPa，在應(yīng)力曲線中對應(yīng)過盈量位于0.04mm與0.05mm之間(三角形表示位置)，此時滿足設(shè)計要求。當過盈量為0.06mm時，配合面接觸應(yīng)力達到111.68MPa，遠大于理論計算接觸應(yīng)力73.2MPa，此時摩擦阻力較大。隨著震擊次數(shù)的增加，阻尼閥磨損越大。當過盈量為0.03mm時，過盈接觸面應(yīng)力為55.68MPa，比理論計算值小，產(chǎn)生的摩擦阻力小，密封面易泄露，芯軸移動速度快，此時產(chǎn)生的阻尼時間短，達不到震擊延時效果，反而使震擊器在鉆井過程中易產(chǎn)生誤震。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2013-10，在一套?178mm液壓震擊器設(shè)計制造過程中，根據(jù)計算分析的阻尼閥中閥體與芯軸配合過盈量，按0.05mm過盈量進行配做加工，規(guī)范裝配后，按照出廠驗收標準進行試驗，完全合格，無需反復(fù)拆卸、修正。該震擊器于2014-03發(fā)往委內(nèi)瑞拉現(xiàn)場使用，在使用過程中震擊器液壓延遲作用時間穩(wěn)定、使用過程中多次震擊解卡，取得滿意的效果。

5 結(jié)論

1) 結(jié)合理論計算與有限元分析，確定阻尼閥閥體與芯軸配合的合理過盈量。經(jīng)現(xiàn)場驗證，產(chǎn)品性能達到設(shè)計要求，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

2) 對于?178mm液壓震擊器，阻尼閥中閥體與芯軸的過盈配合面，過盈量控制在0.04～0.05mm，延時時間40～50s，避免了阻尼閥早期過度磨損而導(dǎo)致的震擊器失效，同時有效地防止了誤震，達到延時震擊效果。

3) 理論計算與軟件分析結(jié)合的研究方法，減少了震擊器的試驗費用與試驗時間，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。該研究方法對于確定同類模型配合的過盈量和改進產(chǎn)品質(zhì)量具有參考意義。

4) 建議類似于阻尼閥中閥體與芯軸過盈配合的部件，在設(shè)計過程中，嚴格按照設(shè)計參數(shù)要求，結(jié)合ANSYS進行分析，精確配合公差。

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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

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(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