張鵬飛， 程靖清， 葛 東， 彭枧明

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

0 引言

硬巖的鉆進效率在非常規(guī)油氣資源與地熱能源的開發(fā)中日益重要。常規(guī)鉆進技術(shù)如牙輪鉆頭、PDC鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進的方法在硬巖地層中鉆進速度低，鉆頭壽命短，鉆進成本高。潛孔錘鉆進技術(shù)是目前硬巖鉆進中最有效的技術(shù)方法之一[1]。大量的現(xiàn)場應(yīng)用表明：在堅硬巖層中射流式液動錘與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進相比，鉆速提高50%,此外射流式液動潛孔錘射流束的附壁與切換原理，決定了該類液動錘不受孔內(nèi)圍壓及孔深的影響，利于深孔鉆進。

射流式液動錘在鉆進中的鉆速與沖錘沖擊末速度密切相關(guān)，通過提高射流速度來提高沖擊末速度是一個很好的途徑。硬質(zhì)合金材料的射流元件在高速射流中具有較強的耐沖蝕性，然而硬質(zhì)合金是一種在沖擊力下容易碎裂的脆性復(fù)合材料[2-3]。當活塞桿回程以相當大的末速度撞擊缸體時，沖擊應(yīng)力波會將大量的能量通過缸體傳遞給射流元件，使射流元件很容易遭到?jīng)_擊破壞，從而縮短液動錘的使用壽命。地面試驗過程中，液動錘工作1 min左右后射流元件遭到破壞如圖1所示。因此，有必要設(shè)計一種改變回程沖擊應(yīng)力傳播途徑的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是將沖錘回程至上死點時，避免活塞桿與缸體的碰撞，將其轉(zhuǎn)化為沖錘與中接頭的碰撞。降低射流元件受到?jīng)_擊應(yīng)力的影響，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，在復(fù)雜多變的鉆孔環(huán)境中具有良好的適應(yīng)性。

殷明不想看著這個似乎居高臨下的時間的代表，他關(guān)掉手機。想想，又打開了，翻到那條存留許久的短信：“明，我走了。以后也別再找我了，咱們就此別過吧，祝你找到理想的工作。再見！”

圖1 地面鉆進試驗過程中硬質(zhì)合金射流元件遭受沖擊破壞Fig.1 Impact failure of tungsten carbide jet elements during surface drilling tests

1 沖擊應(yīng)力傳播的理論分析

沖錘撞擊中接頭外傳機構(gòu)如圖2所示，在常規(guī)的射流式液動錘工作中，沖錘回程至上死點時，活塞桿與缸體內(nèi)缸發(fā)生撞擊?；钊麠U和沖錘組成的沖擊部分與缸體形成了沖擊機械系統(tǒng)，沖擊機械原理在彈性動力學(xué)中有兩種分析模型：機械振動與應(yīng)力波傳播，在這個回程撞擊中缸體受到時間極短的沖擊載荷，并且在作用方向上沖擊部分與被沖擊部分均為細長且獨立的部件，撞擊后接觸面上只傳遞壓力。所以撞擊產(chǎn)生的能量以應(yīng)力波的形式傳遞給射流元件。在設(shè)計外傳機構(gòu)的液動錘中，在保證活塞桿沖程與回程路程匹配的同時，通過增加內(nèi)缸行程的長度使活塞桿在撞擊內(nèi)缸之前撞擊中接頭。在同一均勻介質(zhì)中的應(yīng)力峰值隨傳播距離的變化可表述為σ=σ0x-α(式中σ0為介質(zhì)中某一點的應(yīng)力)。平面應(yīng)變狀態(tài)下,應(yīng)力峰值在線彈性體中的衰減指數(shù)α是一個隨著應(yīng)力峰值降低(或傳播距離增加)而增加且大于1的值[4-5]。l=x/x0為應(yīng)力波傳播的相對距離,取x0為單位距離，x為到應(yīng)力峰值的距離，應(yīng)力峰值隨傳播距離的增加而下降。

圖2 沖錘撞擊中接頭外傳機構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of external transmission mechanism through a middle connector during impact of the hammer

除此之外，中接頭與缸體之間還存在著缸蓋等一系列結(jié)構(gòu)，這樣又增加了接觸面的數(shù)量。在應(yīng)力波傳播的過程中，接觸面被稱為低波速夾層介質(zhì)，應(yīng)力波到達這些結(jié)構(gòu)面的時候?qū)l(fā)生反射和透射現(xiàn)象，透射波波幅大幅度衰減后會傳遞給缸體與外管，反射波會帶走大量的能量，導(dǎo)致應(yīng)力波的衰減以及能量的衰減[6-9]。

2 碰撞模型的建立及邊界條件

在煙囪施工中，砌筑是主要的工序。在砌筑中需要先搭設(shè)一個操作平臺，供工人操作、堆料等。而且在煙囪升高后，需要操作平臺不斷地跟隨上升。為此，在煙囪筒壁內(nèi)側(cè)每隔1.2 m留腳手眼，用4根Φ 48 mm鋼管伸入腳手眼作為平臺支撐橫桿，在橫桿上滿鋪5 cm腳手板作為操作平臺。要求桿件、腳手板安裝可靠牢固，不用時方便拆卸。

圖3 中接頭懸臂梁延伸長度均為8 mm，厚度不同F(xiàn)ig.3 The middle connectors with the cantilever beams length of 8mm and different in thickness

圖4 中接頭懸臂梁厚度均為15 mm，延伸長度不同F(xiàn)ig.4 The middle connectors with the cantilever beams thickness of 15mm and different in length

采用Hypermesh軟件在保證計算精度要求的前提下劃分自適應(yīng)網(wǎng)格，對以上模型采用四面體單元進行劃分[10-13]。由于模型組件較多，四面體網(wǎng)格便于精確捕捉受力點位置，并且在組件較多的情況下能保證網(wǎng)格與模型較好的貼合。為了進一步提高計算精度，射流元件部分進行網(wǎng)格加密，并且在保證曲率連續(xù)的基礎(chǔ)上，通過去除和合并多余的邊界對曲面擬合模型進行幾何修補，單元均采用solid164實體單元，單元總數(shù)均在60萬左右。各部件網(wǎng)格模型如圖5所示。

本文以沖錘與中接頭相撞代替活塞桿與缸體相撞研究分析了增加動力外傳裝置對射流元件受的回程沖擊的影響，并利用LS-DYNA顯式非線性動力學(xué)分析方法，分別建立了“沖錘撞擊中接頭”和“活塞桿撞擊缸體”碰撞模型，并通過改變中接頭懸臂梁的參數(shù)探究其對射流元件所受沖擊應(yīng)力的影響。結(jié)論如下：

圖5 各部件的網(wǎng)格模型圖Fig.5 Grid model of components

(1)動力外傳裝置通過改變應(yīng)力傳播途徑，延長了沖擊應(yīng)力的傳播路徑，增加反射波帶走的能量，可使射流元件所受的最大應(yīng)力降低48%。表明本結(jié)構(gòu)對于提高射流元件壽命具有可行性。

表1 兩種不同材料的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of two different materials

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 中接頭對射流元件應(yīng)力強度的影響分析

通過改變中接頭懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬組，射流元件中最大應(yīng)力與懸臂梁厚度關(guān)系和最大應(yīng)力與懸臂梁長度關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，增加懸臂梁厚度與減小懸臂梁長度均能小幅度降低射流元件所受到的最大應(yīng)力。隨著懸臂梁厚度的增加，射流元件所受到的最大應(yīng)力的降幅越來越小，并且隨著懸臂梁厚度增加，中接頭內(nèi)部空間越來越緊張導(dǎo)致液動錘整體的尺寸增加，所以在能有效地降低射流元件所受最大應(yīng)力情況下，適當增加中接頭懸臂梁厚度即可。同樣從圖中可以看出，減少懸臂梁長度會小幅降低射流元件所受的應(yīng)力，但懸臂梁長度過短會致使懸臂梁容易被沖擊破壞甚至沖錘穿過懸臂梁致使動力外傳裝置失效，所以權(quán)衡利弊選取最佳尺寸即可。

圖6 射流元件應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of fluidic element

3.2 懸臂梁尺寸對射流元件應(yīng)力強度影響分析

將活塞桿沖錘系統(tǒng)直接撞擊缸體情況下射流元件的應(yīng)力分布云圖(圖6a)，與沖錘撞擊中接頭情況下射流元件的應(yīng)力分布云圖(圖6b)作比較，可以看出射流元件所受到的應(yīng)力主要集中在具有棱邊的應(yīng)力集中部位與薄弱部位[14-15]，這與實際情況是相符的，并且實驗過程中破碎部位也是沿著應(yīng)力圖中應(yīng)力集中部位破壞的。二者最大應(yīng)力分別為596和301 MPa，可以看出通過這種改變并延長應(yīng)力傳播途徑的方式能大幅降低射流元件所受到的最大應(yīng)力，降低幅度約為48%。硬質(zhì)合金的疲勞極限為1250 MPa，但由于射流元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工過程中難免出現(xiàn)微小的裂紋，這會相應(yīng)地降低硬質(zhì)合金的疲勞強度。所以，采取一定的措施來降低射流元件受到的應(yīng)力是非常有必要的。而我們通過采用中接頭與沖錘的碰撞大幅度降低了射流元件所受到的最大應(yīng)力，有效地保護了液動錘的核心部件——射流元件。

圖7 改變懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸對射流元件最大應(yīng)力的影響Fig.7 Effect of changing cantilever structure size on the maximum stress of the fluidic element

4 結(jié)論

“影子說”是中國古典小說的一種批評理論，它最開始可見于甲戌本第八回脂評：“晴有林風，襲乃釵副?！边@一思想經(jīng)過發(fā)展，形成了蔚為壯觀的影射關(guān)系。王富鵬先生曾針對《紅樓夢》的人物影射現(xiàn)象，概括出了紅樓夢的兩大影子人物體系，闡釋這種影子人物體系與小說敘事結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系①?！都t樓夢》是沿著金瓶梅開創(chuàng)的方向發(fā)展而來，可說“深得《金瓶》壺奧”。因此，影身關(guān)系在《金瓶梅》中也或多或少地存在著。

材料模型均為線彈性材料模型，射流元件的材料為WC-Co類硬質(zhì)合金，其余部件的材料均為合金鋼35CrMo，兩種材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。各部件之間均為“面—面”自接觸。在模擬計算中忽略重力影響，沖錘活塞系統(tǒng)回程末速度為軸向8 m/s，計算時間步長設(shè)置0.00005 s，計算總時間為0.05 s。

通過solidworks軟件建立“沖錘撞擊中接頭外傳機構(gòu)”與“沖錘撞擊缸體”簡化模型，缸體頂部余留的厚度為60 mm。中接頭的懸臂梁分別設(shè)計了5種不同的厚度與5種不同的延伸長度(如圖3與圖4所示)。

(2)應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在射流元件的溝槽薄弱部位，試驗中射流元件也是沿著這些部位斷裂開來的，這些脆弱的部位在今后的設(shè)計過程中應(yīng)更加注意。

(3)通過改變中接頭懸臂梁的長度與厚度參數(shù)會一定程度影響射流元件所受到的應(yīng)力大小。在一定范圍內(nèi)，懸臂梁厚度越大長度越小射流元件所受到的最大應(yīng)力越小。但是影響幅度較小，并且懸臂梁如果過厚或者過短都會產(chǎn)生一系列問題，所以衡量取適合參數(shù)即可。

整個改造的過程中，她一直在找我的優(yōu)點，不管我說出自己的什么缺點，她都覺得不是問題，是我自己小題大做了。