王圣林 魏秦文 張士明 肖鑫源 劉成俊 祖寶華

(1. 重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 重慶 401331；2. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院， 重慶 401331；3. 中國(guó)石油天然氣管道局第一工程分公司， 河北 廊坊 065000)

氣動(dòng)潛孔錘的破巖效率高，在硬煤層鉆進(jìn)中多用于開(kāi)鑿垂直井，而在大斜度井中的應(yīng)用很少。這主要是由于地層分布不均，潛孔鉆進(jìn)易偏向較軟一側(cè)，并且鉆具在高頻沖擊載荷作用下振動(dòng)劇烈，開(kāi)鑿大斜度井時(shí)潛孔鉆進(jìn)難以精確控制方向，進(jìn)而會(huì)造成鉆具失效。為克服鉆具振動(dòng)的問(wèn)題，學(xué)者們?cè)趦?yōu)化減振器性能方面已經(jīng)做了大量研究工作。比如張宏英等人設(shè)計(jì)了一種JZH165-Ⅱ型空氣機(jī)械減振器[1]，管志川等人設(shè)計(jì)了JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置[2]，崔金棟設(shè)計(jì)了一套減振沖擊鉆井系統(tǒng)[3]。針對(duì)鉆具振動(dòng)與潛孔鉆進(jìn)控向難的問(wèn)題，我們借鑒有關(guān)減振器研究方面的成果，設(shè)計(jì)了一套減振提速裝置和有線導(dǎo)向系統(tǒng)。

1 減振提速裝置設(shè)計(jì)

減振提速裝置如圖1所示，它包括減振系統(tǒng)和位移補(bǔ)償系統(tǒng)。

1 — 花鍵芯軸； 2 — 花鍵外筒； 3 — 鎖母； 4 — 橡膠圈組； 5 — 鋼套； 6 — 減振殼體； 7 — 軸端螺母； 8 — 接頭； 9 — 防掉螺母；10 — 滑動(dòng)殼體； 11 — 彈簧； 12 — 中心軸； 13 — 限位套； 14 — O型密封圈； 15 — 上接頭

花鍵外筒、減振殼體、軸端螺母、接頭和滑動(dòng)殼體連成一體。上接頭上的花鍵和花鍵芯軸，分別與滑動(dòng)殼體和花鍵外筒配合，發(fā)揮傳遞扭矩和導(dǎo)向的作用。花鍵芯軸連接鎖母可壓縮橡膠圈組在鋼套內(nèi)滑動(dòng)。防掉螺母、中心軸、限位套和上接頭連成一體。彈簧兩端分別與限位套和滑動(dòng)殼體內(nèi)端面接觸，滑動(dòng)殼體可以在中心軸上滑動(dòng)并壓縮彈簧。潛孔錘高頻沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)引起花鍵芯軸縱向振動(dòng)，振動(dòng)載荷通過(guò)花鍵芯軸和鎖母作用于橡膠圈組。橡膠圈在沖擊載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的軸向和徑向變形。橡膠圈組安裝在鋼套內(nèi)，鋼套沿母線上開(kāi)有一個(gè)矩形小口，借以減小橡膠的剛度，提高減振性能[4]。減振器通過(guò)橡膠變形吸收振動(dòng)能量，同時(shí)橡膠圈組在鋼套內(nèi)高頻往復(fù)移動(dòng)，將部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成熱能。這樣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移和耗散振動(dòng)能量，便可降低它對(duì)鉆桿的損耗。

潛孔鉆進(jìn)依靠鉆機(jī)加壓，若加壓過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致錘頭卡死。減振提速裝置利用彈簧阻尼小、受載位移大的特點(diǎn)進(jìn)行位移補(bǔ)償。氣動(dòng)潛孔錘通過(guò)彎殼體與花鍵芯軸連接，當(dāng)鉆壓過(guò)大而使氣動(dòng)潛孔錘無(wú)法產(chǎn)生沖擊行程時(shí)，通過(guò)滑動(dòng)殼體壓縮彈簧產(chǎn)生軸向位移進(jìn)行位移補(bǔ)償，從而提高在硬煤層氣動(dòng)潛孔錘的沖擊鉆進(jìn)效率。減振提速裝置的基本參數(shù)：外徑為150 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，剛度為1 000 N·mm，最大工作扭矩為15 kN·m，芯軸通徑為60 mm。

2 單壁導(dǎo)電鉆桿設(shè)計(jì)

導(dǎo)向系統(tǒng)采用有線導(dǎo)向，主要由單壁導(dǎo)電鉆桿、隨鉆測(cè)量?jī)x和彎殼體組成。單壁導(dǎo)電鉆桿不僅為井下隨鉆測(cè)量?jī)x提供電信號(hào)，還要傳遞鉆壓和扭矩，同時(shí)為高壓氣體提供通道。根據(jù)氣動(dòng)潛孔錘控向鉆進(jìn)工藝要求，設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則：導(dǎo)電可靠性高，保證鉆桿拼接處不出問(wèn)題，避免電信號(hào)丟失；密封性能要好，保證導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的密封性，避免高壓氣體進(jìn)入導(dǎo)電裝置；鉆桿采用抗沖擊能力較好的高強(qiáng)度鋼，保證鉆桿強(qiáng)度滿足潛孔錘施工強(qiáng)度要求。

設(shè)計(jì)的單壁導(dǎo)電鉆桿主要由鉆桿、導(dǎo)電環(huán)組、橡膠套和絕緣管組成(見(jiàn)圖2)。

1 — 下接頭銅芯； 2 — 導(dǎo)電環(huán)下接頭； 3 — 絕緣管； 4 — 銅線； 5 — 通氣環(huán)； 6 — O型密封圈； 7 — 橡膠套；8 — 導(dǎo)電環(huán)上接頭； 9 — 上接頭銅芯； 10 — 塔形彈簧

在導(dǎo)電環(huán)下接頭和導(dǎo)電環(huán)上接頭內(nèi)均設(shè)有導(dǎo)電銅芯，由絕緣管內(nèi)的銅線將其連接進(jìn)行信號(hào)傳輸。導(dǎo)電環(huán)組由通氣環(huán)與鉆桿固定在一起。高壓氣體可從鉆桿內(nèi)環(huán)形通道到達(dá)井底動(dòng)力鉆具，電信號(hào)由絕緣管內(nèi)的銅線進(jìn)行傳輸，其中的橡膠套起支撐作用，減少絕緣管的晃動(dòng)。鉆桿拼接處采用承插連接，通過(guò)將導(dǎo)電環(huán)下接頭裝入導(dǎo)電環(huán)上接頭中，導(dǎo)電環(huán)上接頭內(nèi)導(dǎo)電彈簧與下接頭銅芯接觸。采用塔形彈簧，保證鉆桿連接處導(dǎo)電更加可靠。承插處用O型密封圈密封。當(dāng)兩鉆桿旋緊時(shí)，導(dǎo)電環(huán)下接頭和導(dǎo)電環(huán)上接頭緊密接觸在一起。承插連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于拆裝和更換元件的優(yōu)點(diǎn)。單壁導(dǎo)電鉆桿采用G105鋼材制作，外徑為127 mm，內(nèi)徑為108.62 mm，長(zhǎng)度為3 000 mm。

3 減振器強(qiáng)度分析

3.1 鋼套強(qiáng)度分析

在潛孔錘沖擊破巖過(guò)程中，為防止鉆頭回彈，鉆機(jī)會(huì)施加一個(gè)鉆壓。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況研究，氣動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn)的最優(yōu)鉆壓為20～25 kN[5-6]。減振器在沖擊載荷作用下，橡膠圈組通過(guò)軸向和徑向變形吸收振動(dòng)能量，橡膠圈在鋼套內(nèi)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，摩擦力和橡膠徑向變形產(chǎn)生的力均由鋼套承受，鋼套容易發(fā)生塑性變形。現(xiàn)按最大鉆壓為25 kN，分析鋼套應(yīng)力分布。

建立減振器有限元模型，如圖3所示。

1 — 花鍵芯軸； 2 — 花鍵外筒； 3 — 鎖母； 4 — 橡膠圈組； 5 — 鋼套； 6 — 減振殼體； 7 — 軸端螺母

橡膠的基本力學(xué)特性和顯著特點(diǎn)是大變形和超彈性。根據(jù)各項(xiàng)同性假設(shè)，將橡膠視為不可壓縮的超彈性材料。橡膠本構(gòu)模型采用Mooney-Rivlin，應(yīng)變能密度簡(jiǎn)化模型可以表示為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W為橡膠應(yīng)變能密度；I1、I2為第一和第二偏應(yīng)變不變量；C10、C01為Mooney-Rivlin系數(shù)。

令λ1、λ2、λ3為x1、x2、x3等3個(gè)主方向的拉伸比，則

(2)

式中：I3為第三偏應(yīng)變不變量。由于橡膠的不可壓縮性，I3=1。由式(2)可得：λ2λ3=1λ1。

橡膠主應(yīng)力ti與主伸長(zhǎng)比λi之間的關(guān)系[7]為：

(3)

由式(3)可推出：

(4)

(5)

y=C10+C01x

(6)

其中，C10為該直線的截距，C01為該直線的斜率。擬合得出C10=0.494 7，C01=0.063 9。

減振器零件用材及其參數(shù)：花鍵芯軸使用42CrMo，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.280，屈服強(qiáng)度為930 MPa；花鍵外筒、鎖母、減振殼體和軸端螺母均使用45鋼，其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為355 MPa；鋼套使用40Cr，其彈性模量為211 GPa，泊松比為0.277，屈服強(qiáng)度為785 MPa。這些零件材料的密度均為7 850 kgm3。

對(duì)橡膠圈組網(wǎng)格采用六面體掃掠畫(huà)法，單元類型選擇C3D8RH，劃分為87 220個(gè)單元。對(duì)鋼套網(wǎng)格采用六面體掃掠畫(huà)法，單元類型選擇八節(jié)點(diǎn)六面體單元，減縮積分(C3D8R)，劃分為2 280個(gè)單元。分析步，采用靜力學(xué)分析步。接觸方式，按surface to surface。橡膠與鋼套的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取值為0.7。

鋼套的Von Mises應(yīng)力分布如圖4所示，應(yīng)力沿軸向逐漸遞減，固定端母線開(kāi)口處應(yīng)力最大。這是因?yàn)橄鹉z在靜壓作用下沿徑向和軸向變形，橡膠與鋼套間的動(dòng)摩擦力壓緊鋼套端面，加上橡膠徑向變形膨脹力的作用，固定端母線開(kāi)口處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，Von Mises應(yīng)力為35.39 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度(785 MPa)。鋼套強(qiáng)度滿足工程使用要求。

圖4 鋼套Von Mises應(yīng)力分布

3.2 花鍵芯軸動(dòng)力學(xué)分析

花鍵芯軸的結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程為：

={F(t)}

(7)

式中：[M]、[K]、[C]分別為質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣；x(t)、F(t)分別為位移和激振力。

結(jié)構(gòu)的固有頻率與阻尼和外載無(wú)關(guān)。忽略阻尼和激勵(lì)載荷，得無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

(8)

令x(t)=Xejωt，代入式(8)，得：

([K]-ω2[M])X=0

(9)

由于花鍵芯軸自由振動(dòng)時(shí)振幅不全為零，式(9)具有非零解的唯一條件為：

|[K]-ω2[M]|=0

(10)

建立花鍵芯軸有限元模型，如圖5所示。網(wǎng)格采用六面體掃掠畫(huà)法，單元類型選擇八節(jié)點(diǎn)六面體單元，減縮積分(C3D8R)，劃分為12 438個(gè)單元。

圖5 花鍵芯軸有限元模型

將花鍵芯軸錐螺紋圓錐面與參考點(diǎn)RP1進(jìn)行耦合。RP1處只留軸向位移自由度，其他自由度全約束?；ㄦI芯軸的前6階振型如圖6所示。

通過(guò)振型圖，可得花鍵芯軸前6階固有頻率和主振型(見(jiàn)表1)。

由于減振器工作時(shí)花鍵芯軸可以軸向振動(dòng)，花鍵芯軸存在剛體位移，因此1階固有頻率為0。氣動(dòng)潛孔錘在硬巖層鉆井施工中，沖擊頻率約為27 Hz，轉(zhuǎn)速一般為20 rmin，均避開(kāi)了花鍵芯軸振動(dòng)的固有頻率，這樣減振器正常工作時(shí)花鍵芯軸不會(huì)發(fā)生共振。

圖6 花鍵芯軸的前6階振型

表1 花鍵芯軸前6階固有頻率和主振型

4 控向鉆進(jìn)鉆具組合

氣動(dòng)潛孔錘正常鉆進(jìn)時(shí)，錘頭在高壓氣體作用下不斷沖擊破碎巖石，動(dòng)力頭帶動(dòng)井下鉆具作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在硬巖層的轉(zhuǎn)速為10～30 rmin[8]。將隨鉆測(cè)量?jī)x置于無(wú)磁環(huán)境下測(cè)斜[9]，軌跡出現(xiàn)偏斜時(shí)，通過(guò)彎殼體1°～2°的角度進(jìn)行糾正。在大斜度煤礦井，氣動(dòng)潛孔錘控向鉆進(jìn)的鉆具主要由減振提速裝置、有線導(dǎo)向系統(tǒng)和氣動(dòng)潛孔錘組成(見(jiàn)圖7)?？叵虿襟E為：(1) 潛孔錘停止轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整彎殼體的夾角一側(cè)朝向預(yù)定軌道方向；(2) 潛孔錘沖擊鉆進(jìn)至回歸預(yù)定軌道；(3) 潛孔錘繼續(xù)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

1 — 大斜度鉆機(jī)； 2 — 動(dòng)力頭； 3 — 氣盒子； 4 — 泡沫泵；5 — 空壓機(jī)； 6 — 單壁導(dǎo)電鉆桿； 7 — 扶正器； 8 — 無(wú)磁鉆鋌；9 — 探棒腔； 10 — 無(wú)磁鉆鋌； 11 — 減振提速裝置；12 — 彎殼體； 13 — 氣動(dòng)潛孔錘

氣動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn)產(chǎn)生的縱向振動(dòng)和沖擊能量，由減振器中橡膠圈組不斷變化的行程將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，從而減緩振動(dòng)沖擊；同時(shí)，橡膠受壓變形，其內(nèi)部分子之間的摩擦使橡膠具有一定的阻尼[10]，激勵(lì)載荷產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使橡膠分子之間摩擦增大，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，減少鉆具的縱向振動(dòng)，從而提高有線導(dǎo)向系統(tǒng)控向精度。使用這套控向鉆進(jìn)鉆具組合在硬煤層鉆進(jìn)，與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)[11]相比，可提速3～5倍。

利用設(shè)計(jì)的減振提速系統(tǒng)，可有效抑制氣動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的縱向振動(dòng)，保持一定的沖擊頻率穩(wěn)定鉆進(jìn)，提高鉆具使用壽命和潛孔鉆進(jìn)效率。有線導(dǎo)向系統(tǒng)密封性能好、接觸導(dǎo)電可靠，配合彎殼體進(jìn)行測(cè)斜糾偏，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)潛孔錘控向鉆進(jìn)，可解決硬煤層大斜度井原鉆孔施工方法控向難、效率低的問(wèn)題。