液壓式隨鉆震擊器設(shè)計

液壓式隨鉆震擊器設(shè)計班級：姓名：學(xué)號：摘要：在油氣開采過程中，當(dāng)鉆具發(fā)生卡鉆時，采用隨鉆震擊器進(jìn)行解卡是最為有效和經(jīng)濟(jì)的方法。隨鉆震擊器工作可靠性是保證鉆具能否進(jìn)行有效解卡的前提，得到了廣泛的應(yīng)用。液壓式隨鉆震擊器具有鉆井中易于調(diào)整釋放力、密封結(jié)構(gòu)好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，解決了目前國內(nèi)機(jī)械式隨鉆震擊器入井后的不可調(diào)控的問題，擁有了第一時間處理卡鉆事故的能力，實(shí)現(xiàn)了石油鉆井工程的連續(xù)性和便捷性，大幅降低了國內(nèi)石油鉆井的成本。本次設(shè)計是對液壓式隨鉆震擊器的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括總體方案設(shè)計、心軸總成設(shè)計、外筒總成設(shè)計等。以液壓式隨鉆震擊器為研究對象，對其結(jié)構(gòu)形式、上下?lián)舻墓ぷ髟磉M(jìn)行分析，確定各工況下力和扭矩的傳遞路線和各部件的受載情況。設(shè)計出一款121型的液壓式隨鉆震擊器，對其設(shè)計方法進(jìn)行研究，以材料力學(xué)的方法對各零件進(jìn)行強(qiáng)度校核和扭轉(zhuǎn)校核。關(guān)鍵字：液壓式，隨鉆震擊器，結(jié)構(gòu)設(shè)計。ABSTRACT:Intheprocessofoilandgasexploitation,whenthedrillstickingoccurs,itisthemosteffectiveandeconomicalmethodtousethewhile-drillingjartoreleasethesticking.TheworkingreliabilityoftheMWDjaristhepremisetoensurethatthedrillingtoolcanbeeffectivelyunscrewed,andithasbeenwidelyused.HydraulicMWDjarhastheadvantagesofeasyadjustmentofreleaseforce,goodsealingstructureandstableperformanceindrilling.ItsolvestheunregulableproblemofdomesticmechanicalMWDjarafteritentersthewell,hastheabilitytodealwithStickingAccidentinthefirsttime,realizesthecontinuityandconvenienceofoildrillingengineering,andgreatlyreducesthecostofdomesticoildrilling.Thisdesignistheoverallstructuredesignofhydraulicwhiledrillingjar,includingtheoverallschemedesign,mandrelassemblydesign,outercylinderassemblydesignandsoon.Takingthehydraulicwhiledrillingjarastheresearchobject,thestructureandworkingprincipleofthejarareanalyzed,andthetransmissionroutesofforceandtorqueandtheloadingconditionsofeachcomponentunderdifferentworkingconditionsaredetermined.A121hydraulicwhiledrillingjarisdesigned,anditsdesignmethodisstudied.Thestrengthandtorsionofeachpartarecheckedbymaterialmechanicsmethod.Keywords:hydraulic,whiledrillingjar,structuraldesign.目錄1緒論………………………11.1研究的目的和意義………11.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀………21.2.1震擊器分類與特點(diǎn)…………………21.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………………32液壓式隨鉆震擊器設(shè)計……………………122.1液壓式隨鉆震擊器的總體結(jié)構(gòu)……………122.2液壓式隨鉆震擊器的工作原理……………142.3液壓式隨鉆震擊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………162.3.1總體方案設(shè)計…………162.3.1.1材料的選取………162.3.1.2壁厚設(shè)計…………172.3.1.3延時機(jī)構(gòu)設(shè)計………202.3.1.4總行程設(shè)計…………242.3.2心軸總成設(shè)計…………252.3.2.1花鍵心軸設(shè)計………262.3.2.2中間心軸設(shè)計………292.3.2.2下心軸設(shè)計…………312.3.3外筒總成設(shè)計…………322.3.3.1上閥外筒設(shè)計………332.3.3.2花鍵外筒設(shè)計………352.4本章小結(jié)……………………37緒論1.1研究的目的和意義小井眼側(cè)鉆技術(shù)是采油過程中一個重要的組成部分,是對低滲透油、裂縫油藏、邊際油成層和死油中的剩余油開采的十分有效的方法。但由于小井眼的環(huán)空間隙小,工具尺寸受限,再加上在鉆完井中,由于工作人員的錯誤(如停泵時間過長、工具使用不當(dāng)?shù)?因素以及由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜(如井壁坍塌、裸眼中地層的塑性流動和擠壓等)因素往往會發(fā)生鉆井工具遇卡、斷裂或落入井底的情況;這時需要人們對其進(jìn)行井下打撈作業(yè)[1]。常見的卡鉆類型[23有粘吸卡鉆、坍塌卡鉆、壓差卡鉆、砂橋卡鉆、泥包卡鉆、縮徑卡鉆、鍵槽卡鉆、落物卡鉆。而對于卡鉆的處理方法也較多,如活動解卡、震擊解卡、倒扣解卡、套銑解卡、浸泡解卡、磨蝕解卡、爆炸解卡等。具體解卡需根據(jù)卡鉆的類型、原因、卡點(diǎn)深度等綜合因素分析研究來選擇適合的解卡方式,解除卡鉆事故。隨鉆震擊器是一種隨著鉆具一起鉆井,當(dāng)井下卡鉆事故發(fā)生時,可隨時讓隨鉆震擊器工作,對卡點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力,達(dá)到解卡目的。而隨鉆震擊器主要使應(yīng)用井深大多數(shù)在3000m以上而隨著深井、超深井以及水平井、大位移井、多分支井、叢式井等復(fù)雜井況的增加,而且隨鉆震擊器本身也是傳遞動力,運(yùn)送泥漿的井下工具,因此在應(yīng)用方面越來越廣泛。本論文的研宄目的:通過對震擊器的解卡原理和對震擊器結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行分析和研宄,設(shè)計一套結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越的上下?lián)粢惑w全液壓式隨鉆震擊器。針對其內(nèi)溢流單向閥密封性、花鍵軸向移動摩阻大等缺陷進(jìn)行改進(jìn),提高震擊器的可靠性,降低作業(yè)成本。本論文的研宄意義:由于近年來小井眼側(cè)鉆井下事故趨于復(fù)雜,處理難度增加,常規(guī)的震擊器在現(xiàn)場運(yùn)用達(dá)不到理想解卡效果,甚至造很嚴(yán)重的井下事故。本論文主要是針對國內(nèi)小井眼的震擊器沒有專門方面的研宄設(shè)計,通過對液壓隨鉆震擊器結(jié)構(gòu)及工作原理的分析和研究,優(yōu)化液壓震擊器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計,在提高震擊器的震擊力、結(jié)合震擊性技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,達(dá)到對今后震擊器的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)、提髙國內(nèi)震擊器的自主開發(fā)能力的目的。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1震擊器分類與特點(diǎn)震擊器目前研宄有以下幾種分類(圖1-1):隨鉆震擊器的工具和結(jié)構(gòu)分為機(jī)械式、液壓式和連續(xù)震擊器;其共同特點(diǎn)為:(1)隨鉆震擊器是連接到鉆柱上,必須能夠循環(huán)鉆井液,故在其震擊器中心須設(shè)置循環(huán)鉆井液的通道。(2)隨鉆震擊器在正常鉆井過程中需要傳遞工作扭矩,花鍵心軸與花鍵外筒之間不能夠有相對周向運(yùn)動。(3)需要有儲能機(jī)構(gòu),把鉆柱由于拉伸或者壓縮產(chǎn)生的彈性變形能蓄能。當(dāng)其解鎖釋放,將彈性勢能轉(zhuǎn)換為動能。(4)要有高強(qiáng)度的密封機(jī)構(gòu),使震擊器的內(nèi)外液體不能相互泄漏,以保證震擊器的工作性能。(5)要有震擊偶,保證撞擊體必須撞擊到承擊體上,產(chǎn)生震擊力。(6)要有連接機(jī)構(gòu),震擊器的上下接頭需有螺紋與鉆柱連接。1.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)60年代就開始對鉆井過程中卡鉆問題的研宄。1962年Annis和Monaghan對壓差卡鉆問題進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價研宄[7],得出結(jié)果指出摩阻及泥餅質(zhì)量對卡鉆問題有重要的影響因素。Kingsborough、引入數(shù)學(xué)的分析方法采用多元統(tǒng)計的分析方法研宄卡鉆事故,Biegler、Kuhn[9]進(jìn)一步把多元統(tǒng)計方法引入卡鉆事故的預(yù)測分析研究中。1.2.2.1國外研究現(xiàn)狀早期對震擊器是基于彈性波理論和動力學(xué)結(jié)合的方法得出震擊力的計算公式,國外方面,在1979年由skeem[1C)]等人發(fā)表第一篇有意義的震擊研究著作。建立震擊解卡模型,基于一維波彈性理論得出震擊過程中的沖擊力以及預(yù)測沖擊時間等。1987年由AskewW.E[II]運(yùn)用有限元法模擬震擊時在不同的井下鉆具組合、不同井下深度工作情況,得到位移、速度、加速度以及沖擊力的變化曲線。1990年由KyllingstadA[l2]等做了關(guān)于震擊器性能測試的研宄,得出了運(yùn)用過程中可能出現(xiàn)的問題。隨著水平井、大位移井的發(fā)展,1994年挪威作者AarreStadTV[14]等基于一維波理論分析了震擊作用鉆柱上的載荷作用情況,對鉆柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),指出在較大摩阻(大位移井、水平井)計算時,采用傳統(tǒng)的附加10%的鉆柱重量方法會產(chǎn)生較大的誤差。2009年,NewmanK.R[15]等根據(jù)真實(shí)井況建立鉆柱模型,考慮摩擦阻尼將每根鉆桿考慮成12自由度的桿單元模型,進(jìn)行模擬震擊解卡過程,得出鉆桿卡點(diǎn)處的響應(yīng)。國外震擊器生產(chǎn)起步比國內(nèi)早,目前國外主要來自Weatherford、Halliburton、Bowen、NationalOilwell、Bake等廠家的產(chǎn)品。Weatherford公司的隨鉆震擊器威德福公司震擊器(表1-1)主要是分體式隨鉆震擊器,包括上擊器和下?lián)羝?原理同樣采用機(jī)械或者液壓延時機(jī)構(gòu)產(chǎn)生震擊力,下?lián)舨捎脵C(jī)械摩擦原理,謨擊力在井口調(diào)節(jié)好再放入井中。(2)Halliburton公司的隨鉆震擊器哈里伯頓公司的HMD(液壓機(jī)械隨鉆如圖1-2)震擊器(參數(shù)見表1-2)連接在井下鉆具組合上,作為鉆柱的一部分,主要針對在卡鉆情況下對鉆柱進(jìn)行解卡。HMD震擊器是通過司鉆上提或下放管柱產(chǎn)生彈性應(yīng)力,當(dāng)此彈性應(yīng)力得到釋放將產(chǎn)生較大的沖擊力,可以在井下實(shí)現(xiàn)向上和向下兩個方向。產(chǎn)生的沖擊力可以為管柱上提力的3倍。上擊力可以通過司鉆上提力的來控制。下?lián)袅Φ拇笮Q定于預(yù)先設(shè)定的機(jī)械卡瓦解鎖力的大小。機(jī)械卡瓦在井下允許震擊器在工作時處于受拉或受壓力狀態(tài),并且可以按照客戶的要求預(yù)先設(shè)定。圖1-2哈里伯頓震擊器結(jié)構(gòu)1.2.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)早期對震擊器幵始研宄的是1982年大慶鉆井研究所,隨后華東研究所、華北石油管理局對震擊器展幵了研宄,但都是關(guān)于震擊器的操作使用說明及失效分析。1986年陳朝達(dá)等[16][17]對機(jī)械卡瓦式地面震擊器的震擊力作了研宄,將鉆柱的振動簡化為有阻尼的單自由度振動系統(tǒng),得出震擊力的大小。1991年夏元白等[18]運(yùn)用鉆柱的彈性變形的能量轉(zhuǎn)換原理,建立震擊器工作模型,求出震擊過程中的延時計算公式及其心軸延時結(jié)束的最大速度以及剛度的計算方法。2002年張兆德[19_2()]等忽略接頭浮力等影響,將鉆柱考慮為彈性桿,將彈性波理論和動力學(xué)結(jié)合研宄,得出震擊力的計算方法及其相關(guān)影響因素。2008年劉長艷[21]等在考慮鉆柱的摩擦阻尼,鉆井液阻尼及其自重和剛度的振動影響,建立模型,運(yùn)用Rayleigh法得出震擊力的計算公式。2013年羅能等[22]考慮阻尼摩擦等因素建立彈簧單自由度阻尼振動力學(xué)模型,推導(dǎo)出縱向加速的位移方程和速度方程,運(yùn)用能量守恒定理和動量守恒得出震擊力的計算方法。在震擊器作業(yè)過程中,產(chǎn)生的震擊動載荷必須大于粘卡力,才能起到解卡作用。在對影響震擊器的震擊動載荷的大小上,國內(nèi)外一直認(rèn)為:震擊器離卡點(diǎn)越近,產(chǎn)生的震擊動載荷越大;深井解卡比淺井好;增大震擊器的下壓力或者上提力,震擊效果越好。國內(nèi)華東石油教研室[23]早些年對震擊器的工作原理做了介紹,對震擊力做了說明。孫仁甫[24]分析上擊器的工作原理,也推導(dǎo)出動載荷的計算公式。國內(nèi)對震擊器的結(jié)構(gòu)式分析主要有:1991年高洪志[251對上擊器的斷口做了宏觀、微觀的結(jié)構(gòu)分析,對其金相和化學(xué)成分分析得出震擊器材料應(yīng)該更加具有強(qiáng)度,滿足沖擊要求。2007年張宏英[26]設(shè)計出機(jī)械液壓震擊器,并給出液壓式震擊器的設(shè)計校核方法,描述了工作原理。2010年潘志勇[271對震擊器的斷裂接頭進(jìn)行檢查,進(jìn)一步運(yùn)用材料力學(xué)和金相分析得出內(nèi)螺紋比較薄弱,提出合理的設(shè)計方案。2013年范春英[28]對液壓震擊器的阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出改變液壓延時機(jī)構(gòu)的表面材料可有效改善震擊器性能。閆光[29]對震擊器心軸表面腐蝕原因及防護(hù)措施提出了研宄。2016年史紅艷等[3()]對震擊器的卡瓦在震擊過程進(jìn)行了有限元分析。張德榮等[31]通過理論公式與仿真得出震擊器下端在縱向沖擊下的應(yīng)力分析。國內(nèi)廠家首先通過參考國外先進(jìn)的震擊器產(chǎn)品,然后通過測繪、仿制的方式進(jìn)行生產(chǎn),逐步形成自己的產(chǎn)品,相比而言,與國外產(chǎn)品還有一定的差距?，F(xiàn)國內(nèi)主要生產(chǎn)震擊器的廠家有北京石油機(jī)械廠、貴州高峰機(jī)械廠、牡丹江石油機(jī)械有限責(zé)任公司等廠家。(1)北京石油機(jī)械震擊器(參數(shù)見表1-3)YJ-A型隨鉆震擊器是集上、下?lián)粲谝惑w的震擊器,它利用液壓和機(jī)械卡瓦延時原理,吸收兩者延時機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),且在鉆柱中的位置相對比較自由,可以放置子受拉、中和點(diǎn)、受壓等各種應(yīng)力情況位置。該隨鉆震擊器具有CNPC獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán),是北石廠創(chuàng)新產(chǎn)品。QJ-A型隨鉆震擊器是集上、下?lián)粲谝惑w的全機(jī)械式震擊器,該工具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于釋放力可以現(xiàn)場調(diào)解然后下井、定值準(zhǔn)確、拆裝方便。CS型超級上擊器是國內(nèi)先進(jìn)的打撈震擊器,與隨鉆上擊器相比,該工具具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。(2)貴州高峰機(jī)械廠震擊器(參數(shù)見表1-4)YJHM型機(jī)械/液壓隨鉆震擊器(圖1-3)是JYQ型震擊器的的改進(jìn)型。上擊釆用液壓延時震擊,可以實(shí)現(xiàn)噸位的無級調(diào)節(jié),在內(nèi)部的新型液壓閥機(jī)構(gòu)保證了上擊性能更穩(wěn)定可靠;下?lián)舨捎脵C(jī)械卡瓦延時產(chǎn)生震擊,此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)下?lián)魢嵨辉诰鲜謩诱{(diào)節(jié),新型的卡瓦結(jié)構(gòu)采用新型特殊材料,具有更高的力學(xué)性能和安全性,使下?lián)粜阅芨€(wěn)定,延遲了工具的使用壽命。主要用于打定向井、深井等。JZ型機(jī)械式隨鉆震擊器(圖1-4)是集上、下?lián)粲谝惑w的全機(jī)械式震擊器,震擊力可在井上現(xiàn)場調(diào)節(jié);震擊器內(nèi)腔不會產(chǎn)生高壓,震擊效果不受油質(zhì)變化的影響,密封效果也會更好,使用壽命得到延長;在震擊器上配特殊的撓性接頭能有效地降低震擊器自身的彎曲應(yīng)力;主要用于打直井、深井、復(fù)雜井和定向井。QYII型全液壓隨鉆震擊器(圖1-5)是集上、下?lián)粲谝惑w的工具,延時機(jī)構(gòu)均為液壓式,能實(shí)現(xiàn)上擊和下?lián)袅Φ臒o級調(diào)節(jié)。液壓延時儲能機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性好。延時時間一般為范圍:30s240s。工具的使用溫度范圍:-40°C180°C。工具采用了新型特殊材料,具有更高的性能和安全性。普遍用于鉆井、取芯、修井、打撈等?？偨Y(jié)原理大致如下:機(jī)械式上擊器的原理:利用上部鉆具的彈性能進(jìn)行上擊,利用卡瓦(圖1-6)作為鎖緊機(jī)構(gòu),在心軸脫落卡瓦之后,上部鉆具迅速回縮,使心軸臺階撞擊外筒臺階,傳遞給卡點(diǎn),產(chǎn)生震擊力。液壓式震擊器(圖1-7)的原理:利用液壓鎖緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生延時效果,在鉆柱由于拉伸或者壓縮時產(chǎn)生彈性變形,當(dāng)延時行程結(jié)束,鎖緊機(jī)構(gòu)突然釋放,鉆柱的彈性變形能得到釋放，帶動震擊偶發(fā)生碰撞,傳遞給卡點(diǎn)產(chǎn)生震擊力。連續(xù)震擊器[32](圖1-8)的原理:利用鉆井液在井筒內(nèi)憋壓從而使連續(xù)震擊器內(nèi)的彈簧壓縮儲蓄能量,但達(dá)到一定壓力后,壓力突然釋放,彈簧突然回縮產(chǎn)生碰撞,傳遞卡點(diǎn),產(chǎn)生震擊力。第2章液壓式隨鉆震擊器設(shè)計在石油鉆井過程中,由于地層疏松等地質(zhì)構(gòu)造問題或者由于人為的技術(shù)處理不當(dāng)?shù)仍虺３０l(fā)生卡鉆和落魚事故?？ㄣ@對鉆井作業(yè)影響很大,如果處理不當(dāng),不僅消耗時間長,損失鉆井進(jìn)尺,而且可能使事故惡化,甚至造成油氣井報廢。震擊器是用于解決卡鉆事故有效的井下作業(yè)工具,給卡點(diǎn)處強(qiáng)有力的震擊力,使卡點(diǎn)松動,從而解決卡鉆問題。由于其處理卡鉆效率較高,所以在油田得到廣泛使用,對其結(jié)構(gòu)原理設(shè)計具有重要意義。2.1液壓式隨鉆震擊器的總體結(jié)構(gòu)本論文所設(shè)計的單缸雙作用液壓式隨鉆震擊器(圖2-1)是在一個液壓缸內(nèi)完成液壓延時的,能根據(jù)工況的需要隨時調(diào)節(jié)震擊力的大小和震擊方向。該液壓式震擊器包括外筒總成和心軸總成;外筒總成包括花鍵外筒、震擊外筒、上閥外筒、液壓外筒、下閥外筒和下連接頭;心軸總成包括花鍵心軸、中間心軸、下心軸和鎖緊螺帽;在花鍵外筒和上閥外筒分別設(shè)有油堵總成I與II;在花鍵心軸和花鍵外筒間設(shè)有密封裝置I,且在鍵槽的傳力接觸面上設(shè)有鋼珠和鋼珠支撐塊;在中間心軸兩側(cè)分別設(shè)有上、下震擊墊。在液壓外筒與下心軸之間設(shè)置有上、下錐閥總成各一個,兩個錐閥總成單向閥安裝方向相反;上、下錐閥總成包括0型密封圈D、上、下錐閥、彈簧;上、下錐閥總成的錐面分別與上閥外筒、下閥外筒的錐面緊密結(jié)合;在上、下錐閥上均設(shè)有溢流孔和泄油槽。在傳統(tǒng)的震擊器扭矩傳遞機(jī)構(gòu)采用的是花鍵或者柱銷結(jié)構(gòu),但在心軸在受到拉扭組合力時軸向滑動上會出現(xiàn)較大的摩擦阻力,使工具心軸不能相對于外筒產(chǎn)生滑動而導(dǎo)致工具失效,為了避免這些問題,本震擊器內(nèi)部的帶滾動體的花鍵結(jié)構(gòu)(圖2-2)可實(shí)現(xiàn)在拉扭或壓扭工況下的軸向低摩阻滑動。同時較以往的閥體結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)的改進(jìn),帶預(yù)密封的錐閥總成(圖2-3)可實(shí)現(xiàn)徑向定位、降低閥體磨損、增強(qiáng)延時效果、提高震擊力。同時本震擊器采用單缸液壓腔,便于裝配和對其液壓腔內(nèi)的零件同時進(jìn)行維修工作。本文設(shè)計外徑為89mm的液壓式隨鉆震擊器設(shè)計按照震擊器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY-T5496-2010震擊器及加速器》[33]中的要求設(shè)計,基本參數(shù)如表2-1所示。表2-1液壓式隨鉆震擊器基本參數(shù)外徑內(nèi)徑總行程上擊釋放力下?lián)翎尫帕宇^螺紋許用工作拉力許用工作扭矩121mm51mm178-305mm360KN190KNNC261400KN13KN.m2.2液壓式隨鉆震擊器的工作原理該單缸雙作用液壓式隨鉆震擊器[34]的工作原理如下:正常鉆進(jìn)時,花鍵心軸(1)將其鉆機(jī)施加到鉆具的扭矩通過鋼珠(19)和鋼珠支撐塊(20)傳遞給花鍵外筒(2),然后通過震擊外筒(6)、上閥外筒(10)、液壓外筒(15)、下閥外筒(16)及其下連接頭(18),進(jìn)而傳遞給下連接頭(18)相連接的鉆具。當(dāng)井下發(fā)生卡鉆事故時,本震擊器采用液壓油泄漏阻尼原理,具體闡述產(chǎn)生震擊力的工作原理如下:上擊時,需向上提拉鉆柱,下心軸(12)的臺階向上運(yùn)動與上錐閥總成(14-1)內(nèi)孔接觸,此時下心軸(12)的臺階與上錐閥總成(14-1)內(nèi)孔為具有密封特性的間隙配合,能產(chǎn)生上錐閥總成(14-1)外錐面與上閥外筒(10)的內(nèi)錐面結(jié)合的壓力,也能阻止液壓油從下心軸(12)上泄露,此時液壓油只能從上錐閥(30-1)的溢流孔(32)通過,使液壓外筒(15)和下閥外筒(16)內(nèi)部形成高壓腔,產(chǎn)生的壓力進(jìn)而更加使上錐閥(30-1)的錐面緊緊壓在上閥外筒(10)的內(nèi)錐面上,密封效果更好,當(dāng)高壓腔形成后完成鉆柱的儲能;同時下密封裝置II(11-2)由于下腔空間變大,在心軸內(nèi)部液壓的壓力下向上運(yùn)動,避免下腔為抽拉真空現(xiàn)象;當(dāng)下心軸(12)的臺階緩慢通過上錐閥(30-1)的內(nèi)孔時,高壓腔突然泄壓,釋放鉆柱的儲能,鉆柱瞬間回縮,通過心軸總成帶動上震擊墊(7)碰撞花鍵外筒(2)的臺階,完成上擊。復(fù)位時,將鉆柱緩慢向下放,當(dāng)下心軸(12)的臺階通過上錐閥總成(14-1)的內(nèi)孔時,鉆柱帶動上錐閥(30-1)壓縮彈簧(31),液壓油通過上錐閥(30-1)的錐面和上閥外筒(10)的內(nèi)錐面的間隙,再通過上錐閥(30-1)的外部孔和上錐閥(30-1)下部的泄油槽(33),使下放鉆柱不產(chǎn)生阻力,當(dāng)下心軸(12)的臺階通過上錐閥總成(14-1)時,完成復(fù)位。下?lián)魰r,需向下壓縮鉆柱,下心軸(12)的臺階向上運(yùn)動與下錐閥總成(14-2)內(nèi)孔接觸,此時下心軸(12)的臺階與下錐閥總成(14-2)內(nèi)孔為具有密封特性的間隙配合,能產(chǎn)生下錐閥總成(14-2)外錐面與下閥外筒(16)的內(nèi)錐面結(jié)合的壓力,也能阻止液壓油從下心軸(12)上泄露,此時液壓油只能下錐閥(30-2)的溢流孔(32)通過,使液壓外筒(15)和上閥外筒(10)內(nèi)部形成高壓腔,產(chǎn)生的壓力進(jìn)而更加使下錐閥(30-2)的錐面緊緊壓在下閥外筒(16)的內(nèi)錐面上,密封效果更好,當(dāng)高壓腔形成后完成鉆柱的儲能;同時上密封裝置II(11-1)由于下腔空間變大,在心軸內(nèi)部液壓的壓力下向上運(yùn)動,避免下腔為抽拉真空現(xiàn)象;當(dāng)下心軸(12)的臺階緩慢通過下錐閥(30-2)的內(nèi)孔時,高壓腔突然泄壓,釋放鉆柱的儲能,鉆柱瞬間伸長,通過心軸總成帶動下震擊墊(9)碰撞震擊外筒(6)的臺階,完成下?lián)簟Ｈ缓罄^續(xù)復(fù)位,然后可以產(chǎn)生向上或者向下的震擊力。2.3液壓式隨鉆震擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計對于液壓式隨鉆震擊器進(jìn)行設(shè)計時,應(yīng)對其進(jìn)行整體規(guī)劃,按照相關(guān)的設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)計,對于其重要部位如延時機(jī)構(gòu)、行程等因素應(yīng)先考慮,這些對于后面的零件設(shè)計具有指導(dǎo)性意義。2.3.1總體方案設(shè)計2.3.1.1材料的選取液壓式隨鉆震擊器在井下有正常鉆進(jìn)和卡鉆時的上提、下壓等工況,由于產(chǎn)生的震擊力對于其本身來說會有較大的沖擊載荷,所以對于本身的材料選取具有較為嚴(yán)格的要求,必須具備較高的抗拉抗扭強(qiáng)度,不然會導(dǎo)致工具失效,帶來更加嚴(yán)重的后果。本次所設(shè)計的液壓式隨鉆震擊器按照震擊器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY-T5496-2010震擊器及加速器》[33]中的要求進(jìn)行設(shè)計,外徑為121mm,具體材料要求可以參照表2-2。為了滿足對標(biāo)準(zhǔn)的材料性能要求,選取了石油鉆具合金鋼38CrMoAl[35]作為外筒、心軸的材料;因?yàn)榇瞬牧暇哂休^高的強(qiáng)度和耐沖擊性,且具有較好的耐腐蝕性。鉆具合金鋼38CrMoAl材料參數(shù)如表2-3,能滿足上述表2-2對于震擊器材料的要求。對于閥體的選擇,首先要求具有較好的耐磨性,因?yàn)樾妮S和閥體內(nèi)孔是密封特性的間隙配合,在工作狀態(tài)下是連續(xù)性滑動;其次要求具有較高的強(qiáng)度,因?yàn)樵诒飰浩陂g需承受較大的壓力?？紤]其經(jīng)濟(jì)性和工程上常用的材料,選取了鋁青銅QA110-4-4[36]作為閥體的材料,具體材料性能參數(shù)如表2-4。2.3.1.2壁厚設(shè)計按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY-T5496-2010震擊器及加速器》的要求,外徑為121mm的震擊器對應(yīng)的水眼直徑為51mm,外徑即為震擊器外筒總成的外徑121mm,內(nèi)徑即為心軸總成的內(nèi)徑大小為51mm。本節(jié)需對外筒總成的內(nèi)徑和心軸總成的外徑確定其尺寸大小,以滿足其強(qiáng)度要求。(1)外筒總成壁厚設(shè)計震擊器外筒在實(shí)際工況下會有第2.2節(jié)工作原理中敘述的幾種工況,其中外筒總成在需要震擊時的許用拉力作用下承受的軸向拉應(yīng)力最大,而在正常的鉆進(jìn)過程中的軸向載荷相對于扭矩載荷來說可以忽略不計,所以本次考慮主要是許用拉力下的軸向載荷和正常鉆進(jìn)下的扭矩載荷對于外筒總成的壁厚進(jìn)行設(shè)計,使能滿足其強(qiáng)度要求。1)許用工作拉力在許用工作拉力作用下,外筒總成受到拉力的作用,按照材料力學(xué)的理論對其進(jìn)行設(shè)計。式中—外筒總成的軸向應(yīng)力,MPaF—軸向載荷,以許用工作拉力F=[F]=1400KN;Dw—外筒總成的外徑,mm;dw一外筒總成的內(nèi)徑,mm;—許用工作拉應(yīng)力,對于38CrMoAl取安全系數(shù)1.5,=653.3MPa。已知外筒總成的外徑為121mm,則代入式(2-1),可得出內(nèi)徑需滿足:(2-2)2)許用工作扭矩外筒總成受到來自轉(zhuǎn)盤傳遞的扭矩,然后傳遞于井下,在正常鉆進(jìn)時承受的扭矩最大,按照材料力學(xué)的理論對其扭矩強(qiáng)度校核,得出外筒總成的最小壁厚。式中一扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,MPa;T—外筒所受的許用扭矩,T=[T]=13KN·m;則其外筒內(nèi)徑應(yīng)滿足(2-4)綜上,要使壁厚既能滿足許用工作拉力時dw≤109mm,又要能滿足許用工作扭矩的強(qiáng)度要求時dw≤119.9mm,需取dw≤109mm,所以外筒總成的外徑為121mm;內(nèi)徑dw≤109mm。（2）心軸總成壁厚設(shè)計心軸總成在上提下放時所受載荷最大,由于上擊所受釋放力是下?lián)翎尫帕Φ膬杀?這里統(tǒng)一以上擊釋放力作為最大載荷計算,至于其中的花鍵心軸受力復(fù)雜,待具體設(shè)計時進(jìn)行研宄。按照材料力學(xué)的計算公式進(jìn)行校核,對其壁厚進(jìn)行設(shè)計:F—軸向載荷,以上擊釋放力最大,F=Fs=360KN;Dx—心軸總成的外徑,mm;Dx—心軸總成的內(nèi)徑,mm;心軸總成的內(nèi)徑為51mm,代入式2-5可得以上是以材料力學(xué)的拉壓強(qiáng)度校核得出心軸總成的最小外徑Dx=57.5mm,心軸總成內(nèi)徑為固定值51mm。2.3.1.3延時機(jī)構(gòu)設(shè)計延時機(jī)構(gòu)的設(shè)計對于水平井、大位移井是一個比較重要的參數(shù),受到摩阻、提拉速度以及大小的限制,延時機(jī)構(gòu)對于震擊力的大小產(chǎn)生很大的影響,所以提高其延時性能對于震擊器的功效來說是至關(guān)重要。(1)閥體總成設(shè)計閥體總成本身相當(dāng)于一個限流機(jī)構(gòu),能使高壓油緩慢的通過其內(nèi)部的溢流孔,使震擊器心軸總成鎖緊,上部鉆桿在拉、壓力的作用下使其伸長或者壓縮產(chǎn)生彈性勢能,達(dá)到儲能目的。由第2.3.1.2節(jié)對于外筒總成和心軸總成的內(nèi)外徑進(jìn)行了大致的計算,先設(shè)計心軸總成在和閥體內(nèi)孔配合憋壓段的外徑為72mm,外筒總成和閥體總成軸向定位段的內(nèi)徑為92mm。所以先設(shè)計閥體的大致結(jié)構(gòu)設(shè)計外徑Df為92mm,內(nèi)徑df為72mm,上閥體長度Lf為40mm,溢流孔大小d1為1.5mm,錐面角為60°,彈簧支撐處長度為10mm。（2）憋壓強(qiáng)度計算閥體在憋壓情況下受力圖如圖2-5所示,一端受到高壓液壓油的壓強(qiáng)P作用,另一端與外筒總成的內(nèi)徑錐面貼合受到力的作用,使整個閥體總成處于平衡狀態(tài)。對其憋壓強(qiáng)度進(jìn)行計算:式中P—憋壓強(qiáng)度,MPa;F—釋放力,上擊釋放力大小為360KN;下?lián)翎尫帕Υ笮?90KN;A—有效憋壓作用面積,，D為外筒總成的最大內(nèi)徑,D=100mm;d—心軸總成的最小外徑，d=68mm。計算可得出上擊、下壓的憋壓強(qiáng)度:PS=Fs/A=85.26Mpapx=FX/A=45Mpa式中Ps—上擊憋壓強(qiáng)度,MPa;Px—下?lián)舯飰簭?qiáng)度,MPa。由于外筒總成和閥體總成以及心軸總成組成的腔需承受瞬時高壓腔,有必要對其缸體內(nèi)爆破壓力進(jìn)行校核,爆破壓力一般在壓力容器內(nèi)產(chǎn)生的壓力能使容器破裂的值,在工程問題上一般采用的福貝爾經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算,其具體計算公式如下:式中Pb—爆破壓力,MPa;σs—材料的屈服強(qiáng)度,MPa;對于38CrMoAl,σs=835MPa;σb—材料的拉伸強(qiáng)度,MPa;對于38CrMoAl,σb=980MPa;K—內(nèi)外徑比,Kw=1.21;Kx=1.33;代入數(shù)據(jù)可得:外筒總成的爆破壓力:Pwb=210.99Mpa;心軸總成的爆破壓力:Pxb=315.65Mpa。由于Ps<Pwb,Px<Pxb,故此高壓腔設(shè)計滿足要求。另外需對其缸體內(nèi)的壓力強(qiáng)度校核,由于上擊壓力比較大,故以此值進(jìn)行計算,其強(qiáng)度校核公式如下:式中σt一腔內(nèi)外筒總成內(nèi)壁和心軸總成外壁所受的應(yīng)力,MPa;P—腔內(nèi)的最大壓力,MPa;P=Ps=85.26MPa;[σ]_許用應(yīng)力,MPa;對于38CrMoAl,[σ]=653.3MPa。計算得出外筒總成內(nèi)壁所受應(yīng)力:σwt=452.68Mpa<[σ]計算得出心軸總成內(nèi)壁所受應(yīng)力:σxt=307.03Mpa<[σ]故此液壓高壓腔滿足其承壓強(qiáng)度要求。(3)憋壓流量大小閥體中溢流小孔在憋壓階段通過的液壓流量大小可以根據(jù)流體力學(xué)[37_38]公式計算,經(jīng)過小孔的流量q:式中q一小孔流量大小,mm3/s;l—小孔長度,mm;d—小孔直徑,mm;v—油液的運(yùn)動粘度,mm2/s;本次采用抗磨型礦物液壓油,其型號為L-HM32礦物油型液壓油,當(dāng)溫度位于30°-150°時,不同的溫度下運(yùn)動粘度n為指數(shù),當(dāng)t=60時,n=1.97;得出V60=14.396mm2/s。?P—閥體上下的壓差,MPa;上擊壓差Ps=85.26MPa,下?lián)魤翰頟x=45MPa。代入數(shù)據(jù)可得出:上閥體憋壓時溢流孔的流量:qs=8176.47mm3/s下閥體憋壓時溢流孔的流量:qx=4315.52mm3/s2.3.1.4總行程設(shè)計(1)心軸憋壓長度設(shè)計圖2-6所示為在上提心軸總成時的下心軸臺階進(jìn)入憋壓區(qū)到離開時的示意圖,從圖中可以看出憋壓行程的長度等于閥體的長度加上臺階的長度。根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可知延時時間需大于30s,故結(jié)合流量和閥體的長度,可以計算出臺階的長度。在延時過程中,從閥體溢流孔中通過的流量可以用下式計算得出:式中g(shù)—通過溢流孔的流量,mm3/s;F—通過溢流孔的體積,mm3;t一延時時間,s;D一外筒總成外徑,mm;D=108mm;d一心軸內(nèi)徑,mm;d=66mm;Lt一下心軸臺階長度,mm;l一溢流孔長度,l=40mm。已知延時時間大于30s,故可得出將其上閥通過溢流孔的流量代入可得出Lt≥50.1mm,故取Lt=60mm能滿足要求。(2)總行程的確定震擊器心軸在憋壓段的行程加上震擊沖程等于震擊器的單向行程,在此設(shè)計向震擊沖程Lsc=80mm,Lxc=80mm,則上擊行程為:L上=Lsc+Lt+l=180mm下?lián)粜谐?L下=Lxc+Lt+l=180mm在震擊器作業(yè)時需滿足兩腔不能同時憋壓,已從工作原理上得以解決,則震擊器的總行程L總:L總=L上+L下=360mm2.3.2心軸總成設(shè)計心軸總成包括花鍵心軸、中間心軸、下心軸和鎖緊螺帽;其中花鍵心軸能將上端鉆桿傳遞的扭矩傳遞給花鍵外筒,也能將其拉壓力傳遞給下面的中間心軸,其上設(shè)有上震擊墊;中間心軸設(shè)有下震擊墊,其延長心軸的作用,設(shè)計較為簡單;下心軸參與上下憋壓工作,承受上、下釋放力;鎖緊螺帽連接在下心軸上,也參與憋壓過程,設(shè)計較簡單,這里不作詳細(xì)敘述。2.3.2.1花鍵心軸設(shè)計花鍵心軸在震擊器中為動力輸入端,其上端通過標(biāo)準(zhǔn)的螺紋連接鉆鋌,下端通過螺紋連接中間心軸,傳遞來自上部鉆桿的軸向載荷。震擊作業(yè)時外筒花鍵需在其表面進(jìn)行滑動,故需設(shè)置滑動路程,且上震擊墊也設(shè)置在花鍵心軸上,應(yīng)預(yù)留其長度,在對其滑動花鍵設(shè)計時應(yīng)考慮其花鍵長度和寬度,滿足其強(qiáng)度要求。花鍵心軸結(jié)構(gòu)圖如圖2-7所示,下面對其具體的尺寸大小作進(jìn)一步設(shè)計。(1)各尺寸的確立①花鍵心軸的外徑D1和水眼直徑D2,臺階長度L;根據(jù)震擊器設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)可知,標(biāo)稱外徑為121mm,水眼直徑為51mm,接頭螺紋為NC26,故外徑D1=121mm,D2=51mm,D1內(nèi)的螺紋長度為92.8mm,設(shè)置L1=110mm。②L2、L3、L4、L6長度及其D3、D4、D6、α的確定;因?yàn)檎饟羝鞯男谐涕L度L總=360mm,故設(shè)置滑動長度L2=390mm;花鍵長度L3大于震擊行程長度和花鍵實(shí)際傳力段長度的和,故設(shè)置L3=540mm,L4的長度為上震擊墊長度,故設(shè)計長度L4=10mm,花鍵心軸的寬度需考慮扭矩的大小,設(shè)置L6=10mm,D4為花鍵的直徑,考慮其式(2-3)及其式(2-5),將其設(shè)置為D4=80mm,D3為滑動外徑,需比D4大,將其設(shè)置為D3=90mm,其α=12°,D6為花鍵內(nèi)部滾珠的大小,考慮其寬度的大小,將其設(shè)置為D6=6mm。③L5及其D5的確定震擊器對于螺紋有較高的要求,需考慮其強(qiáng)度,抗腐等要求,還需滿足抗震擊的要求。本次對于花鍵心軸下端螺紋設(shè)計選用梯形螺紋Tr70X3。④總長L=L1+L2+L3+L4+L5=1060mm,其尺寸如表2-5所示。表2-5花鍵心軸尺寸表軸向尺寸L1L2L3L4L5L6總長L1103905251040101075徑向尺寸D1D2D3D4D5D6角度α12151908070612°（2）螺紋強(qiáng)度校核花鍵心軸下端采用的梯形螺紋Tr70X4能實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下的軸向力的傳遞,以許用工作拉力最大,直螺紋連接需對其螺紋副的抗擠壓、抗剪切、抗彎曲等強(qiáng)度校核。螺紋副抗擠壓強(qiáng)度校核根據(jù)抗擠壓強(qiáng)度公式:式中σp一抗擠壓強(qiáng)度,MPa;F—軸向載荷,N;F=[F]=1400KN;d2一螺紋中經(jīng),mm;d2=68mm;h一螺紋高度,mm;h=2mm;z—結(jié)合齒圈數(shù),z=16;[σp]—許用抗擠壓強(qiáng)度,MPa;取[σp]=[σ]=653.3MPa。代入數(shù)據(jù)得:σp=204.79Mpa<[σ]故此螺紋副滿足抗擠壓強(qiáng)度要求。2)螺紋副抗剪切強(qiáng)度校核螺紋抗剪切強(qiáng)度校核公式:式中τ一剪切力,MPa;d1一螺紋小徑,mm;d1=65.5mm;b—螺紋牙低寬度,mm;b=0.634Xp=2.54mm;[τ]一材料許用剪切應(yīng)力,[τ]=278.3MPa。代入數(shù)據(jù)得:τ=167.41Mpa<[τ]故螺紋副滿足抗剪切強(qiáng)度。3)螺紋副抗彎曲強(qiáng)度校核螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核公式:式中σb—彎曲應(yīng)力,MPa;[σb]—許用彎曲應(yīng)力,Mpa;[σb]=1.2[σ]=783.96MPa。代入數(shù)據(jù)得:σb=395.46Mpa<[σb]故螺紋副滿足抗彎曲強(qiáng)度。(3)壓桿穩(wěn)定校核由于花鍵心軸是該機(jī)構(gòu)中最長的零件,其總長為1075mm,在受到來自井上的壓縮力時可能發(fā)生壓桿失穩(wěn)等問題,有必要對其校核,其中花鍵心軸在外筒總成中滑動,在延時階段下端基本上相當(dāng)于固定,故將其簡化為一端狡支,一端固定的細(xì)長壓桿模型,其校核公式為式中E—彈性模量;I—截面慣性矩,mm4;I—長度,mm;帶入心軸的尺寸數(shù)據(jù)得:Fcr=596KN,在下?lián)粞訒r釋放的最大力為90KN,小于臨界壓力值,故不會發(fā)生失穩(wěn)問題。2.3.2.2中間心軸設(shè)計中間心軸在作用過程中起過渡傳遞軸向力作用,不承受扭矩的作用,在其外臺階處需設(shè)置下震擊墊,上端通過螺紋Tr70X4與花鍵心軸相連,下端與下心軸通過螺紋相連,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-8所示,具體尺寸大小作進(jìn)一步設(shè)計。(1)各尺寸的確定①D1、D2、D3、L1、L3的確定D1為外徑,需小于震擊外筒的內(nèi)徑,取D1=98mm;D2為螺紋擴(kuò)孔外徑,取D2=70mm;D3為水眼直徑,取D3=51mm;L3為螺紋擴(kuò)孔長度,需大于螺紋長度,取L3=80mm;L1為外臺階長度,需大于L3,取L1=100mm。②L4、D4、D5、L2的確定L4、D4為中間心軸與下心軸的螺紋擴(kuò)孔大小與長度,采用Tr65X4。取L4=72mm,D4=68mm,D5為震擊墊的內(nèi)徑,取D5=80mm,L2為中間心軸的總長,考慮上下的總行程,取L2=630mm。所以得出中間心軸的尺寸表如表2-6所示:表2-6中間心軸尺寸表（mm）軸向尺寸L1L2L3L41006308072徑向尺寸D1D2D3D4D59870516880（2）螺紋強(qiáng)度校核中間心軸下端采用的梯形螺紋Tr65X4能實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下的軸向力的傳遞,以許用工作拉力最大,螺紋連接需對其螺紋副的抗擠壓、抗剪切、抗彎曲等強(qiáng)度校核。(1)螺紋副抗擠壓強(qiáng)度校核根據(jù)式(2-13),代入數(shù)據(jù)得:σp=235.79Mpa<[σ]故此螺紋副滿足抗擠壓強(qiáng)度要求。(2)螺紋副抗剪切強(qiáng)度校核螺紋抗剪切強(qiáng)度校核公式如式(2-14),代入數(shù)據(jù)得:τ=193.33Mpa<[τ]故螺紋副滿足抗剪切強(qiáng)度。(3)螺紋副抗彎曲強(qiáng)度校核螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核公式如式(2-15),代入數(shù)據(jù)得σb=456.68Mpa<[σb]故螺紋副滿足抗彎曲強(qiáng)度。2.3.2.3下心軸設(shè)計下心軸上端與中間心軸通過螺紋Tr65X4相連,下端連接鎖緊螺帽,中間錐面和閥體形成間隙配合,采用的是對稱結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-9所示,具體尺寸設(shè)計如下:(1)各尺寸的確定D1`為心軸外徑,通過螺紋與中間心軸連接,采用的是Tr65X4,故取D1=70mm,D2為水眼直徑,D2=51mm,D3為臺階直徑,與閥體內(nèi)徑相配合,故D3=72mm,L1為螺紋長度,取L1=60mm,L2為臺階長度,通過式(2-12)計算得出取L2=60mm,錐面角度β=150°,L3為下心軸的總長,考慮上下行程等因素,取L3=780mm。其尺寸表如表2-7所示。表2-7下心軸尺寸表(mm)軸向尺寸L1L2L36060780徑向尺寸D1D2D37051722.3.3外筒總成設(shè)計外筒總成包括花鍵外筒、震擊外筒、上閥外筒、液壓外筒、下閥外筒和連接頭。其中花鍵外筒傳遞來自花鍵心軸的扭矩;震擊外筒內(nèi)設(shè)置震擊墊;上閥外筒和液壓外筒組成的腔完成下?lián)魰r的憋壓;下閥外筒和液壓外筒組成的腔完成上擊時的憋壓,其中震擊外筒、液壓外筒、下閥外筒和下連接頭都與上閥外筒設(shè)計類似,故不作過多介紹,外筒總成先從上閥外筒開始設(shè)計。2.3.3.1上閥外筒設(shè)計上閥外筒上連接震擊外筒、下連接液壓外筒,在其內(nèi)部與閥體相