沖擊參數(shù)對(duì)液動(dòng)沖擊器使用性能的影響

液流到達(dá)沖擊錘的行程和沖擊閥該彈簧槍是一種帶有雙彈簧雙重彈簧槍的高效液體沖動(dòng)槍。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，運(yùn)動(dòng)部件少，工作可靠。主要有上閥機(jī)構(gòu)、沖錘機(jī)構(gòu)、沖擊能量及旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞機(jī)構(gòu)以及附屬機(jī)構(gòu)四部分組成(見圖1)。由示意圖可見,沖擊器的上閥及沖擊錘具有類似的形狀。其特點(diǎn)是上端比下端具有較小的直徑,以保證在運(yùn)行過程中,下端有效承受液壓的面積大于上端,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這就是它的基本工作原理。本沖擊器在啟動(dòng)前由于重力的關(guān)系上閥及沖擊錘均處于最下部位置。鉆井液從外殼上方進(jìn)入上閥下部的通孔和上閥—沖擊器之間的間隙而進(jìn)入沖擊錘的內(nèi)孔道,液流到達(dá)鐵砧及下接頭時(shí),由于下接頭內(nèi)設(shè)有節(jié)流環(huán),因而液流在沖擊錘下端形成較高的液壓。雖然上閥及沖擊錘系統(tǒng)上下端是一個(gè)連通器,但由于其下端的有效承壓面積大于上端,因而液流迫使上閥—沖錘迅速上行。上閥先期上行到活閥的上死點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)指出,通過精確的計(jì)算,上閥上行(回程)必須超前于沖擊錘的上行(回程)過程。當(dāng)沖擊錘上行到與上閥接觸后,液流在閥—錘之間被截?cái)嗖a(chǎn)生水擊,沖擊錘在閥—沖錘系統(tǒng)的重量、高壓液流和反彈慣性力的聯(lián)合作用下迫使沖擊錘對(duì)鐵砧實(shí)現(xiàn)沖擊并完成沖擊錘的工作行程。由于上閥的行程設(shè)計(jì)比沖擊錘短,在沖擊錘到達(dá)下死點(diǎn)前上閥與沖擊錘被迫脫離而產(chǎn)生間隙,所以上閥也達(dá)到了其下死點(diǎn),這樣沖擊器各運(yùn)動(dòng)部件又恢復(fù)到開始前的各相對(duì)位置,于是第二次工作循環(huán)又開始了。沖擊錘重復(fù)上述過程,周而復(fù)始,對(duì)鐵砧產(chǎn)生周期性沖擊作用,鐵砧將沖擊動(dòng)載傳遞給井底的鉆頭,進(jìn)而達(dá)到?jīng)_旋破巖的效果。背壓沖擊器的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(1)力傳感器的能量為保證沖擊器在具有最佳工作狀態(tài)時(shí)準(zhǔn)確反映其性能,在對(duì)沖擊器性能測(cè)試中,采用壓力傳感器作為機(jī)—電信號(hào)轉(zhuǎn)換元件,采集沖擊錘打擊鐵砧子的沖擊力,再計(jì)算沖擊器的輸出能量——沖擊能量以及其它相應(yīng)的沖擊參數(shù)。力傳感器在沖擊力的作用下,通過應(yīng)變儀和數(shù)字分析儀可直接反映沖擊錘打擊鐵砧子時(shí)的沖擊力值。據(jù)動(dòng)量原理mv=FΔt(1)得出:F=mvΔt(2)F=mvΔt(2)式中:F為沖擊力,N;m為沖錘質(zhì)量,kg;v為沖擊速度,m/s;Δt為沖擊時(shí)間,t。式(2)反映了運(yùn)動(dòng)速度與力之間的關(guān)系,引申到?jīng)_擊器的測(cè)試中,即當(dāng)沖錘的質(zhì)量一定及沖擊鐵砧子時(shí)間相等時(shí),沖擊力與相應(yīng)的擊砧速度對(duì)應(yīng),據(jù)此可計(jì)算出在液力作用下錘的沖擊能量。(2)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試原理,建立了如圖2所示的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,該測(cè)試系統(tǒng)主要有顯示器、分析儀、應(yīng)變儀、傳感器等組成。(3)沖旋鉆井技術(shù)第Ⅰ階段實(shí)驗(yàn):本階段采用沖擊器的上閥結(jié)構(gòu)如圖3所示(其測(cè)試結(jié)果祥圖見袁光杰,沖旋鉆井技術(shù)研究碩士學(xué)位論文,西南石油學(xué)院石油工程學(xué)院,2001年)。第Ⅱ階段實(shí)驗(yàn):本階段采用沖擊器的上閥結(jié)構(gòu)如圖4所示(其測(cè)試結(jié)果祥圖見袁光杰,沖旋鉆井技術(shù)研究碩士學(xué)位論文,西南石油學(xué)院石油工程學(xué)院,2001年)。沖程對(duì)沖擊器沖擊對(duì)(1)泵壓和排量的增加,都會(huì)使沖擊器的沖擊頻率和沖擊力有所增大,因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí),可通過調(diào)節(jié)泵壓和排量在一定范圍內(nèi)改變沖擊器的沖擊參數(shù)以滿足鉆不同地層的需要。(2)由圖3、圖4及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,沖擊器的上閥和沖擊錘的形狀對(duì)沖擊器的沖擊頻率有很大影響,且試驗(yàn)表明上閥和沖擊錘的形狀設(shè)計(jì)成流動(dòng)阻力較小的形狀,會(huì)有效地使沖擊器的沖擊頻率降低到所需范圍。(3)沖擊錘和上閥的行程以及兩者之比對(duì)沖擊器的沖擊參數(shù)有一定的影響,即:沖擊錘行程增大,沖擊頻率降低;在合理范圍內(nèi),即為沖程的0.6～0.4倍時(shí),上閥行程增大,沖擊頻率和沖擊力也增大,但超出合理范圍反而會(huì)減小。(4)通過綜合比較可以看出上閥行程為沖程的0.5倍左右時(shí),沖擊器的各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài),同時(shí)也可以看出,沖程對(duì)沖擊頻率的影響范圍在30Hz內(nèi)。(5)縱觀各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖,可以明顯看出在每一個(gè)沖擊周期中,應(yīng)力波形圖都連續(xù)出現(xiàn)兩次波峰,其中前一個(gè)較大,后一個(gè)較小。根據(jù)沖擊破碎巖石理論可知,在沖擊錘與鐵砧子撞擊時(shí),入射應(yīng)力波在撞擊界面處發(fā)生反射,反射后的沖擊波到達(dá)沖擊錘自由端,再次發(fā)生反射后重新到達(dá)沖擊錘的撞擊端實(shí)現(xiàn)對(duì)砧子的第二次沖擊,但由于波在傳遞過程有能量損耗,故沖擊應(yīng)力較第一次弱一些。表現(xiàn)在波形圖上,就是在一個(gè)沖擊周期中連續(xù)出現(xiàn)兩次波峰,其中第一次的較大一些,第二次的較小一些。(6)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中,同時(shí)也采用了改變噴嘴直徑,沖擊錘重量和上閥重量等方法來測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們都在一定程度上對(duì)沖擊器的工作性能有影響,且測(cè)出的結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果相一致。(7)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,沖擊錘行程和上閥行程都有一個(gè)變化范圍,太大或太小都不好。對(duì)于背壓式液動(dòng)雙作用沖擊器來講,沖擊錘行程S=25～65mm,上閥行程S1=10～30mm,沖擊錘與上閥之間的間隙ΔS=10～30mm時(shí),沖擊器能發(fā)揮出最好的沖擊性能。同時(shí),在今后做實(shí)驗(yàn)時(shí),要考慮到?jīng)_擊器的劇烈振動(dòng)程度,采取一定