1、石油設(shè)備與工具方案課程設(shè)計(jì)題目：機(jī)械液壓式震擊器姓名：xxx學(xué)號(hào)：xxxxxxxx專(zhuān)業(yè)年級(jí)：機(jī)械工程及自動(dòng)化指導(dǎo)老師：xxxx設(shè)計(jì)日期：xxxxxxx目錄0， 前言 21， 第一部分 功能分析 32， 第二部分 功能原理實(shí)驗(yàn)2.1，實(shí)施方案設(shè)計(jì) 32.2，形態(tài)學(xué)矩陣 32.3，實(shí)施途徑選擇 33， 第三部分 方案評(píng)優(yōu)3.1，評(píng)價(jià)因素 43.2，方案特點(diǎn) 53.3，方案選擇 54， 第四部分 參數(shù)設(shè)定4.1，工作特點(diǎn)分析 64.2，結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 74.3，主要構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算 84.4，震擊器的震擊力計(jì)算 124.5，震擊器測(cè)試系統(tǒng) 145， 第五部分 繪制總體方案 156， 第六部分 總結(jié)

2、 157， 第七部分 參考文獻(xiàn) 15前言機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要部分，是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械性能的最主要因素。而本次總體設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，而本次課程設(shè)計(jì)就是為了培養(yǎng)同學(xué)們的總體設(shè)計(jì)能力而增設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，在鉆井作業(yè)中，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(dòng)和擠壓）、技術(shù)措施不當(dāng)（如停泵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、鉆頭泥包等），常常發(fā)生鉆具遇阻卡鉆，因此根據(jù)我國(guó)各油田鉆井施工需要, 聯(lián)合研制的一種用于解除油、氣、水井卡鉆十分有效的解卡工具震擊器。隨著石油機(jī)械設(shè)備中各項(xiàng)技術(shù)水平的要求的提高也相應(yīng)提高。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的震擊器，主要來(lái)自Weatherford、Baker、B

3、owen、NationalOilwell、Rocan、Cougar、貴州高峰機(jī)械廠(chǎng)、北京石油機(jī)械廠(chǎng)等廠(chǎng)家的產(chǎn)品。我做這個(gè)課程設(shè)計(jì)的目的是力求本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，裝接迅速、簡(jiǎn)便、操縱容易，同時(shí)滿(mǎn)足功能使用要求?？傮w設(shè)計(jì)要求技術(shù)的先進(jìn)，功能原理的可靠，設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性。對(duì)于我們實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不多的在校學(xué)子來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)上難免存在不足之處，望老師多加指正。產(chǎn)品名稱(chēng)：機(jī)械液壓式震擊器設(shè)計(jì)要求：裝接迅速、簡(jiǎn)便、操縱容易、工況直觀(guān)和解卡效果好第一部分 功能分析一、 總功能：震擊解卡二、 分功能：1、打撈作業(yè) ，當(dāng)用于打撈操作時(shí)，震擊器應(yīng)直接地安裝在接近卡點(diǎn)的鉆鋌柱的下方；2、取芯作業(yè)，震擊器通常應(yīng)安裝在取芯工具

4、的上方。第二部分 功能原理實(shí)驗(yàn)2.1 、實(shí)施方案設(shè)計(jì)1、 動(dòng)力源選擇 1）機(jī)械式2）液壓式3）機(jī)械液壓式2、 工況選擇 1）隨鉆式2）打撈式3）地面式3、 震擊方向選擇 1）上擊式2）下?lián)羰?）雙向震擊式2.2 、形態(tài)學(xué)矩陣 局部件功能123A動(dòng)力源機(jī)械式液壓式機(jī)械液壓式B工況選擇隨鉆式打撈式地面式C震擊方向上擊式下?lián)羰诫p向震擊式總體方案數(shù)為：333=27種2.3 、實(shí)施途徑選擇1、 動(dòng)力源方案有三種，但從目前油氣井類(lèi)型及卡鉆類(lèi)型來(lái)看，由于機(jī)械式比較笨重，不能適應(yīng)復(fù)雜的情況，應(yīng)選擇液壓式或者機(jī)械和液壓組合式。2、 由于隨鉆震擊器，要設(shè)計(jì)在鉆柱組合中，如果鉆進(jìn)或者起下鉆過(guò)程中遇卡，可以隨時(shí)震擊解

5、卡。打撈震擊器，只是在需要解卡時(shí)才上井作業(yè)，不可以長(zhǎng)時(shí)間隨鉆工作。地面震擊器，只是在井口使用，其對(duì)卡點(diǎn)的震動(dòng)效果是向下震擊，現(xiàn)場(chǎng)使用比較方便。3、 由于震擊解卡作為震擊器的主要功能，為滿(mǎn)足上述要求，我作出如下兩種方案：（1）A2+C2（2）A3+C14、兩種方案用文字描述：1） 利用液壓油在細(xì)小流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻尼作用作為鎖緊機(jī)構(gòu)，利用流道突然變化所引起的釋放，在震擊器內(nèi)產(chǎn)生打擊，從而在鉆柱內(nèi)形成震動(dòng)2） 利用機(jī)械式和液壓式的組合在震擊器內(nèi)部產(chǎn)生打擊，從而在鉆柱內(nèi)形成震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓延時(shí)系統(tǒng)與機(jī)械鎖扣裝置結(jié)合。第三部分：方案評(píng)優(yōu)3.1，評(píng)價(jià)因素 隨著石油需求的日益增大，21世紀(jì)的石油行業(yè)面臨著增加

6、石油后備儲(chǔ)量的壓力，我國(guó)地質(zhì)情況復(fù)雜，儲(chǔ)層埋藏深。隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展和鉆井設(shè)備的更新?lián)Q代，同時(shí)為了勘探開(kāi)發(fā)新的儲(chǔ)層，深井和超深井的數(shù)量逐漸增多，井眼尺寸越來(lái)越小，井深結(jié)構(gòu)越來(lái)越繁瑣。因而設(shè)計(jì)的井下工具要小而緊湊，重量輕，抗沖擊能力強(qiáng)，使用安全可靠方便且實(shí)用經(jīng)濟(jì)，為鉆井工業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益3.2，方案特點(diǎn)液壓式震擊器由于其鎖緊機(jī)構(gòu)工作原理的限制，只能在單一方向上產(chǎn)生震擊，一般為向上震擊。由于液壓式具有長(zhǎng)延時(shí)功能，其震擊力大小可以靠司鉆的操作任意調(diào)節(jié)。但由于液壓介質(zhì)、密封材料和密封結(jié)構(gòu)等容易受磨損、井溫等因素影響，產(chǎn)品的壽命、適應(yīng)性和可靠性均不穩(wěn)定。顯然，這種震擊器對(duì)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和密封材料

7、的選用以及對(duì)零件加工精度的要求都十分嚴(yán)格。而機(jī)械液壓組合的震擊器，集中了機(jī)械式和液壓式兩種震擊器原理的優(yōu)點(diǎn)，即使液壓延時(shí)震擊作用失效，機(jī)械震擊仍可繼續(xù)使用，技術(shù)性能得到很大提高，符合未來(lái)震擊器產(chǎn)品發(fā)展方向。3.3、方案選擇衡量?jī)煞N方案，后者較前者優(yōu)越，我將方案（二）作為最優(yōu)方案，即將機(jī)械式和液壓式進(jìn)行組合。機(jī)械液壓式震擊器將液壓延時(shí)系統(tǒng)與機(jī)械鎖扣裝置結(jié)合在一起，制成一種相對(duì)較短，具有機(jī)械和液壓雙重功能的震擊器。其中液壓延時(shí)裝置允許操作人員調(diào)整上提力，然后用絞車(chē)滾筒剎車(chē)。這樣容易減輕井口振動(dòng)力，防止提升設(shè)備的損壞;機(jī)械鎖扣裝置除了可承受鎖扣裝置許可范圍之內(nèi)的拉力與壓力外，還可以防止在正常鉆井過(guò)程

8、中內(nèi)部件相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，從而消除內(nèi)部件不必要的磨損。第四部分：參數(shù)確定4.1，工作特點(diǎn)分析1，拉力大欲獲得良好的解卡效果, 就需要較大的工作拉力，經(jīng)驗(yàn)表明, 一般大修解卡施工的拉力在294KN左右(不計(jì)鉆柱懸重)?？紤]到安全及拉力儲(chǔ)備, 上擊器設(shè)計(jì)指標(biāo)還應(yīng)當(dāng)更高。然而拉力大必然使液缸產(chǎn)生很高的壓力。現(xiàn)用上擊器設(shè)計(jì)拉力為245KN，對(duì)應(yīng)的壓力達(dá)135MP， 使危險(xiǎn)點(diǎn)（如液缸上端1）安全系數(shù)不足1.5，稍有不慎而超載, 就有發(fā)生脹缸脫扣等機(jī)械破壞的可能。2，扭矩大解卡施工常需完成造扣、,抓撈落魚(yú)和拉扭等組合作業(yè)。一般需用扭矩約為9810N*m，故上擊器工作條件十分惡劣。3，對(duì)延時(shí)和重復(fù)震擊要求高延時(shí)和重

9、復(fù)震擊這兩項(xiàng)指標(biāo)是上擊器的技術(shù)關(guān)鍵, 很大程度上取決于活塞結(jié)構(gòu)和泄流方式。震擊效果的好壞取決于延時(shí)過(guò)程即鉆柱彈變一恢復(fù)過(guò)程的可靠與否。而一般卡鉆不大可能在幾次震擊后解除, 一些井的卡鉆甚至需要幾百次震擊才能解除。因此上擊器性能的可靠性至關(guān)重要。環(huán)式上擊器采用活塞環(huán)開(kāi)口縫隙泄流, 受油液粘溫性影響明顯, 環(huán)缸磨損又使得開(kāi)口大小不易控制；柱塞式上擊器采用銅合金柱塞環(huán)狀縫隙泄流, 活塞磨損剝落銅屑的現(xiàn)象常常發(fā)生, 使泄流間隙難以調(diào)控。這兩種上擊器都有有效震擊次數(shù)少、震擊斷續(xù)等缺點(diǎn)。一旦磨損碎屑堵塞泄流通道, 就將出現(xiàn)液缸壓力驟升、甚至脹缸脫扣等現(xiàn)象。綜上所述, 上擊器工作條件惡劣, 工作性能要求高%

10、 而現(xiàn)用上擊器性能欠佳的主要原因在于本身結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件的要求及變化。4.2，結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)1，結(jié)構(gòu)優(yōu)化上擊器結(jié)構(gòu)是解決間題的根本措施。 技術(shù)難點(diǎn)之一是由于內(nèi)外徑尺寸限制, 震擊強(qiáng)度要求心軸夕觸大, 液壓缸內(nèi)徑小, 而降低內(nèi)壓的要求恰與此相反；難點(diǎn)之二在于活塞設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用液腔與震擊腔分開(kāi)設(shè)計(jì), 活塞采用錐體幾何造型、耐磨工藝處理、與液缸無(wú)隙機(jī)械自封且液壓隨動(dòng)等新設(shè)計(jì), 形成了跟蹤補(bǔ)償缸徑變化、孔隙式旁通泄流方式, 使延時(shí)穩(wěn)定性和重復(fù)震擊性大為改善。通過(guò)運(yùn)動(dòng)副防刮扶正及組合密封、浮動(dòng)密封等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 優(yōu)化了運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)特性。上擊器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12，許用拉力及液腔壓力為充

11、分利用修井設(shè)備, 發(fā)揮解卡功效并確保可靠性, 許用拉力與液腔壓力的關(guān)系由下式確定： （1） （2）本設(shè)計(jì)中取=10=0.297 ， =343KN ，=102MP構(gòu)件幾何參數(shù)由此值相應(yīng)確定。3 延時(shí)時(shí)間根據(jù)設(shè)備大鉤上提速度及操作經(jīng)驗(yàn), 延時(shí)時(shí)間由下式計(jì)算： （3）本設(shè)計(jì)計(jì)算值t = 4459s ，由t 確定液壓系統(tǒng)參數(shù)?？紤]到井溫、摩阻等多種因素, 實(shí)際值以t = 30180s 為適宜。其他設(shè)計(jì)參數(shù)不低于或高于現(xiàn)用上擊器的設(shè)計(jì)參數(shù), 如扭矩9810N*m ，水眼28mm等。4.3，主要構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算由于上擊器在拉、扭、液壓及重復(fù)震擊等惡劣條件下工作, 為保證其安全可靠性, 本設(shè)計(jì)按構(gòu)件最復(fù)雜的應(yīng)力

12、狀態(tài)選取危險(xiǎn)點(diǎn)0截面1 并采用動(dòng)靜法計(jì)算。限于篇幅, 應(yīng)力狀態(tài)相近或非危險(xiǎn)點(diǎn)不作計(jì)算?；緟?shù)：K=1.2 ；n=1.5 ；=102MP ，=9810N*m ；震擊力N=1127KN ；主要構(gòu)件如心軸、撞擊套、液缸、活塞、導(dǎo)向管等選用42CrMo ； 鍛件毛坯，=931MPa ，=620MPa ，=0.5=310MPa ?？煽啃杂?jì)算公式： 螺紋根部最大應(yīng)力： （4）螺紋牙剪切應(yīng)力： （5）螺紋牙彎曲應(yīng)力： 6）花鍵擠壓應(yīng)力： （7）拉扭組合應(yīng)力： （8）拉、扭、液壓等三向應(yīng)力狀態(tài)組合應(yīng)力： （9）1，主要螺紋表1 三種螺紋的計(jì)算應(yīng)力值螺紋代號(hào)所聯(lián)構(gòu)件受力狀態(tài)及最大軸向力（KN）旋合圈數(shù)計(jì)算結(jié)果

13、（MPa）T643撞擊套只受震擊力 ，1127Z=22.3=610 =234 =215M683導(dǎo)向管只受軸向拉力373.5Z =10=282 =129 =141M953液缸總成各缸套第一種狀態(tài)，只受震擊力，1127Z =10=505 =230 =251第二種狀態(tài)，受拉，扭，液壓，不受震擊力=377上擊器螺紋優(yōu)化為4種, 均經(jīng)磷化處理。所聯(lián)接構(gòu)件均采用42CrMo 。調(diào)質(zhì)后硬度大于HB310。其中3種螺紋須進(jìn)行可靠性計(jì)算。根據(jù)各螺紋的受力狀態(tài), 將有關(guān)數(shù)據(jù)和幾何參數(shù)分別代入式（4）（6）, 求出相應(yīng)的應(yīng)力值列于表1。結(jié)果表明, 各螺紋安全、可靠。2， 心軸心軸上段為震擊、拉,、扭工作狀態(tài), 下段

14、為液壓一拉伸工作狀態(tài)。調(diào)質(zhì)后硬度大于HB310 ,花鍵齒表面淬火硬度大于HRC50。M583螺紋及受震擊力危險(xiǎn)截面短T643螺紋已校核。上段按式(8) 計(jì)算：其中=10K/F = 1010234332.31=127.4MPa; =/= 981066.84 = 146.8MPa,由上述計(jì)算得：=320MPa ，安全。下段按式（9）計(jì)算：其中 ；由上述計(jì)算得： 所以安全。矩形花鍵6756516 按式（7）計(jì)算, 取 則=由上可知安全。3,液壓缸液缸外徑11.4cm, 內(nèi)徑9.2cm , 平均直徑=10.325cm ,小徑D=9cm ,活塞外徑d = 9 cm .(1) 液缸應(yīng)力 液缸處于拉、扭、液

15、壓三向應(yīng)力狀態(tài)。因壁厚大于 故按厚壁圓筒及式(9)計(jì)算。其中, , 則安全。（2）液缸允許的最高內(nèi)壓p及極限拉力 此結(jié)果表明, 本設(shè)計(jì)的上擊器有較大的拉力儲(chǔ)備和較高的可靠性。（3）活塞自封和補(bǔ)償變形按厚壁筒變形公式計(jì)算：自封條件dD?；钊F部任意截面外徑變形量（取任意內(nèi)徑8cm）：液缸內(nèi)徑徑向變形量：該計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相一致。錐體活塞設(shè)計(jì)達(dá)到了機(jī)械自封液壓隨動(dòng)補(bǔ)償缸徑變化、形成新的泄流方式的目的。4撞擊面允許最大震擊力由研究可知, 實(shí)際施工時(shí)震擊力遠(yuǎn)低于此值, 因而撞擊面不會(huì)出現(xiàn)脆裂和屈服。4.4，震擊器的震擊力計(jì)算 由文獻(xiàn)1可知，美國(guó)Bowen Tools公司將震擊器井下動(dòng)載荷定為上提

16、拉力的46倍，而我國(guó)的打撈專(zhuān)家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷為上提拉力的2倍多，理論計(jì)算得出的數(shù)據(jù)是三倍多。在上提拉力本來(lái)就很小的情況下，微小的倍數(shù)差別引起的實(shí)際震擊力會(huì)相差很大數(shù)值。對(duì)于震擊器震擊時(shí)實(shí)際產(chǎn)生多大的震擊力。國(guó)內(nèi)外都是對(duì)井內(nèi)震擊過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)，利用能量法或者彈性波理論與動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)抽象出來(lái)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算加推導(dǎo)。到目前為止沒(méi)有任何準(zhǔn)確實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以證明。目前，上擊器震擊力產(chǎn)生的震擊力。采用能量法計(jì)算撞擊時(shí)的變形，由變形計(jì)算動(dòng)載，得出計(jì)算公式。由圖2通過(guò)能量法計(jì)算公式為：式中 ： 下?lián)羝飨聯(lián)粽饟袅媚芰渴睾阍?，將上部鉆柱自由落下的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楸豢ㄣ@柱的變形能，求出震擊器的動(dòng)載可以得出

17、： 4.5，震擊器測(cè)試系統(tǒng)為了進(jìn)一步了解震擊器性能，了解井下工作時(shí)實(shí)際產(chǎn)生多大震擊力，有必要對(duì)震擊器的震擊過(guò)程在臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)測(cè)。若能在臺(tái)架上測(cè)出震擊器震擊過(guò)程，就可以得到不同類(lèi)型規(guī)格的震擊器在實(shí)驗(yàn)標(biāo)定拉力下所產(chǎn)生的震擊力?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員掌握了震擊器的這些資料數(shù)據(jù)，就可以更好的實(shí)施震擊作業(yè)。在可測(cè)試出震擊力的前提下，后續(xù)可進(jìn)一步模擬震擊器在井下工作時(shí)產(chǎn)生的震擊力，這對(duì)打撈作業(yè)隊(duì)和鉆井隊(duì)有實(shí)際的指導(dǎo)意義。測(cè)試系統(tǒng)的原理圖（如圖3），主要有震擊器、測(cè)力傳感器（包括A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)字顯示器、工業(yè)計(jì)算機(jī)以及外圍電路組成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，測(cè)力傳感器安裝在被測(cè)部位，其他部分與傳感器通過(guò)電纜連接。測(cè)試系統(tǒng)有許多軟件包組成，這些子程序包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、波形搜尋、數(shù)據(jù)平滑、波形改善和數(shù)據(jù)鎖定等，最后生成震擊力曲線(xiàn)圖。第五部分 繪制總體方案總體方案圖見(jiàn)大圖紙第六部分：心得體會(huì)隨著畢業(yè)日子的到來(lái)，這也是最后一次課程設(shè)計(jì)。下學(xué)期就是畢業(yè)設(shè)計(jì)。剛開(kāi)始做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于理論知識(shí)的不足，再加上平時(shí)沒(méi)有什么設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一開(kāi)始的時(shí)候有些手忙腳亂，不知從何入手。經(jīng)過(guò)一周的實(shí)戰(zhàn)我終于獨(dú)自完成。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高，特別對(duì)我們機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，尤其對(duì)未出校門(mén)的缺乏鍛煉的我們，是一次知識(shí)，能力的綜合