过盈配合量对液压震击器阻尼阀性能的影响

高巧娟，陈慧慧，郭 晨

(中国石油集团钻井工程技术研究院 北京石油机械厂，北京 102206)

过盈配合量对液压震击器阻尼阀性能的影响

高巧娟，陈慧慧，郭 晨

(中国石油集团钻井工程技术研究院 北京石油机械厂，北京 102206)

阻尼阀是液压震击器成功解卡的关键部件。介绍了阻尼阀的结构原理及阀体与芯轴的配合结构。针对阀体与芯轴配合面的过盈量，对阻尼阀的工作特性进行分析，推导出阻尼阀在正常工作时阀体与芯轴合理过盈配合的接触应力算法。对ø178mm规格液压震击器阻尼阀中阀体与芯轴过盈配合面接触应力进行了理论计算，利用ANSYS对理论计算结果进行分析，并进行了现场应用验证。结果表明：当阀体与芯轴配合面过盈量在0.04～0.05mm时，过盈处形成润滑油膜，阻尼阀产生阻尼效应，使震击器的震击作用延时，延时时间保持在40～50s，有效地防止了震击器误震；同时避免了因过盈量偏大而引起的阻尼阀早期过度磨损，导致震击器失效。理论分析与试验结果相吻合，提高了产品的质量。

阻尼阀；过盈量；接触应力；磨损

卡钻是指钻机在钻进过程中钻柱转动和上提下放活动受阻[1]。震击器常被用来作为钻头卡钻时的解卡工具。液压式震击器具有性能稳定、启动灵活、冲击力大的特点，受到钻井工程师青睐。资料显示，国外同类产品的使用量较大，例如国民油井、威德福等大型井下工具供货商的成熟产品广泛应用在美国本土及北美地区的油气钻探作业中。据用户反馈及相关资料了解，该产品技术基本成熟，但在结构、维修性等方面尚有待改进[2]。阻尼阀防止液压震击器的误震，同时增加了震击器的冲击力，是液压震击器核心部件。阻尼阀中阀体与芯轴配合面在震击器工作过程中受周期性交替变载荷的影响，若配合面过盈量大，会造成配合面的磨损，磨损后的磨屑堵塞阻尼阀泄流孔，导致震击器失效。若配合面过盈量小，在随钻过程中时常产生误震。

为满足长时间钻井工作的需要，液压式震击器出厂前均需要经过多次台架试验，根据试验结果，对震击器重新拆卸，将阻尼阀的阀体与芯轴配合面多次修正。为节约试验时间，降低试验成本，提高工作精度和可靠性，有必要研究液压震击器中阻尼阀的工作特性，将理论推导结果应用于实际工作中。

1 阻尼阀工作原理

阻尼阀结构如图1所示。主要包括芯轴、阀体、活塞等零件，以及阻尼阀与外部筒体形成的液压腔。

1—芯轴；2—低压腔；3—阀体；4—泄流孔；5—过盈配合面；6—高压腔；7—活塞。图1 阻尼阀结构示意

工作时，液压腔被过盈配合面分为高压腔和低压腔。芯轴中部大径处带有涂层，便于与阀体里孔过盈配合形成密封面，将高压腔与低压腔隔离，从而在阀体两端形成压差，通过阀体上的泄流孔泄压排流。当活塞随着芯轴向左移动，高压腔体积减小，压力增加，震击器储存能量。当芯轴涂层配合面完全通过阀体后，高压腔泄压。阻尼阀的阀芯通过阀体内部由过盈配合到间隙配合，液压油通过泄流孔泄压，高压腔从增压到泄压，此过程液压缓慢变化为阻尼效应，所经历的时间为震击器延时震击的时间。

钻井中，当需要震击时，上提钻柱，使芯轴带着活塞向上移动，直到芯轴涂层面与阀体处于过盈配合时，高压腔内液压油随着活塞的移动，压力增高，液压油通过泄流孔泄压。在钻柱上提力逐渐加大，由于芯轴过盈配合面受到阀体的制约，芯轴缓慢移动，此时，震击器以上的钻柱受拉伸而产生拉伸弹性变形。当芯轴涂层配合面完全通过阀体，高压腔与低压腔连通，高压腔泄压，芯轴得到释放，在钻柱弹性变形能的作用下高速向上运动，震击器释放能量，产生强大震击。

从结构和工作原理可以看出：

1) 震源是由阀体与芯轴配合形成的环形液压油密封腔。环形液压油密封腔一方面是为了保证润滑、减少磨损；另一方面能够形成高压工作油腔，产生延时震击效果，最终加速冲击震动。

2) 该结构不仅有过盈配合，同时存在间隙配合。由于泄流孔的作用，被密封的液压油的压力是脉动变化的，因此阻尼阀的质量和寿命很难保证。

3) 液压震击器一次下井可多次重复震击，随着震击次数的增加，阻尼阀失效机率越大。因此，合理地设计阻尼阀中阀体与芯轴配合面，是保证阻尼阀使用性能关键所在。

2 建模分析

阻尼阀建模如图2所示。工作时，芯轴涂层处与阀体里孔之间形成过盈配合，形成密封面，当向左拉力F大于阀体与芯轴过盈配合间摩擦力时，芯轴随拉力缓慢移动，在阻尼阀右端环空形成高压腔，高压流体通过泄流孔泄压；当芯轴过盈面处卸荷点(即芯轴涂层配合面末端)通过阀体时，高压腔瞬间泄压，阻尼效应消失，从而使芯轴释放产生震击。

当泄流孔直径一定时，阀体与芯轴配合量决定了阻尼效果与延时震击效果。

1—芯轴；2—密封面；3—阀体；4—卸荷点；5—活塞；6—泄流孔。图2 阻尼阀力学模型

2.1 单位时间泄流量分析

对于高压流体，通过不同间隙的临界流量是相同的。只有在间隙很小时，以油为流体介质，油的黏度大，间隙值较小。在工程流体力学中，油在压差作用下的流动按定常流动的层流规律进行分析[3]。液压油流经泄流孔时，由于黏性而流动不畅，流速低，按照层流状态分析。泄流孔作细长孔进行流量计算时，细长孔流量与压差成正比，与小孔截面平方成反比，与黏度、孔长度成反比，通过泄流孔中的压差流量为[4]

(1)

其中，阻尼阀两端压差为

(2)

式中：q为流量，m3/s；S为小孔截面积，m2；μ为动力黏度，Pa·s；l为小孔长度，m；Δp为阻尼阀两端压差，Pa；F为轴向拉力，kN；f为轴向摩擦阻力，kN；A为阀体截面积，m2。

2.2 高压腔内流量分析

当震击器芯轴随着拉力缓慢移动，高压腔体积减小，压力增加，高压液体通过泄流孔缓慢流入阀体另一端低压腔；当芯轴卸荷点通过阀体，高压腔内泄压，阻尼作用消失。高压腔增压时间t1到泄压时间t2时间段，通过泄流孔排出的液压油流量为

(3)

式中：L为芯轴轴向位移，m。

由式(3)可得：

(4)

合并式(1)与式(4)，得：

(5)

2.3 接触应力分析

阀体的内孔与芯轴外圆过盈配合，从而在配合面上形成挤压力，在轴向产生摩擦阻力，摩擦阻力为

(6)

根据力学分析，摩擦力计算式[5]为

(7)

式中：fs为接触面摩擦因数，取0.1～0.15；d为过盈配合接触面直径(即芯轴外圆直径)，m；ls为过盈接触面长度，m；σf为接触面应力，MPa。

接触面产生的应力为

(8)

即：

(9)

3 实例计算

以ø178mm规格液压震击器为例，若震击延时时间为45s，芯轴轴向拉力为800kN，阀体端面截面积为6.64×10-3m2，芯轴与阀体配合面直径为0.098m，芯轴涂层配合面长度为 0.15m；液压腔注入40号液压油，动力黏度为0.028 8Pa·s；泄流孔长度为0.022m，截面积为0.055 7m2；接触面摩擦因数取0.13；芯轴与阀体里孔过盈配合处直径为0.098m，阀体与芯轴过盈配合长度为0.027m。计算得到过盈配合处接触应力为73.2MPa。

对实例中ø178mm液压震击器的阻尼阀进行分析。阻尼阀工作时，芯轴受到阀体制约，移动缓慢，假设芯轴与阀体相对静止。按照实例参数建立有限元模型，进行静态接触分析[6-8]。通过改变芯轴外径，建立阀体与芯轴不同配合实物模型，过盈量取0.03、0.04、0.06、0.08mm4种模型，模型按实际过盈量重合，导入ANSYS静态应力分析模块，应力分析结果如图3中所示；应力值如表1。

a 过盈量0.03 mm

b 过盈量0.04 mm

c 过盈量0.06 mm

d 过盈量0.08 mm

过盈量/mm0.030.040.060.08最大接触应力/MPa55.6872.68111.68281.46

阀体与芯轴过盈配合状态下过盈配合面接触应力与过盈量关系曲线如图4所示。

图4 过盈配合面接触应力曲线分布

由图4可知，当过盈量越大，压应力越大。根据实例计算，当震击器延时时间为45s时，接触应力为73.2MPa，在应力曲线中对应过盈量位于0.04mm与0.05mm之间(三角形表示位置)，此时满足设计要求。当过盈量为0.06mm时，配合面接触应力达到111.68MPa，远大于理论计算接触应力73.2MPa，此时摩擦阻力较大。随着震击次数的增加，阻尼阀磨损越大。当过盈量为0.03mm时，过盈接触面应力为55.68MPa，比理论计算值小，产生的摩擦阻力小，密封面易泄露，芯轴移动速度快，此时产生的阻尼时间短，达不到震击延时效果，反而使震击器在钻井过程中易产生误震。

4 现场应用

2013-10，在一套ø178mm液压震击器设计制造过程中，根据计算分析的阻尼阀中阀体与芯轴配合过盈量，按0.05mm过盈量进行配做加工，规范装配后，按照出厂验收标准进行试验，完全合格，无需反复拆卸、修正。该震击器于2014-03发往委内瑞拉现场使用，在使用过程中震击器液压延迟作用时间稳定、使用过程中多次震击解卡，取得满意的效果。

5 结论

1) 结合理论计算与有限元分析，确定阻尼阀阀体与芯轴配合的合理过盈量。经现场验证，产品性能达到设计要求，产品质量得到保证。

2) 对于ø178mm液压震击器，阻尼阀中阀体与芯轴的过盈配合面，过盈量控制在0.04～0.05mm，延时时间40～50s，避免了阻尼阀早期过度磨损而导致的震击器失效，同时有效地防止了误震，达到延时震击效果。

3) 理论计算与软件分析结合的研究方法，减少了震击器的试验费用与试验时间，提高了产品的质量。该研究方法对于确定同类模型配合的过盈量和改进产品质量具有参考意义。

4) 建议类似于阻尼阀中阀体与芯轴过盈配合的部件，在设计过程中，严格按照设计参数要求，结合ANSYS进行分析，精确配合公差。

[1] 高巧娟，李兴杰，张健，等.打捞震击器力学分析 [J].石油矿场机械，2015，44(6)：34-37.

[2] 蒋希文.钻井事故与复杂问题[M].北京：石油工业出版社，2006：26-148.

[3] 周梓荣，李夕兵，刘迎春.环形缝隙中压力水的流动规律研究与试验[J].中国机械工程，2005，16(11)：1009-1012..

[4] 董曾南.水力学(上)[M].北京：高等教育出版社，1995：338-342.

[5] 顾晓勤.工程力学：静力学与材料力学[M].北京：机械工业出版社，2014：95-105.

[6] 王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1999：52-60.

[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1987：309.

[8] 张棣，董祥伟，李增亮，等.射流泵内流场数值计算的结构化网格划分方法[J].石油矿场机械，2016，45(11)3-9.

Influence of Interference Fit Amount on Performance ofDamping Valve in the Hydraulic Jar

GAO Qiaojuan，CHEN Huihui，GUO Chen

(Beijing Petroleum Machinery Factory，Drilling Research Institute，Beijing 102206，China)

Damping valve is the key to the hydraulic jar.The damping valve structure principle is introduced.To keep the jar good performance，the damping valve must be reasonable matched with the spindle.The interference quantity and fit between the body and the spindle are analyzed，and algorithm is deduced.The working characteristics of damping valve is analyzed.Take ø178mm hydraulic jar for example，interference fitted contact stress between the body and the spindle is theoretical calculation.The theoretical calculation results are analyzed by ANSYS，and are verified by field application.As the results show，when the fitting interference quantity is controlled between 0.04 mm to 0.05 mm，the damping mechanism works and the jar action is delayed for 40 s or 50 s，the jar mistakenly vibration is effectively prevented.Excessive wear of damping valve is avoided.The theoretical analysis are consistent with the experiment results，and successfully improve the quality of the product.The optimization design method of interference fit model is significant.

damping valve；interference quantity；contact stress；excessive wear

1001-3482(2017)04-0020-04

2017-01-05

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“煤层气水平井、多分支水平井钻井技术”(2011ZX05036-002)

高巧娟(1983-)，女，工程师，硕士，主要从事井下工具的研发工作。

TE

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.006