基于LS-DYNA的射流式液动锤回程动力外传机构研究

张鹏飞， 程靖清， 葛 东， 彭枧明

(吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026)

0 引言

硬岩的钻进效率在非常规油气资源与地热能源的开发中日益重要。常规钻进技术如牙轮钻头、PDC钻头回转钻进的方法在硬岩地层中钻进速度低，钻头寿命短，钻进成本高。潜孔锤钻进技术是目前硬岩钻进中最有效的技术方法之一[1]。大量的现场应用表明：在坚硬岩层中射流式液动锤与常规回转钻进相比，钻速提高50%,此外射流式液动潜孔锤射流束的附壁与切换原理，决定了该类液动锤不受孔内围压及孔深的影响，利于深孔钻进。

射流式液动锤在钻进中的钻速与冲锤冲击末速度密切相关，通过提高射流速度来提高冲击末速度是一个很好的途径。硬质合金材料的射流元件在高速射流中具有较强的耐冲蚀性，然而硬质合金是一种在冲击力下容易碎裂的脆性复合材料[2-3]。当活塞杆回程以相当大的末速度撞击缸体时，冲击应力波会将大量的能量通过缸体传递给射流元件，使射流元件很容易遭到冲击破坏，从而缩短液动锤的使用寿命。地面试验过程中，液动锤工作1 min左右后射流元件遭到破坏如图1所示。因此，有必要设计一种改变回程冲击应力传播途径的结构，此结构是将冲锤回程至上死点时，避免活塞杆与缸体的碰撞，将其转化为冲锤与中接头的碰撞。降低射流元件受到冲击应力的影响，并且结构简单、可靠，在复杂多变的钻孔环境中具有良好的适应性。

殷明不想看着这个似乎居高临下的时间的代表，他关掉手机。想想，又打开了，翻到那条存留许久的短信：“明，我走了。以后也别再找我了，咱们就此别过吧，祝你找到理想的工作。再见！”

图1 地面钻进试验过程中硬质合金射流元件遭受冲击破坏Fig.1 Impact failure of tungsten carbide jet elements during surface drilling tests

1 冲击应力传播的理论分析

冲锤撞击中接头外传机构如图2所示，在常规的射流式液动锤工作中，冲锤回程至上死点时，活塞杆与缸体内缸发生撞击。活塞杆和冲锤组成的冲击部分与缸体形成了冲击机械系统，冲击机械原理在弹性动力学中有两种分析模型：机械振动与应力波传播，在这个回程撞击中缸体受到时间极短的冲击载荷，并且在作用方向上冲击部分与被冲击部分均为细长且独立的部件，撞击后接触面上只传递压力。所以撞击产生的能量以应力波的形式传递给射流元件。在设计外传机构的液动锤中，在保证活塞杆冲程与回程路程匹配的同时，通过增加内缸行程的长度使活塞杆在撞击内缸之前撞击中接头。在同一均匀介质中的应力峰值随传播距离的变化可表述为σ=σ0x-α(式中σ0为介质中某一点的应力)。平面应变状态下,应力峰值在线弹性体中的衰减指数α是一个随着应力峰值降低(或传播距离增加)而增加且大于1的值[4-5]。l=x/x0为应力波传播的相对距离,取x0为单位距离，x为到应力峰值的距离，应力峰值随传播距离的增加而下降。

图2 冲锤撞击中接头外传机构示意图Fig.2 Schematic diagram of external transmission mechanism through a middle connector during impact of the hammer

除此之外，中接头与缸体之间还存在着缸盖等一系列结构，这样又增加了接触面的数量。在应力波传播的过程中，接触面被称为低波速夹层介质，应力波到达这些结构面的时候将发生反射和透射现象，透射波波幅大幅度衰减后会传递给缸体与外管，反射波会带走大量的能量，导致应力波的衰减以及能量的衰减[6-9]。

2 碰撞模型的建立及边界条件

在烟囱施工中，砌筑是主要的工序。在砌筑中需要先搭设一个操作平台，供工人操作、堆料等。而且在烟囱升高后，需要操作平台不断地跟随上升。为此，在烟囱筒壁内侧每隔1.2 m留脚手眼，用4根Φ 48 mm钢管伸入脚手眼作为平台支撑横杆，在横杆上满铺5 cm脚手板作为操作平台。要求杆件、脚手板安装可靠牢固，不用时方便拆卸。

图3 中接头悬臂梁延伸长度均为8 mm，厚度不同Fig.3 The middle connectors with the cantilever beams length of 8mm and different in thickness

图4 中接头悬臂梁厚度均为15 mm，延伸长度不同Fig.4 The middle connectors with the cantilever beams thickness of 15mm and different in length

采用Hypermesh软件在保证计算精度要求的前提下划分自适应网格，对以上模型采用四面体单元进行划分[10-13]。由于模型组件较多，四面体网格便于精确捕捉受力点位置，并且在组件较多的情况下能保证网格与模型较好的贴合。为了进一步提高计算精度，射流元件部分进行网格加密，并且在保证曲率连续的基础上，通过去除和合并多余的边界对曲面拟合模型进行几何修补，单元均采用solid164实体单元，单元总数均在60万左右。各部件网格模型如图5所示。

本文以冲锤与中接头相撞代替活塞杆与缸体相撞研究分析了增加动力外传装置对射流元件受的回程冲击的影响，并利用LS-DYNA显式非线性动力学分析方法，分别建立了“冲锤撞击中接头”和“活塞杆撞击缸体”碰撞模型，并通过改变中接头悬臂梁的参数探究其对射流元件所受冲击应力的影响。结论如下：

图5 各部件的网格模型图Fig.5 Grid model of components

(1)动力外传装置通过改变应力传播途径，延长了冲击应力的传播路径，增加反射波带走的能量，可使射流元件所受的最大应力降低48%。表明本结构对于提高射流元件寿命具有可行性。

表1 两种不同材料的力学参数Table 1 Mechanical parameters of two different materials

3 模拟结果与分析

3.1 中接头对射流元件应力强度的影响分析

通过改变中接头悬臂梁结构参数的模拟组，射流元件中最大应力与悬臂梁厚度关系和最大应力与悬臂梁长度关系如图7所示。从图中可以看出，增加悬臂梁厚度与减小悬臂梁长度均能小幅度降低射流元件所受到的最大应力。随着悬臂梁厚度的增加，射流元件所受到的最大应力的降幅越来越小，并且随着悬臂梁厚度增加，中接头内部空间越来越紧张导致液动锤整体的尺寸增加，所以在能有效地降低射流元件所受最大应力情况下，适当增加中接头悬臂梁厚度即可。同样从图中可以看出，减少悬臂梁长度会小幅降低射流元件所受的应力，但悬臂梁长度过短会致使悬臂梁容易被冲击破坏甚至冲锤穿过悬臂梁致使动力外传装置失效，所以权衡利弊选取最佳尺寸即可。

图6 射流元件应力云图Fig.6 Stress nephogram of fluidic element

3.2 悬臂梁尺寸对射流元件应力强度影响分析

将活塞杆冲锤系统直接撞击缸体情况下射流元件的应力分布云图(图6a)，与冲锤撞击中接头情况下射流元件的应力分布云图(图6b)作比较，可以看出射流元件所受到的应力主要集中在具有棱边的应力集中部位与薄弱部位[14-15]，这与实际情况是相符的，并且实验过程中破碎部位也是沿着应力图中应力集中部位破坏的。二者最大应力分别为596和301 MPa，可以看出通过这种改变并延长应力传播途径的方式能大幅降低射流元件所受到的最大应力，降低幅度约为48%。硬质合金的疲劳极限为1250 MPa，但由于射流元件结构复杂，在加工过程中难免出现微小的裂纹，这会相应地降低硬质合金的疲劳强度。所以，采取一定的措施来降低射流元件受到的应力是非常有必要的。而我们通过采用中接头与冲锤的碰撞大幅度降低了射流元件所受到的最大应力，有效地保护了液动锤的核心部件——射流元件。

图7 改变悬臂梁结构尺寸对射流元件最大应力的影响Fig.7 Effect of changing cantilever structure size on the maximum stress of the fluidic element

4 结论

“影子说”是中国古典小说的一种批评理论，它最开始可见于甲戌本第八回脂评：“晴有林风，袭乃钗副。”这一思想经过发展，形成了蔚为壮观的影射关系。王富鹏先生曾针对《红楼梦》的人物影射现象，概括出了红楼梦的两大影子人物体系，阐释这种影子人物体系与小说叙事结构之间的关系①。《红楼梦》是沿着金瓶梅开创的方向发展而来，可说“深得《金瓶》壶奥”。因此，影身关系在《金瓶梅》中也或多或少地存在着。

材料模型均为线弹性材料模型，射流元件的材料为WC-Co类硬质合金，其余部件的材料均为合金钢35CrMo，两种材料力学参数如表1所示。各部件之间均为“面—面”自接触。在模拟计算中忽略重力影响，冲锤活塞系统回程末速度为轴向8 m/s，计算时间步长设置0.00005 s，计算总时间为0.05 s。

通过solidworks软件建立“冲锤撞击中接头外传机构”与“冲锤撞击缸体”简化模型，缸体顶部余留的厚度为60 mm。中接头的悬臂梁分别设计了5种不同的厚度与5种不同的延伸长度(如图3与图4所示)。

(2)应力集中部位出现在射流元件的沟槽薄弱部位，试验中射流元件也是沿着这些部位断裂开来的，这些脆弱的部位在今后的设计过程中应更加注意。

(3)通过改变中接头悬臂梁的长度与厚度参数会一定程度影响射流元件所受到的应力大小。在一定范围内，悬臂梁厚度越大长度越小射流元件所受到的最大应力越小。但是影响幅度较小，并且悬臂梁如果过厚或者过短都会产生一系列问题，所以衡量取适合参数即可。

整个改造的过程中，她一直在找我的优点，不管我说出自己的什么缺点，她都觉得不是问题，是我自己小题大做了。