王圣林 魏秦文 張士明 肖鑫源 劉成俊 祖寶華

(1. 重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 401331；2. 重慶電子工程職業(yè)學院， 重慶 401331；3. 中國石油天然氣管道局第一工程分公司， 河北 廊坊 065000)

氣動潛孔錘的破巖效率高，在硬煤層鉆進中多用于開鑿垂直井，而在大斜度井中的應用很少。這主要是由于地層分布不均，潛孔鉆進易偏向較軟一側，并且鉆具在高頻沖擊載荷作用下振動劇烈，開鑿大斜度井時潛孔鉆進難以精確控制方向，進而會造成鉆具失效。為克服鉆具振動的問題，學者們在優(yōu)化減振器性能方面已經做了大量研究工作。比如張宏英等人設計了一種JZH165-Ⅱ型空氣機械減振器[1]，管志川等人設計了JZZY-1型井下鉆柱減振增壓裝置[2]，崔金棟設計了一套減振沖擊鉆井系統(tǒng)[3]。針對鉆具振動與潛孔鉆進控向難的問題，我們借鑒有關減振器研究方面的成果，設計了一套減振提速裝置和有線導向系統(tǒng)。

1 減振提速裝置設計

減振提速裝置如圖1所示，它包括減振系統(tǒng)和位移補償系統(tǒng)。

1 — 花鍵芯軸； 2 — 花鍵外筒； 3 — 鎖母； 4 — 橡膠圈組； 5 — 鋼套； 6 — 減振殼體； 7 — 軸端螺母； 8 — 接頭； 9 — 防掉螺母；10 — 滑動殼體； 11 — 彈簧； 12 — 中心軸； 13 — 限位套； 14 — O型密封圈； 15 — 上接頭

花鍵外筒、減振殼體、軸端螺母、接頭和滑動殼體連成一體。上接頭上的花鍵和花鍵芯軸，分別與滑動殼體和花鍵外筒配合，發(fā)揮傳遞扭矩和導向的作用?；ㄦI芯軸連接鎖母可壓縮橡膠圈組在鋼套內滑動。防掉螺母、中心軸、限位套和上接頭連成一體。彈簧兩端分別與限位套和滑動殼體內端面接觸，滑動殼體可以在中心軸上滑動并壓縮彈簧。潛孔錘高頻沖擊產生的振動引起花鍵芯軸縱向振動，振動載荷通過花鍵芯軸和鎖母作用于橡膠圈組。橡膠圈在沖擊載荷的作用下會產生較大的軸向和徑向變形。橡膠圈組安裝在鋼套內，鋼套沿母線上開有一個矩形小口，借以減小橡膠的剛度，提高減振性能[4]。減振器通過橡膠變形吸收振動能量，同時橡膠圈組在鋼套內高頻往復移動，將部分振動能量轉換成熱能。這樣經過轉移和耗散振動能量，便可降低它對鉆桿的損耗。

潛孔鉆進依靠鉆機加壓，若加壓過大則會導致錘頭卡死。減振提速裝置利用彈簧阻尼小、受載位移大的特點進行位移補償。氣動潛孔錘通過彎殼體與花鍵芯軸連接，當鉆壓過大而使氣動潛孔錘無法產生沖擊行程時，通過滑動殼體壓縮彈簧產生軸向位移進行位移補償，從而提高在硬煤層氣動潛孔錘的沖擊鉆進效率。減振提速裝置的基本參數(shù)：外徑為150 mm，長度為2 000 mm，剛度為1 000 N·mm，最大工作扭矩為15 kN·m，芯軸通徑為60 mm。

2 單壁導電鉆桿設計

導向系統(tǒng)采用有線導向，主要由單壁導電鉆桿、隨鉆測量儀和彎殼體組成。單壁導電鉆桿不僅為井下隨鉆測量儀提供電信號，還要傳遞鉆壓和扭矩，同時為高壓氣體提供通道。根據(jù)氣動潛孔錘控向鉆進工藝要求，設計時遵循以下原則：導電可靠性高，保證鉆桿拼接處不出問題，避免電信號丟失；密封性能要好，保證導電結構的密封性，避免高壓氣體進入導電裝置；鉆桿采用抗沖擊能力較好的高強度鋼，保證鉆桿強度滿足潛孔錘施工強度要求。

設計的單壁導電鉆桿主要由鉆桿、導電環(huán)組、橡膠套和絕緣管組成(見圖2)。

1 — 下接頭銅芯； 2 — 導電環(huán)下接頭； 3 — 絕緣管； 4 — 銅線； 5 — 通氣環(huán)； 6 — O型密封圈； 7 — 橡膠套；8 — 導電環(huán)上接頭； 9 — 上接頭銅芯； 10 — 塔形彈簧

在導電環(huán)下接頭和導電環(huán)上接頭內均設有導電銅芯，由絕緣管內的銅線將其連接進行信號傳輸。導電環(huán)組由通氣環(huán)與鉆桿固定在一起。高壓氣體可從鉆桿內環(huán)形通道到達井底動力鉆具，電信號由絕緣管內的銅線進行傳輸，其中的橡膠套起支撐作用，減少絕緣管的晃動。鉆桿拼接處采用承插連接，通過將導電環(huán)下接頭裝入導電環(huán)上接頭中，導電環(huán)上接頭內導電彈簧與下接頭銅芯接觸。采用塔形彈簧，保證鉆桿連接處導電更加可靠。承插處用O型密封圈密封。當兩鉆桿旋緊時，導電環(huán)下接頭和導電環(huán)上接頭緊密接觸在一起。承插連接具有結構簡單、便于拆裝和更換元件的優(yōu)點。單壁導電鉆桿采用G105鋼材制作，外徑為127 mm，內徑為108.62 mm，長度為3 000 mm。

3 減振器強度分析

3.1 鋼套強度分析

在潛孔錘沖擊破巖過程中，為防止鉆頭回彈，鉆機會施加一個鉆壓。根據(jù)現(xiàn)場情況研究，氣動潛孔錘沖擊鉆進的最優(yōu)鉆壓為20～25 kN[5-6]。減振器在沖擊載荷作用下，橡膠圈組通過軸向和徑向變形吸收振動能量，橡膠圈在鋼套內高頻往復運動，摩擦力和橡膠徑向變形產生的力均由鋼套承受，鋼套容易發(fā)生塑性變形。現(xiàn)按最大鉆壓為25 kN，分析鋼套應力分布。

建立減振器有限元模型，如圖3所示。

1 — 花鍵芯軸； 2 — 花鍵外筒； 3 — 鎖母； 4 — 橡膠圈組； 5 — 鋼套； 6 — 減振殼體； 7 — 軸端螺母

橡膠的基本力學特性和顯著特點是大變形和超彈性。根據(jù)各項同性假設，將橡膠視為不可壓縮的超彈性材料。橡膠本構模型采用Mooney-Rivlin，應變能密度簡化模型可以表示為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W為橡膠應變能密度；I1、I2為第一和第二偏應變不變量；C10、C01為Mooney-Rivlin系數(shù)。

令λ1、λ2、λ3為x1、x2、x3等3個主方向的拉伸比，則

(2)

式中：I3為第三偏應變不變量。由于橡膠的不可壓縮性，I3=1。由式(2)可得：λ2λ3=1λ1。

橡膠主應力ti與主伸長比λi之間的關系[7]為：

(3)

由式(3)可推出：

(4)

(5)

y=C10+C01x

(6)

其中，C10為該直線的截距，C01為該直線的斜率。擬合得出C10=0.494 7，C01=0.063 9。

減振器零件用材及其參數(shù)：花鍵芯軸使用42CrMo，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.280，屈服強度為930 MPa；花鍵外筒、鎖母、減振殼體和軸端螺母均使用45鋼，其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，屈服強度為355 MPa；鋼套使用40Cr，其彈性模量為211 GPa，泊松比為0.277，屈服強度為785 MPa。這些零件材料的密度均為7 850 kgm3。

對橡膠圈組網格采用六面體掃掠畫法，單元類型選擇C3D8RH，劃分為87 220個單元。對鋼套網格采用六面體掃掠畫法，單元類型選擇八節(jié)點六面體單元，減縮積分(C3D8R)，劃分為2 280個單元。分析步，采用靜力學分析步。接觸方式，按surface to surface。橡膠與鋼套的滑動摩擦系數(shù)取值為0.7。

鋼套的Von Mises應力分布如圖4所示，應力沿軸向逐漸遞減，固定端母線開口處應力最大。這是因為橡膠在靜壓作用下沿徑向和軸向變形，橡膠與鋼套間的動摩擦力壓緊鋼套端面，加上橡膠徑向變形膨脹力的作用，固定端母線開口處易出現(xiàn)應力集中，Von Mises應力為35.39 MPa，遠小于其屈服強度(785 MPa)。鋼套強度滿足工程使用要求。

圖4 鋼套Von Mises應力分布

3.2 花鍵芯軸動力學分析

花鍵芯軸的結構振動方程為：

={F(t)}

(7)

式中：[M]、[K]、[C]分別為質量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣；x(t)、F(t)分別為位移和激振力。

結構的固有頻率與阻尼和外載無關。忽略阻尼和激勵載荷，得無阻尼自由振動方程：

(8)

令x(t)=Xejωt，代入式(8)，得：

([K]-ω2[M])X=0

(9)

由于花鍵芯軸自由振動時振幅不全為零，式(9)具有非零解的唯一條件為：

|[K]-ω2[M]|=0

(10)

建立花鍵芯軸有限元模型，如圖5所示。網格采用六面體掃掠畫法，單元類型選擇八節(jié)點六面體單元，減縮積分(C3D8R)，劃分為12 438個單元。

圖5 花鍵芯軸有限元模型

將花鍵芯軸錐螺紋圓錐面與參考點RP1進行耦合。RP1處只留軸向位移自由度，其他自由度全約束。花鍵芯軸的前6階振型如圖6所示。

通過振型圖，可得花鍵芯軸前6階固有頻率和主振型(見表1)。

由于減振器工作時花鍵芯軸可以軸向振動，花鍵芯軸存在剛體位移，因此1階固有頻率為0。氣動潛孔錘在硬巖層鉆井施工中，沖擊頻率約為27 Hz，轉速一般為20 rmin，均避開了花鍵芯軸振動的固有頻率，這樣減振器正常工作時花鍵芯軸不會發(fā)生共振。

圖6 花鍵芯軸的前6階振型

表1 花鍵芯軸前6階固有頻率和主振型

4 控向鉆進鉆具組合

氣動潛孔錘正常鉆進時，錘頭在高壓氣體作用下不斷沖擊破碎巖石，動力頭帶動井下鉆具作回轉運動，在硬巖層的轉速為10～30 rmin[8]。將隨鉆測量儀置于無磁環(huán)境下測斜[9]，軌跡出現(xiàn)偏斜時，通過彎殼體1°～2°的角度進行糾正。在大斜度煤礦井，氣動潛孔錘控向鉆進的鉆具主要由減振提速裝置、有線導向系統(tǒng)和氣動潛孔錘組成(見圖7)?？叵虿襟E為：(1) 潛孔錘停止轉動，調整彎殼體的夾角一側朝向預定軌道方向；(2) 潛孔錘沖擊鉆進至回歸預定軌道；(3) 潛孔錘繼續(xù)沖擊回轉鉆進。

1 — 大斜度鉆機； 2 — 動力頭； 3 — 氣盒子； 4 — 泡沫泵；5 — 空壓機； 6 — 單壁導電鉆桿； 7 — 扶正器； 8 — 無磁鉆鋌；9 — 探棒腔； 10 — 無磁鉆鋌； 11 — 減振提速裝置；12 — 彎殼體； 13 — 氣動潛孔錘

氣動潛孔錘沖擊鉆進產生的縱向振動和沖擊能量，由減振器中橡膠圈組不斷變化的行程將動能轉化為彈性勢能，從而減緩振動沖擊；同時，橡膠受壓變形，其內部分子之間的摩擦使橡膠具有一定的阻尼[10]，激勵載荷產生的振動會使橡膠分子之間摩擦增大，將部分動能轉化成熱能耗散掉，減少鉆具的縱向振動，從而提高有線導向系統(tǒng)控向精度。使用這套控向鉆進鉆具組合在硬煤層鉆進，與傳統(tǒng)回轉鉆進[11]相比，可提速3～5倍。

利用設計的減振提速系統(tǒng)，可有效抑制氣動潛孔錘沖擊鉆進時產生的縱向振動，保持一定的沖擊頻率穩(wěn)定鉆進，提高鉆具使用壽命和潛孔鉆進效率。有線導向系統(tǒng)密封性能好、接觸導電可靠，配合彎殼體進行測斜糾偏，實現(xiàn)氣動潛孔錘控向鉆進，可解決硬煤層大斜度井原鉆孔施工方法控向難、效率低的問題。