射流式?jīng)_擊器性能優(yōu)化設計

1各因素之間的相互作用液動射流式振動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化包括在振動器的外徑、振動器或振動器的振動頻率的約束條件下確定一組合適的設計參數(shù)，并使振動器的性能指標達到最佳值。影響射流沖擊器的性能參數(shù)的因素很多,如沖擊行程,活塞直徑、活塞桿直徑、沖錘質(zhì)量、射流元件結(jié)構(gòu)參數(shù)、泵壓、泵量等。各因素之間有互相制約,它們與目標函數(shù)(優(yōu)化目標)之間無明顯的數(shù)學表達式。在優(yōu)化時,采用試驗最優(yōu)化的直接求優(yōu)方法,確定最優(yōu)設計參數(shù)和方案。通過室內(nèi)模擬實驗進一步驗證了微機模擬電算所揭示的射流式?jīng)_擊器內(nèi)部動力過程和沖錘質(zhì)量、沖擊行程、活塞作用面積、泵量、泵壓對沖擊器的影響規(guī)律的正確性,同時通過實驗結(jié)果與電算結(jié)果相擬合,使電算結(jié)果與實測值高度吻合,因此,可以利用計算機對射流式?jīng)_擊器進行輔助優(yōu)化設計。1.1優(yōu)化目標的選擇1.1.1沖擊器+泵壓機鉆具根據(jù)石油鉆井的工況條件和現(xiàn)有設備能力來確定沖擊器的性能參數(shù)。經(jīng)調(diào)研,現(xiàn)場常采用二開井身結(jié)構(gòu)。即開孔采用?311.2mm鉆頭;二開采用?215.9mm鉆頭,鉆頭上部采用?178mm鉆鋌。為保持鉆具原有組合結(jié)構(gòu),確定沖擊器外徑?178mm。水泵參數(shù)也根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)選擇泵量20～40L/s,泵壓10～20MPa。并以此為依據(jù)確定沖擊器的沖擊功、沖擊頻率。1.1.2球齒鉆頭設計沖擊功是設計沖擊器的關鍵,也是決定破碎巖石效果的基本條件。確定沖擊器的單次沖擊功要考慮到巖石的性質(zhì)、鉆孔直徑、鉆頭上切削齒的數(shù)目及水泵能量。此外,要考慮所使用的鉆頭類型,對于牙輪鉆頭,沖擊功不能太大,對球齒鉆頭,沖擊功要求達到體積碎巖的需要。本鉆具的設計,沖擊能量是可調(diào)的。球齒鉆頭直徑為?215.9mm,根據(jù)相關文獻,球齒直徑可選擇?14～?16mm,數(shù)量為26～28顆。球齒鉆頭單齒沖擊功為15～25J,故確定最大單次沖擊功為700J。1.1.3單次沖擊功足夠時,地層充填巖在其他技術參數(shù)相同的條件下,沖擊頻率增大,鉆進效率將成正比增加,這是由于當單次沖擊功在保證體積破碎時,增大沖擊頻率,單位時間破碎巖石的次數(shù)增多,另一方面鉆具的轉(zhuǎn)速可提高,從而加快了破碎巖石的過程。特別是在中硬巖石中鉆進,效果尤為明顯。但是,提高頻率,要保證單次沖擊功足夠的前提。此外,沖擊頻率的確定尚需考慮到鉆機的轉(zhuǎn)速,根據(jù)相關資料,2次沖擊之間存在最優(yōu)間隔,可獲得最優(yōu)的碎巖效果。根據(jù)這一原則,沖擊頻率可由下式確定。f=360/?,式中,?為最優(yōu)沖擊轉(zhuǎn)角,8～12°;n為鉆機轉(zhuǎn)速,r/min;f為沖擊頻率,r/min;設計目標為15～25Hz。1.2沖錘沖擊行程參數(shù)影響沖擊器性能參數(shù)的主要因素有沖擊行程、沖錘質(zhì)量、活塞直徑、活塞桿直徑。為確定沖擊器合理的結(jié)構(gòu)參數(shù),需在一定的約束條件下,對射流式?jīng)_擊器進行正交試驗。根據(jù)正交設計理論,擬定四因素三水平的正交試驗方案。四因素為沖擊行程s、沖錘質(zhì)量m、活塞直徑d、活塞桿直徑D。選定四因素的3個不同水平如表1。利用L12(43)正交表安排了12個設計方案進行計算機模擬實驗,實驗方案如表2,其電算結(jié)果如表3(泵量為1500L/min)。選擇不同的優(yōu)化目標函數(shù),可以分析出影響優(yōu)化目標函數(shù)的主要因素。a)以沖擊功為優(yōu)化目標函數(shù),分別計算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水平所對應的平均效果ˉⅠwⅠˉw、ˉⅡwⅡˉw、ˉⅢwⅢˉw以及它們之間的極差R。然后取ˉⅠwⅠˉw、ˉⅡwⅡˉw、ˉⅢwⅢˉw為縱坐標值,諸因素為橫坐標,作出諸因素與沖擊功之間的關系,如圖1。按極差大小排序,影響沖擊功的因素主次順序,極差為414.1→322.91→314.16→255.88;因素為活塞直徑→沖擊行程→沖錘質(zhì)量→活塞桿直徑。活塞直徑的極差最大,為414.1,說明,活塞直徑影響沖擊功最為顯著,其次是沖擊行程、沖錘質(zhì)量、活塞桿直徑。b)若以能量利用率為優(yōu)化目標,分別計算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水平所對應的平均效果ˉⅠη1Ⅰˉη1、ˉⅡη1Ⅱˉη1、ˉⅢη1Ⅲˉη1以及它們之間的極差R。然后取ˉⅠη1Ⅰˉη1、ˉⅡη1Ⅱˉη1、ˉⅢη1Ⅲˉη1為縱坐標,諸因素為橫坐標,作出諸因素與能量利用率的關系,如圖2。按極差大小排序,影響能量利用率的因素主次順序,極差為1.68→1.44→1.15→0.60;因素為活塞直徑→沖錘質(zhì)量→活塞桿直徑→沖擊行程。活塞直徑的極差最大,為1.68,說明,活塞直徑影響能量利用率最為顯著,其次是沖錘質(zhì)量、活塞桿直徑、沖擊行程。c)若以流量利用率為優(yōu)化目標,分別計算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水平對應的平均效果ˉⅠη2Ⅰˉη2、ˉⅡη2Ⅱˉη2、ˉⅢη2Ⅲˉη2及它們之間的極差R。然后取ˉⅠη2Ⅰˉη2、ˉⅡη2Ⅱˉη2、ˉⅢη2Ⅲˉη2為縱坐標,諸因素為橫坐標,作出諸因素與流量利用率的關系,如圖3。按極差大小排序,影響流量利用率的因素主次順序,極差為13.17→9.01→7.06→3.55;因素為沖擊行程→沖錘質(zhì)量→活塞直徑→活塞桿直徑。沖擊行程的極差最大,為13.17,說明,沖擊行程影響流量利用率最為顯著,其次是沖錘質(zhì)量、活塞直徑、活塞桿直徑。d)以沖擊功率為優(yōu)化目標函數(shù)。分別計算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水平所對應的平均效果ˉⅠΡⅠˉP、ˉⅡΡⅡˉP、ˉⅢΡⅢˉP以及它們之間的極差R。然后取ˉⅠΡⅠˉP、ˉⅡΡⅡˉP、ˉⅢΡ為縱坐標值,諸因素為橫坐標,作出諸因素與沖擊功率之間的關系,如圖4。按極差大小排序,影響沖擊功率的因素主次順序,極差為10698.60→7621.17→5547.92→2665.05;因素為活塞直徑→沖錘質(zhì)量→活塞桿直徑→沖擊行程。活塞直徑的極差最大,為10698.6,說明活塞直徑影響沖擊功率最為顯著,其次是沖錘質(zhì)量、活塞桿直徑、沖擊行程。由以上分析可知,泵壓上升,沖擊功增加,沖擊頻率增加;活塞與活塞桿直徑的面積差減小,泵壓上升,沖擊功、沖擊頻率增加。因此,設計沖擊器時,可以通過增加錘重或減小面積差來利用高壓,降低對泵量的需求,設計低流量高泵壓的射流沖擊器。反之,可以通過減小沖錘質(zhì)量或增加面積差來減小壓力,設計大流量低壓力的沖擊器。在滿足沖擊功沖擊頻率的基礎上,以能量利用率最大作為設計目標。由極差分析可知,活塞直徑對能量利用率的影響最大。W5方案的工作性能參數(shù)與設計目標值比較接近,即沖擊行程60mm,沖錘質(zhì)量為45kg,活塞直徑?85mm,活塞桿直徑?30mm。實際設計過程中,可進一步優(yōu)化。2b調(diào)節(jié)機構(gòu)設計針對石油鉆井的工況條件,設計了深孔石油鉆井的液動射流沖擊器,整體結(jié)構(gòu)如圖5。a)射流元件的工作室參數(shù)進行了改進設計,增大了深寬比及各過流斷面的尺寸,并進行了鑲嵌硬質(zhì)合金和表面冶金處理,以適應石油鉆進孔深、大排量、高泵壓等條件。b)設計了簡單有效的行程調(diào)節(jié)機構(gòu),通過改變調(diào)整錐桿的長度,可大幅度地調(diào)整行程,從20～230mm,以實現(xiàn)沖擊器性能參數(shù)的調(diào)節(jié)。c)活塞密封采用了非接觸式螺旋密封,密封可靠,壽命長。d)沖擊器砧子與下接頭采用一體化設計,增加了該處的強度,并使螺紋實現(xiàn)了標準化。e)設計了下滑式防空打機構(gòu),其簡單可靠,避免了沖孔時,沖錘的無效沖擊。其原理是,當鉆具提離孔底時,鉆頭及砧子下滑,砧子坐在下接頭的臺階上,同時活塞沖錘也隨之下移,使活塞下圓柱面關閉下腔進水口,這樣流體就無法進入下腔,沖錘活塞無法抬起,沖擊器停止工作。沖洗液由排空孔直接流向孔底。f)設計了分流裝置,可滿足不同鉆井深度,不同鉆頭(牙輪鉆頭或球齒鉆頭)的需要。g)整套鉆具的全部螺紋均采用了石油