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射流式液动锤增设蓄能装置的数值分析与实验研究

彭枧明  
【摘要】:WP=120 构建合理的数学模型,开发模拟仿真软件,对射流式液动锤 进行数值分析,可以大大缩短优良性能产品的研制开发周期,降 低试制成本和风险,是射流式液动锤理论研究的重要方面。前人 已 有 数 学 模 型 预 测 的 射 流 式 液 动 锤 前 后 腔 压 力 变 化 曲 线 无 论 在 形状还是在数值上与实测曲线有较大的差距,对驱使活塞冲锤运 动的作用力——前后腔液体压力的数学描述不尽合理,忽略了射 流式液动锤的心脏和灵魂——射流元件的存在。依据前人已有模 型和软件预言,随着活塞冲锤质量的增加,冲击功和冲击频率都 增加,而多次重复试验明确证明,冲击功增加,冲击频率降低。 另外,前人已有模型没有涉及储能装置。因此,为推进无储能装 置和有储能装置的射流式液动锤内部动力过程的理论研究,有必 要进一步深入研究改进射流式液动锤内部动力过程的数学模型。 射流式液动锤单次冲击功和工作稳定性的显著提高,将大幅 度地提高冲击破碎岩石的效率,明显改善坚硬岩石钻进效果,促 进它在油气钻井、地热钻井、大陆和大洋科学钻探、非开挖导向 钻进、基岩水井钻凿等领域的推广应用。前人为此做了大量卓有 成效的工作,积累了宝贵的经验,获得了大量珍贵的数据。但是 射 流 式 液 动 锤 的 活 塞 冲 锤 冲 击 末 速 度 与 气 动 和 油 压 冲 击 器 普 遍 达到的 8~10m/s 冲击末速度相比还相距甚远,冲击节奏的稳定性 也有待显著提高。深入分析研究表明,气动和油压冲击器冲击末 速度之所以可以达到材料许可的冲击速度的极限值,关键在于二 者都存在储能机制。储能机构的存在是油压冲击器在小流量、高 泵压条件下得以节奏稳定地输出高冲击功的最关键因素之一。因 此,有必要借鉴气动和油压冲击器的储能机制,对射流式液动锤 上增设储能装置进行理论研究和试验研究。 本文针对上述问题进行了研究,内容包括:(1)无储能装置的 射流式液动锤内部动力过程新模型。(2)有储能装置(包括前腔单 独接蓄能器、后腔单独接蓄能器、前后腔均接蓄能器、后端设蓄 能器缓冲储能和后端设弹簧储能。)的射流式液动锤内部动力过 程数学模型。(3)基于新构建的系列模型开发数值分析软件。(4) 运用基于新系列新模型的新仿真软件分析 16 个参数的变化对射 流式液动锤性能的影响,寻找有利于大幅度提高活塞冲锤冲击末 速度的结构形式和参数组合。(5)研制开发冲击末速度非接触测定 系统,提高测试的精度和可靠性;引进新的冲击频率精确测定工 具。(6)开展射流式液动锤前后腔增设蓄能器的试验研究。 基 于 新 构 建 的 无 蓄 能 装 置 的 射 流 式 液 动 锤 “ 类 冲 击 式 水 轮 1 WP=121 机”模型,预言的各参数对射流式液动锤性能影响规律与前人经 反复确认的试验结果在变化趋势上完全一致。受冲击式水轮机的 原理及其力学模型启发,作者在国内外首次构建了将射流元件包 含在内的射流式液动锤模型,推导得到了物理含义清晰的射流式 液动锤前后腔液体压力的明确数学表达式,依据大量计算数据描 绘 的 前 后 腔 液 体 压 力 随 时 间 变 化 的 曲 线 与 实 测 曲 线 在 形 状 上 很 相似,清楚地反映了行程终了时水击压力及每个活塞冲锤运动周 期内前后腔压力的变化过程。依据数值分析结果描绘的前后腔压 力变化曲线各点的数值与实测数据有一定差距,原因在于:一是 测试系统有误差;更重要的是随机干扰因素(如活塞冲锤加工装 置精度不高导致活塞冲锤受到附加的摩擦力。)实际上普遍存在, 但难以描述和预测,模型中为简化起见未加考虑。 基于无储能装置的射流式液动锤“类冲击式水轮机”模型, 结合理想气体绝热过程方程等,扩展建立了有储能装置的系列数 学模型,可以用来分析预测前后腔液体压力、蓄能器内气体体积 和压力随时间的变化过程。 在 Visual Basic 6.0 开发平台上开发的仿真分析软件包含了作 者建立的系列数学模型,功能较强、界面简单清晰、交互性好。 该 数 值 分 析 软 件 可 以 计 算 分 析 给 定 参 数 条 件 下 的 无 储 能 装 置 和 有储能装置射流式液动锤的性能参数,每隔 10 个时间步长自动 将过程数据输出到 Excel 文件,以绘出前后腔压力、活塞冲锤运 动的加速度、速度和位移、蓄能器容积和压力等随时间变化曲线; 计算分析 15 个参数对射流式夜动锤性能影响的规律。 数值分析结果表明,前后腔连接蓄能器对活塞冲锤冲击末速 度和单次冲击功、冲击频率等影响很小;弹簧缓冲储能对活塞冲 锤冲击末速度和单次冲击功、冲击频率等影响也很小;后端设蓄 能器缓冲储能对单次冲击功、冲击频率等影响显著。后端缓冲蓄 能器的充气压力、初始容积的变化并不引起射流式液动锤性能的 显著变化,但与无储能装置时相比,活塞冲击末速度可提高 46%~ 62%,频率可提高 10%~ 15%。活塞杆缓冲段直径和缓冲行程的变 化可以引起冲击功和冲击频率的很显著变化。在其它条件一定的 情况下,活塞杆缓冲段直径从Φ42mm 减小到Φ10mm,冲击末速度 从 4.23m/s 增加到 8.22m/s,与无储能装置时相比,冲击末速度 和 冲 击 ?


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