增大液动射流式冲击器单次冲击功的试验研究

增大液动射流式冲击器单次冲击功的试验研究 增大液动射流式冲击器单次冲击功的试验 研究 j.一. 第3O卷第3期长春科技大学Vo[30.No.3 2000年7月JOURNALOFCHANGCktUNUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECI-nXIOLOGYJu 1.2000 文章编号:1008—0058(2000)03—0303—04 增大液动射流式冲击器单次冲击功的试验研究 !壁塑荣庆,辜华良 (长春科技大学工程技术学院,吉林长春13~126) 摘要:试验蛄果发现,当行程加太时,获得较高的冲锤末速度(5.43m/s).单次冲击功34645J. 当活塞运动所需瞬时流量已太太超过了水泵供水的供蛤量时,冲击嚣仍托稳定地工作,这体现了射流 冲击器作为一开放的系境所特有的流量可自动朴偿的优点.射流冲击嚣对负载的适应能力较高.且 在太行程条件下,增加锤重可较太幅度地提高单次冲击功. 美键词!兰堂生些芏圭墨;主之墨一 中围分类号:P6344文献标识码:A 1试验方案 试验目的是提高液动射流式冲击器的单次冲击 功,检验其对负载的适应能力,检验射流元件对石油 钻井的高泵量,太泵压的适应性,搞清射流冲击器能 量转化的规律,冲击器活塞冲锤工作的动态特性,并 获得大量的试验数据,为修正射流冲击器工作的数 学模型,完善冲击器微机模拟电算提供依据. 根据试验目的,结合对射流理论研究所获得的 认识,确立了以增大冲击行程及冲锤质量为主的试 验方案.通过对液压凿岩机的分析给我们很大的启 发,目前液压凿岩机大多数行程是可调的,且大冲击 功的液压凿岩机,多采用较大的行程.如瑞典的 o.P1038液压凿岩机,其冲击行程达762rml1』, 考虑到液动射流式冲击器工作时其上,下腔压力曲 线比较平稳,增加冲击行程必将引起液压力作用时 间的增长,从而可获得较高的冲击末速度及冲击功. 此外,由微机模拟电算的结果可看出,对于一确定的 冲击器,假设其能量转换率一定,则降低其冲击频 率,必将引起冲击功的增加.而对于流体机械,增大 行程和锤重是降低频率的有效途径. 液动射流冲击器的工作原理,决定了其喷嘴是 很重要的部分,泵量的变化直接影响喷嘴的特性,射 流附壁的特性及能量的转换.考虑到石油钻井的排 量较大,采用较小喷嘴尺寸的射流元件,大幅度改变 泵量,研究其能量转换规律及对冲击器性能影响,对 设计石油钻井冲击器有重要参考价值. 2试验钻具的设计 根据实验室现有设备情况和试验方案,采用美 国产水泵,其额定泵压为10MPa,最大排量为 1000L/min,设计加工了两套试验钻具,一套钻具 上部缸体外筒直径为89rnrtl,另一套为150rnlTl,下 部冲锤的外筒直径均为245rnrtl.根据试验需要, 在缸体外筒上引出了上下腔压力测试接头,设计了 行程调节机构,加工了测试砧子,测试杆和连接不同 质量锤子的锥面连接接头. 3增大射流式冲击器单次冲击功的试验 根据所制定的试验方案,利用所加工的试验钻 具,在室内进行了大量的试验工作,历时近1年多, 取得多组有效的试验数据,为石油钻井冲击器的设 计提供了可靠的依据. 3.1泵?,泵压变化的试验 试验时,泵量靠水泵柴油机变档位和三通阀调 节,测试数据如表l所示. 收稿日期:1999—10—15 基金项目:吉林省科委青年基金资助项目 作者简介:菅志军,男,1966年生,博士后.主要从事地质工程及钻探机械研究 , 3O4长春科技大学2OO0燕 衰1改变泵?测试数据 Table1jdl嚷d毗l0fp岫lpdi曩d 由表中数据可绘出泵量Q与冲击频率,之间 关系曲线,亦可绘出泵量Q与泵压P及流量利用率 的关系曲线,如图1及图2所示. 圈1泵?改变与冲击功,冲击频率的美系 . 1Rel,~loaofadhIg曲erandfrequency-晦 char冒e 以上试验数据是利用SC89试验钻具测得的, 试验钻具参数为:活塞冲锤质量23.5kg,行程 138mm,射流元件喷嘴截面积44.8mm2,括塞有杆 腔截面积1431.84m,无杆腔截面积1962.5 mrn2. 分析图1曲线可以看出,在一定条件下,随泵 量的增加,冲击功近似呈线性增加的趋势,冲击频率 的增加较冲击功增加幅度慢,呈曲线增加趋势.这 种变化关系可从喷嘴特性及射流附壁的特性来解 释.由于喷嘴处射流的速度很高,水泵输出的能量 在喷嘴处几乎全部转化为动能,然后在射流元件的 受流口(输出道)处,又几乎全部转化为压力能.水 泵输出流量越大,喷嘴处流速越高.根据射流附壁理 论,则射流附壁越稳定,受流口的流量收获量越大. 于是活塞上腔压力升高,活塞冲锤的运动加速度增 加.若将活塞冲锤的运动近似为等加速度运动,冲 击功近似呈线性增加的趋势. 至于频率变化曲线,由于考虑到冲锤回程的影 响,其增加趋势减缓. 圈2景量变化与泵压殛谴?利用率关系 .21Relalt~a0f?_锄?Imm哪. dtschar窘e 图2的曲线变化需考虑到喷嘴及射流冲击器的 由于喷嘴的作用,水泵输出的泵 负载特性来解释. 压很高,而流体在进人喷嘴前的流速较低,可近似认 为,喷嘴处流速的动能主要由压力能转化而来.随 着泵量的增高,喷嘴处流速很快增高,泵压亦必随之 增高,考虑到泵压的升高亦受到负载的影响,当泵压 升高到一定程度,活塞冲锤运行速度加快,甚至会出 现瞬时流量大于水泵供给流量的现象.以表中第三 组数据为倒,当活塞冲锤末速度为3.5m/s时,其要 求瞬时流量为412L/rain,而水泵的供给流量仅为 344L/rain,不足的流量需由稳压罐及管路系统来补 充.由于射流冲击器属一开放的系统,所以这种补 充是可以实现的,所以表现出一定程度下泵压的升 高趋缓. 流量利用率随泵量增大而降低的结果也可以由 上面的观点解释.仅以冲程为例,冲击末速度越高. 外界补充流量越多.则在活塞运动消耗流量中,消耗 水泵供给流量所占的比例越低,即体现在流量利用 率的降低. 第3期营志军等:增大{茛动射流式冲击器单扶冲击功的试验研究——— 3.2增加行程的实验 增加行程的试验是用鼢9试验钻具进行的, 为方便试验,锤重选用23.5kg.行程的变化由 18—n至230m,钻具其它参数与前面的试验基本 相同.试验所测得的数据见表2. 寰2增加行程试验数据 Table2Thet鼬喧data曲姗醉呜pI曲咂神 根据相关数据绘制出冲击功,冲击频率随行程 变化的关系曲线如图3所示.考虑到可比性,水泵 排量均选择在240L/n~n左右. 田3行程变化与冲击功,冲击频率关系 窖.3RI出I廿肌删盯留ot.p盹nItgmind呐l哪叮vs.pb- Ionsh 改变行程的试验取得突破性进展,获得最高冲 锤末速度为5.43m/s,单次冲击功达346.45J,该冲 击功与相近直径的风动冲击器JG—l0o相比,是其 冲击功的1.65倍,可以配球齿钻头,实现体积碎岩. 由图3可看出,在泵压,泵量及其它条件基本不 变的条件下,随行程的增加,冲击功近似呈线性增加 的趋势,频率近似呈双曲线趋势下降.由射流冲击 器的动态血线可知,冲击器工作时压力较平稳,水击 压力的作用时间短,峰值低,所以冲锤的束速度主要 取决于工作腔内液体的作用力及力的作用时间,行 程增加,力的作用时间延长,引起冲锤末速度的提 高. 此外,由于行程的增加,频率较大幅度地下降. 单位时间射流切换的次数减少,从而减少了因射流 切换引起的能量损失.据有关资料,冲锤撞击及射 流切换的时间在6,8n数量级.冲锤回程运动时 间约为冲程运动时间的1_4,1.5倍.以表2中第 一 组数据为例,行程18m,频率14.16Hz,则冲程 时闯约为23.45ms,回程时间约为32.83n.可 见冲锤撞击及射流切换时间在整个冲击周期中所占 的比例. 3.3改变锤重的试验 改变锤重的试验主要用SC150试验钻具,射流 元件喷嘴截面积为126m,括塞无轩腔截面积为 6358.5?,有杆腔面积为5397mm2.试验数据 见表3. 试验主要检验射流元件承受负载的能力,由试 验数据,锤重达173.5kg时.冲击器工作正常.冲 击功随锤重增加呈曲线增加的趋势,而冲击频率呈 曲线下降的趋势.由于在回程中,重力方向与冲锤 运动方向相反,随锤重的增加,冲锤运动的加速度减 少,它主要影响冲击频率的改变.冲击功随锤重变 化的幅度大小取决于行程.在行程较大的条件下, 增大冲锤重量对提高单次冲击功具有重要意义. 长春科技大学2000拄 衰3改变锤重的试验数据 Table3Thetestingdata0fehaa~ghm.sq~cuy 4结语 (1)通过增大行程.大幅度地提高了射流冲击器 的单次冲击功.SC89试验钻具的试验获得最高冲 锤末速度5.43m/s,单次冲击功346.45J. (2)阐明了射流冲击器喷嘴能量转化规律,即在 喷嘴处的能量主要以动能的形式表现,而在射流元 件的受流口,又主要转化为压力能,推动括塞冲锤作 功. (3)通过试验结果发现,当行程加大,获得较高 的冲锤末速度时.括塞冲锤运动所需瞬时流量巳大 大超出了水泵的供给流量.但冲击器仍能稳定地工 作.充分体现了射流冲击器作为一开放的系统所特 有的流量可自动补偿的优点. (4)锤重变化的试验说明了射流冲击器对负载 的适应能力较强.且在大的行程条件下.增加锤重 可较大幅度地提高单次冲击功. 参考文献: [1]王维华,郭孝先.黎永原.等编译国外液压凿岩机 [M].北京.煤炭工业出版社.1987. [2]王人杰.蒋荣庆,韩军智.液动冲击回转钻探【M]北 京:地质出版社,1988. THERESEARCHOND虻EASGACI1NG ENERGYOFHYDRO—E=LUXHAM皿R JIANZhi-jun.YINKun.JIANGRong-qing.GUHua-liang (C~angchunUniversityofmU.,~andTochnology,o-gI"130026,0船) Alas'tract:Theexperimentshowsthatthefinalimpactingvelocityofh&mmerhasreach ed5.34m/s,and thes~ngleimpactingenergyhasreached346.45J.whenthedisplacementwa8lengthen.Ir培 tantane3usflow hasexceededgreatlythepumpflow,butthehammercfl$1stillworksteadily.whichmeansthat aSaopening systemthefluidiceffluxhflmmerhasitso帅advantageofflowauto— compensating.Theelfluxharrlrn盯has gooaadaptiveabilitytolode,andsingleimpactingenergycfl$1heenhancedgreadybyincreas ingweightofthe hammerundertheoonditionoflongdisplacernent. Keyw0s:hydro—effluxhammer;impactingenergy:drillset IlFll,