液壓震擊器阻尼機構優化設計

□ 范春英 □ 李興杰 □ 周家齊

北京石油機械廠 北京 100083

液壓震擊器是一種先進的打撈震擊工具，其應用液壓原理，采用了先進的工藝技術并集中了各類打撈震擊工具的優點。它結構緊湊，性能穩定，使用方便，適用于鉆井作業中沉砂、泥包等需要向上震擊的卡鉆事故的處理，以及中途測試、解封、取芯等特殊作業，是石油、地質勘探鉆井工程中新型的向上震擊工具［1］。

市場調查發現，個別液壓震擊器下井一次后阻尼機構磨損嚴重，涂層嚴重脫落，導致無法使用。

產品質量是一個企業的生命，為有效提高液壓震擊器的產品質量，增強企業的核心競爭力，筆者詳細分析了產品的失效原因，并提出了優化方案。優化后的液壓震擊器試驗臺架有效工作周期超過400次，且拆檢后發現，零部件除正常磨損外，無其它異常，現場使用后，客戶反映使用狀況良好。

1 失效原因分析

液壓震擊器采用液壓油泄漏阻尼原理，通過液壓油在不同壓力下經過一定間隙的泄漏時間不同，提供蓄積震擊的能量不同，來調整震擊力的大小。液壓阻尼機構是液壓震擊器的重要組成部分，其質量好壞直接決定了液壓震擊器的工作周期。調查中發現，失效的液壓震擊器阻尼機構均磨損嚴重，涂層嚴重脫落，導致無法使用，如圖1、圖2所示。

圖1 涂層脫落

圖2 涂層磨損

經分析，阻尼零件涂層脫落或磨損與其表面處理工藝有關。

1.1 工藝分析

阻尼零件的表面處理工藝為熱噴涂，熱噴涂是利用由燃料氣或電弧等提供的熱量，經噴槍，將絲（棒）狀或粉末狀噴涂材料加熱到熔化或軟化狀態，并通過高速氣流，使其進一步霧化、加速，然后噴射到工件表面而形成涂層的方 法［2］。

1.1.1 熱噴涂工藝流程

熱噴涂的一般工藝流程主要包括3個基本工序：工件預處理，噴涂，涂層后處理。

（1）工件預處理。為了使涂層與基體材料很好地結合以及滿足噴涂工藝的需求，基材表面必須進行預處理，包括表面預加工、凈化、粗糙化和黏結底層等幾步操作。除此外，工件預處理還包括預熱，其目的是為了消除工件表面的水分，提高噴涂時涂層/基體界的溫度，減少基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的殘余應力，以避免由此導致的涂層開裂和改善涂層與基體的結合強度。預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素，一般控制在60～120℃范圍。

表面預處理是熱噴涂作業中非常重要的工序，涂層的結合質量直接與基體表面的清潔度和粗糙度有關，并且其表面清潔度應一直保存到噴涂完成為止，以保證涂層與基材的粘接。

（2）噴涂。這是整個熱噴涂工藝的主體和關鍵工序，其它的工序都是為保證此步而進行的。噴涂的操作主要是選擇噴涂方法和確定噴涂參數。

（3）涂層后處理。有些涂層在噴涂后不能直接使用，而須進行各種后續處理。主要包括封孔處理與致密化處理，根據不同的需要采取不同的后處理工藝。對有尺寸精度要求的涂層，要進行適當的機械加工等。

1.1.2 熱噴涂涂層結合方式

熱噴涂技術中涂層與基體的結合機理主要為機械結合或“拋錨作用”，即最先形成的薄片狀顆粒與基體表面凹凸不平處產生機械咬合，隨后飛來的顆粒敷在先到的顆粒表面，依照次序堆疊鑲嵌，形成以機械結合為主的噴涂層。此外，噴涂過程中顆粒在撞擊到基體時釋放出大量能量，使基體表面局部達到瞬時高溫，導致涂層材料與基體之間發生局部擴散和焊合，形成冶金結合。但是顆粒撞擊涂層時冷卻速度非常快，擴散反應過程非常短，擴散層厚度很淺，一般不超過0.5 μm，所以常稱其為微冶金結合。

1.2 失效原因確定

（1）熱噴涂工藝復雜且各個工序都對涂層質量有很大影響。因此，零件工藝相對較復雜，涂層質量較難控制，這就造成個別阻尼零件鍍層易脫落，磨損嚴重，導致液壓震擊器失效。

（2）以機械結合為主的結合機理，決定了熱噴涂涂層的結合強度較差，只相當于其母材材料的5%～10%，最高也只能達到 70 MPa［2］。

以上兩點造成了個別阻尼零件鍍層易脫落，磨損嚴重，導致液壓震擊器失效。

2 優化方案

針對上述問題，從結構和工藝兩方面對阻尼零件進行了優化［3］，制訂了3個優化方案。

2.1 方案1：改變阻尼零件基體材料

原阻尼零件材料為合金鋼，與之配合的零件亦為合金鋼，因此需對阻尼零件進行表面處理，使其硬度減小而耐磨性增強。

改進方案1是改變阻尼零件的材料：有配合的部位為硬度較低但耐磨的金屬，其余部位仍為合金鋼，兩者壓合為一體，并在其上增加儲油槽，起潤滑作用。

2.2 方案2：改變阻尼零件基體材料

方案2的阻尼零件配合部位為橡膠，通過特殊工藝與基體結合。

2.3 方案3：改變阻尼零件表面處理方式

阻尼零件表面處理方式改為激光表面處理技術。激光表面處理技術融合了現代物理學、化學、計算機、材料科學、先進制造技術等多學科技術的高新技術，包括激光表面改性技術、激光表面修復技術、激光熔覆技術、激光產品化技術等，能使低等級材料實現高性能表層改性，達到零件低成本與工作表面高性能的最佳組合［2］，其特點如下。

（1）在零件表面形成細小均勻、層深可控、含有多種介穩相和金屬間化合物的高質量表面強化層，大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐蝕性和抗疲勞的能力以及制備特殊的功能表層。

（2）強化層與零件本體形成最佳冶金結合，解決許多傳統表面強化技術難以解決的技術關鍵。

（3）依靠零件本體熱傳導實現急冷，無需冷卻介質，而實現相變硬化和熔凝硬化。

（4）與各種傳統熱處理技術相比，具有最小的變形，可以用處理工藝來控制變形量。

（5）可進行靈活的局部強化，根據需要，可處理零件的特定部位以及其它方法難以處理的部位。

（6）一般無需真空條件，即使在進行特殊的合金化處理時，也只需吹保護性氣體即可有效防止氧化及元素燒損。

（7）配有計算機控制的多維運動工作臺的現代大功率激光器，特別適用于生產率很高的機械化、自動化生產。

（8）生產效率高，加工質量穩定可靠，成本低，經濟效益和社會效益好。

3 試驗驗證

優化方案確定后，以外徑178 mm規格的液壓震擊器為樣機，對3個方案分別進行了功能性試驗與壽命試驗［4］，以驗證各個方案的可行性及實施效果。

3.1 功能性試驗

3.1.1 試驗目的及要求

試驗目的：驗證優化方案的可行性。

試驗要求：液壓阻尼機構主要性能指標須滿足標準要求。

3.1.2 試驗步驟及內容

（1）試驗順序：方案2→方案1→方案3。

（2）將試驗樣機放置于試驗臺架上，進行跑合。

（3）性能試驗：初拉力試驗、標定釋放力試驗及最大釋放力試驗。施加推力將試驗樣機完全閉合，調節試驗裝置拉力Ts(即設定值)分別為70 kN、550 kN和800 kN，換向閥搬至拉的位置，將其完全拉開，同時記錄釋放時間、釋放距離、總行程及復位力等。重復2～3次。

3.1.3 試驗結果及分析

（1）方案2：初拉力試驗釋放時間較長，達到17.83 min（行標 4～8 min［1］），且當最大釋放力試驗進行到第二次時，無明顯液壓阻尼過程（即沒有憋壓儲能過程），現場判斷阻尼機構過盈配合失效，隨即拆檢發現橡膠部分開裂。

（2）方案1：初拉力試驗釋放時間較長12.70 min（行標 4～8 min［1］），標定釋放力試驗釋放時間 41 s（行標20～40 s），超過標準范圍上限少許，功能試驗技術指標穩定。經分析可能是由于阻尼零件端面過流槽尺寸問題或者油液中有污物影響釋放時間。經拆檢發現油液中有極少量銅屑，并對阻尼零件過盈部位外圓尺寸進行測量，有微量磨損，屬正常現象。

（3）方案3：經整機跑合后試驗，各項技術指標均符合標準要求［1］。在初拉力試驗中，第一次釋放時間較長，后經過跑合后趨于正常，經初步分析原因在于，第一次試驗油溫過低，黏稠度高，過流速度慢，時間長；還有就是裝配后過流槽內有污物，影響過流速度。

由上述分析可知，液壓震擊器液壓阻尼機構優化方案1和方案3的性能基本達到預期目的，下一步將分別對其進行壽命試驗，以確定其具體的有效工作周期［1］，驗證其穩定性。

3.2 壽命試驗

3.2.1 試驗內容

壽命試驗主要是釋放力不低于產品最大釋放力的50%時，液壓震擊器震擊次數大于有效工作周期（行標200 次［1］），記錄其實際釋放力、釋放時間，然后拆檢觀察零部件的損壞程度。此次試驗設定釋放力為550 kN，釋放次數為400次。

3.2.2 試驗結果及分析

（1）方案1：400次試驗結果顯示：最大釋放力為534 kN，最小釋放力529 kN；釋放時間最長41 s，最短37 s（行標20～40 s）。實驗數據相對穩定，有較小波動，分析原因是由于試驗臺本身系統備壓隨溫度變化造成的，屬正常。

（2）方案3：400次試驗結果顯示：最大釋放力為532 kN，最小釋放力526 kN;釋放時間最長37.6 s，最短25 s（行標20～40 s）。實驗數據相對穩定，有較小波動，分析原因是由于試驗臺本身系統備壓隨溫度變化造成的，屬正常。

3.2.3 試驗樣機拆檢

樣機經廠內臺架試驗后，進行了拆檢，主要是了解試驗后主要零部件的磨損情況，以確定優化方案的可靠性。拆檢情況如下：

（1）方案1：阻尼零件：配合部位表面光亮，外徑較原始值減少約0.01～0.03mm，屬正常磨損，其它零部件除正常磨損外，其余無異常；

（2）方案3：阻尼零件：表面處理部位尺寸基本無變化，有軸向劃傷，較嚴重。其它零部件除正常磨損外，其余無異常；

試驗結果表明，方案1與方案3設計合理，制造控制嚴格，性能可靠，技術指標穩定，達到了設計要求，有效工作周期遠超過了行業標準相關震擊次數的要求。

綜合分析，并結合成本預算，選用方案1為最終優化方案。為了進一步驗證結構優化后產品壽命的穩定性，特對5套采用方案1作為阻尼機構的液壓震擊器進行了臺架試驗，結果顯示，均達到優化樣機性能。

4 現場應用

改進后的液壓震擊器陸續發往多家客戶使用，總計30余套，另有3批配件發給客戶，客戶反映使用狀況良好。

5 結論

（1）原阻尼零件表面處理工藝為熱噴涂，由于其工藝復雜、涂層結合強度低導致個別阻尼零件涂層脫落或磨損嚴重，使液壓震擊器失效。

（2）針對阻尼零件失效原因，設計了3個優化方案，并進行了功能化及壽命試驗。試驗結果表明：方案2無法達到行業標準要求，方案1與方案3設計合理，其性能可靠，技術指標穩定，達到了預期目的。優化后的阻尼零件式液壓震擊器臺架試驗達到400次 （行標200次），樣機拆檢后除正常磨損外，基本無異常。

（3）產品發往現場使用后，客戶反映使用狀況良好，證明此次改進成功的提高了產品整機使用壽命，增強產品了在各種鉆井工況下的可靠性。

［1］ SY/T5496-2010震擊器及加速器［S］.

［2］ 胡傳炘.表面處理技術手冊［M］.北京：北京工業大學出版社，1997.

［3］ 田明，鄔衛紅.高壓超深井液壓震擊器的改進及應用［J］.石油機械，2008，36（8）：81-83.

［4］ 劉長艷.液壓上擊器臺架試驗動力學探討［J］.石油礦場機械，2008，37（7）：56-59.