縱向減震器的設計理論

陳玉， 劉國光， 馮永軍， 陳錫吽

（四川石油射孔器材有限責任公司，四川隆昌642150）

0 引言

射孔作業中使用減震器這一工藝來源于國外，特別是射孔與地層測試器聯合作業中減震器的應用尤顯重要。雖然其型號繁多，但基本結構大體一致，如圖1所示。

工作原理：下井前根據現場需要選擇堵頭數量，當縱向沖擊力大于剪切銷最大剪切力時，剪切銷被剪斷，滑動總軸向上運動，此時彈簧沿中心管運動吸收大部分能量，外套筒環空內的流體被壓縮形成流動阻尼吸收部分能量。

1 彈簧

彈簧是減震吸能的關鍵部件，因此它的性能決定著整個器材的使用效果。

1.1 材質的選擇

彈簧能可靠工作，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應具有足夠的韌性和塑性，以及良好的可熱處理性。目前較為常用的彈簧材料有65/70鋼、65Mn、60Si2Mn、50GrVA 等［1］。

以65/70鋼為代表的碳素彈簧鋼，其優點是價格便宜、原料來源方便；但其彈性極限低，多次重復變形后易失去彈性，特別是不能在高于130℃的溫度下正常工作這一特性，絕對不能用于井下器材的制造。

以65Mn為代表的低錳彈簧鋼雖然淬透性好、強度較高，但淬火后容易產生裂紋及熱脆性［2］，其可加工性不佳。

圖1 縱向減震器基本結構

以50GrVA為代表的鉻釩鋼中加入了鉻使其組織細化，且有高強度和韌性，耐疲勞和抗沖擊性能也良好，并能在-40～210℃范圍內穩定工作，但其高昂的價格，使制造成本大幅提高。

60Si2Mn由于Si的加入，顯著提高了彈性極限，并有穩定的回火性，可在更高的溫度下回火，其良好的力學性能完全滿足減震器對材質的要求；從實踐上看，其廣泛應用于汽車類彈簧部件，也證實了它的可靠性；加之與50GrVA相比，又有明顯的價格優勢。因此，從使用性能、可加工性和成本綜合考慮，60Si2Mn是最佳選擇。

1.2 彈簧截面的選擇

圖2和圖3分別展示的是不同型號減震器的彈簧，均采用圓柱壓縮式作為基本結構，只是在端面的處理上略有不同，這一差異主要來源于使用要求和制造成本，但彈簧絲截面均采用了成本更高的矩形。從市場信息可知，相同重量的矩形截面彈簧價格是圓形截面的2倍，那么為何不選用成本低的圓形截面？

圖2 X-1型縱向減震器彈簧

圖3 X-2型縱向減震器彈簧

目前常規機械設計手冊［3］上還沒有關于矩形截面的理論設計公式，下面利用圓形截面公式推導矩形截面彈簧（見圖4）的計算公式：

式（1）、式（2）分別為圓形截面彈簧的剛度計算、彈性力學方法計算極慣性矩公式，式（3）為矩形截面彈簧扭轉位移函數公式（其中n=1、2、3……）。其中：G為切變模量，MPa；Ip為極慣性矩，mm4；D 為彈簧中徑，mm；n 為彈簧有效圈數；x為截面任意一點離截面中心線水平距離，mm。

圖4 矩形彈簧截面

由以上三式得矩形圓柱螺旋彈簧的剛度計算公式：

工程計算中式(4)可以簡化為：

以X-2型減震器為例，矩形彈簧尺寸2a=7，2b=14.5，根據式（5）計算其剛度系數為 p矩′=0.400 88；同一材質、相同截面面積的圓形截面彈簧剛度系數為p圓=0.158 890 6。理論計算表明，矩形截面彈簧在壓縮單位長度時，其吸收的能量是圓形截面彈簧的2倍多；即在相同空間條件下，圓柱螺旋壓縮彈簧中矩形截面比圓形截面的剛度大，吸收能量多。

另外，增加彈簧圈數也是增強減震效果的方法之一，但是井筒內空間狹小、有限，不可能根據需要隨意增加彈簧圈數。從前文的理論計算可知，彈簧采用矩形截面，能在有限的空間和彈簧圈數的限制下，更好地發揮減震器功能。

2 結語

通過分析得知，縱向減震器的彈簧材料選擇是其機械性能、可加工性和成本的綜合考慮，在保證基本使用性能的前提下更傾向于成本考慮；矩形截面的選擇是基于井下使用條件的最優選擇。因此，只要縱向減震器的基本原理和結構不發生變化，將來對其改進的過程中，“矩形截面”是不能改動的，材料卻可以根據實際情況作一定調整。

［1］ 陳宏鈞.機械加工工藝手冊［M］.3版.北京：機械工業出版社，1992.

［2］ QJ 2257-1992 彈簧鋼的熱處理［S］.

［3］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.7版.北京：高等教育出版社，2001：377-395.