基于LS-DYNA的射流式液動錘回程動力外傳機構研究

張鵬飛， 程靖清， 葛 東， 彭枧明

(吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

0 引言

硬巖的鉆進效率在非常規油氣資源與地熱能源的開發中日益重要。常規鉆進技術如牙輪鉆頭、PDC鉆頭回轉鉆進的方法在硬巖地層中鉆進速度低，鉆頭壽命短，鉆進成本高。潛孔錘鉆進技術是目前硬巖鉆進中最有效的技術方法之一[1]。大量的現場應用表明：在堅硬巖層中射流式液動錘與常規回轉鉆進相比，鉆速提高50%,此外射流式液動潛孔錘射流束的附壁與切換原理，決定了該類液動錘不受孔內圍壓及孔深的影響，利于深孔鉆進。

射流式液動錘在鉆進中的鉆速與沖錘沖擊末速度密切相關，通過提高射流速度來提高沖擊末速度是一個很好的途徑。硬質合金材料的射流元件在高速射流中具有較強的耐沖蝕性，然而硬質合金是一種在沖擊力下容易碎裂的脆性復合材料[2-3]。當活塞桿回程以相當大的末速度撞擊缸體時，沖擊應力波會將大量的能量通過缸體傳遞給射流元件，使射流元件很容易遭到沖擊破壞，從而縮短液動錘的使用壽命。地面試驗過程中，液動錘工作1 min左右后射流元件遭到破壞如圖1所示。因此，有必要設計一種改變回程沖擊應力傳播途徑的結構，此結構是將沖錘回程至上死點時，避免活塞桿與缸體的碰撞，將其轉化為沖錘與中接頭的碰撞。降低射流元件受到沖擊應力的影響，并且結構簡單、可靠，在復雜多變的鉆孔環境中具有良好的適應性。

殷明不想看著這個似乎居高臨下的時間的代表，他關掉手機。想想，又打開了，翻到那條存留許久的短信：“明，我走了。以后也別再找我了，咱們就此別過吧，祝你找到理想的工作。再見！”

圖1 地面鉆進試驗過程中硬質合金射流元件遭受沖擊破壞Fig.1 Impact failure of tungsten carbide jet elements during surface drilling tests

1 沖擊應力傳播的理論分析

沖錘撞擊中接頭外傳機構如圖2所示，在常規的射流式液動錘工作中，沖錘回程至上死點時，活塞桿與缸體內缸發生撞擊。活塞桿和沖錘組成的沖擊部分與缸體形成了沖擊機械系統，沖擊機械原理在彈性動力學中有兩種分析模型：機械振動與應力波傳播，在這個回程撞擊中缸體受到時間極短的沖擊載荷，并且在作用方向上沖擊部分與被沖擊部分均為細長且獨立的部件，撞擊后接觸面上只傳遞壓力。所以撞擊產生的能量以應力波的形式傳遞給射流元件。在設計外傳機構的液動錘中，在保證活塞桿沖程與回程路程匹配的同時，通過增加內缸行程的長度使活塞桿在撞擊內缸之前撞擊中接頭。在同一均勻介質中的應力峰值隨傳播距離的變化可表述為σ=σ0x-α(式中σ0為介質中某一點的應力)。平面應變狀態下,應力峰值在線彈性體中的衰減指數α是一個隨著應力峰值降低(或傳播距離增加)而增加且大于1的值[4-5]。l=x/x0為應力波傳播的相對距離,取x0為單位距離，x為到應力峰值的距離，應力峰值隨傳播距離的增加而下降。

圖2 沖錘撞擊中接頭外傳機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of external transmission mechanism through a middle connector during impact of the hammer

除此之外，中接頭與缸體之間還存在著缸蓋等一系列結構，這樣又增加了接觸面的數量。在應力波傳播的過程中，接觸面被稱為低波速夾層介質，應力波到達這些結構面的時候將發生反射和透射現象，透射波波幅大幅度衰減后會傳遞給缸體與外管，反射波會帶走大量的能量，導致應力波的衰減以及能量的衰減[6-9]。

2 碰撞模型的建立及邊界條件

在煙囪施工中，砌筑是主要的工序。在砌筑中需要先搭設一個操作平臺，供工人操作、堆料等。而且在煙囪升高后，需要操作平臺不斷地跟隨上升。為此，在煙囪筒壁內側每隔1.2 m留腳手眼，用4根Φ 48 mm鋼管伸入腳手眼作為平臺支撐橫桿，在橫桿上滿鋪5 cm腳手板作為操作平臺。要求桿件、腳手板安裝可靠牢固，不用時方便拆卸。

圖3 中接頭懸臂梁延伸長度均為8 mm，厚度不同Fig.3 The middle connectors with the cantilever beams length of 8mm and different in thickness

圖4 中接頭懸臂梁厚度均為15 mm，延伸長度不同Fig.4 The middle connectors with the cantilever beams thickness of 15mm and different in length

采用Hypermesh軟件在保證計算精度要求的前提下劃分自適應網格，對以上模型采用四面體單元進行劃分[10-13]。由于模型組件較多，四面體網格便于精確捕捉受力點位置，并且在組件較多的情況下能保證網格與模型較好的貼合。為了進一步提高計算精度，射流元件部分進行網格加密，并且在保證曲率連續的基礎上，通過去除和合并多余的邊界對曲面擬合模型進行幾何修補，單元均采用solid164實體單元，單元總數均在60萬左右。各部件網格模型如圖5所示。

本文以沖錘與中接頭相撞代替活塞桿與缸體相撞研究分析了增加動力外傳裝置對射流元件受的回程沖擊的影響，并利用LS-DYNA顯式非線性動力學分析方法，分別建立了“沖錘撞擊中接頭”和“活塞桿撞擊缸體”碰撞模型，并通過改變中接頭懸臂梁的參數探究其對射流元件所受沖擊應力的影響。結論如下：

圖5 各部件的網格模型圖Fig.5 Grid model of components

(1)動力外傳裝置通過改變應力傳播途徑，延長了沖擊應力的傳播路徑，增加反射波帶走的能量，可使射流元件所受的最大應力降低48%。表明本結構對于提高射流元件壽命具有可行性。

表1 兩種不同材料的力學參數Table 1 Mechanical parameters of two different materials

3 模擬結果與分析

3.1 中接頭對射流元件應力強度的影響分析

通過改變中接頭懸臂梁結構參數的模擬組，射流元件中最大應力與懸臂梁厚度關系和最大應力與懸臂梁長度關系如圖7所示。從圖中可以看出，增加懸臂梁厚度與減小懸臂梁長度均能小幅度降低射流元件所受到的最大應力。隨著懸臂梁厚度的增加，射流元件所受到的最大應力的降幅越來越小，并且隨著懸臂梁厚度增加，中接頭內部空間越來越緊張導致液動錘整體的尺寸增加，所以在能有效地降低射流元件所受最大應力情況下，適當增加中接頭懸臂梁厚度即可。同樣從圖中可以看出，減少懸臂梁長度會小幅降低射流元件所受的應力，但懸臂梁長度過短會致使懸臂梁容易被沖擊破壞甚至沖錘穿過懸臂梁致使動力外傳裝置失效，所以權衡利弊選取最佳尺寸即可。

圖6 射流元件應力云圖Fig.6 Stress nephogram of fluidic element

3.2 懸臂梁尺寸對射流元件應力強度影響分析

將活塞桿沖錘系統直接撞擊缸體情況下射流元件的應力分布云圖(圖6a)，與沖錘撞擊中接頭情況下射流元件的應力分布云圖(圖6b)作比較，可以看出射流元件所受到的應力主要集中在具有棱邊的應力集中部位與薄弱部位[14-15]，這與實際情況是相符的，并且實驗過程中破碎部位也是沿著應力圖中應力集中部位破壞的。二者最大應力分別為596和301 MPa，可以看出通過這種改變并延長應力傳播途徑的方式能大幅降低射流元件所受到的最大應力，降低幅度約為48%。硬質合金的疲勞極限為1250 MPa，但由于射流元件結構復雜，在加工過程中難免出現微小的裂紋，這會相應地降低硬質合金的疲勞強度。所以，采取一定的措施來降低射流元件受到的應力是非常有必要的。而我們通過采用中接頭與沖錘的碰撞大幅度降低了射流元件所受到的最大應力，有效地保護了液動錘的核心部件——射流元件。

圖7 改變懸臂梁結構尺寸對射流元件最大應力的影響Fig.7 Effect of changing cantilever structure size on the maximum stress of the fluidic element

4 結論

“影子說”是中國古典小說的一種批評理論，它最開始可見于甲戌本第八回脂評：“晴有林風，襲乃釵副。”這一思想經過發展，形成了蔚為壯觀的影射關系。王富鵬先生曾針對《紅樓夢》的人物影射現象，概括出了紅樓夢的兩大影子人物體系，闡釋這種影子人物體系與小說敘事結構之間的關系①。《紅樓夢》是沿著金瓶梅開創的方向發展而來，可說“深得《金瓶》壺奧”。因此，影身關系在《金瓶梅》中也或多或少地存在著。

材料模型均為線彈性材料模型，射流元件的材料為WC-Co類硬質合金，其余部件的材料均為合金鋼35CrMo，兩種材料力學參數如表1所示。各部件之間均為“面—面”自接觸。在模擬計算中忽略重力影響，沖錘活塞系統回程末速度為軸向8 m/s，計算時間步長設置0.00005 s，計算總時間為0.05 s。

通過solidworks軟件建立“沖錘撞擊中接頭外傳機構”與“沖錘撞擊缸體”簡化模型，缸體頂部余留的厚度為60 mm。中接頭的懸臂梁分別設計了5種不同的厚度與5種不同的延伸長度(如圖3與圖4所示)。

(2)應力集中部位出現在射流元件的溝槽薄弱部位，試驗中射流元件也是沿著這些部位斷裂開來的，這些脆弱的部位在今后的設計過程中應更加注意。

(3)通過改變中接頭懸臂梁的長度與厚度參數會一定程度影響射流元件所受到的應力大小。在一定范圍內，懸臂梁厚度越大長度越小射流元件所受到的最大應力越小。但是影響幅度較小，并且懸臂梁如果過厚或者過短都會產生一系列問題，所以衡量取適合參數即可。

整個改造的過程中，她一直在找我的優點，不管我說出自己的什么缺點，她都覺得不是問題，是我自己小題大做了。