縱向減震器的設(shè)計(jì)理論

陳玉， 劉國(guó)光， 馮永軍， 陳錫吽

（四川石油射孔器材有限責(zé)任公司，四川隆昌642150）

0 引言

射孔作業(yè)中使用減震器這一工藝來(lái)源于國(guó)外，特別是射孔與地層測(cè)試器聯(lián)合作業(yè)中減震器的應(yīng)用尤顯重要。雖然其型號(hào)繁多，但基本結(jié)構(gòu)大體一致，如圖1所示。

工作原理：下井前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要選擇堵頭數(shù)量，當(dāng)縱向沖擊力大于剪切銷(xiāo)最大剪切力時(shí)，剪切銷(xiāo)被剪斷，滑動(dòng)總軸向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧沿中心管運(yùn)動(dòng)吸收大部分能量，外套筒環(huán)空內(nèi)的流體被壓縮形成流動(dòng)阻尼吸收部分能量。

1 彈簧

彈簧是減震吸能的關(guān)鍵部件，因此它的性能決定著整個(gè)器材的使用效果。

1.1 材質(zhì)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(shí)應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、原料來(lái)源方便；但其彈性極限低，多次重復(fù)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(duì)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(qiáng)度較高，但淬火后容易產(chǎn)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(jié)構(gòu)

以50GrVA為代表的鉻釩鋼中加入了鉻使其組織細(xì)化，且有高強(qiáng)度和韌性，耐疲勞和抗沖擊性能也良好，并能在-40～210℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，但其高昂的價(jià)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(wěn)定的回火性，可在更高的溫度下回火，其良好的力學(xué)性能完全滿足減震器對(duì)材質(zhì)的要求；從實(shí)踐上看，其廣泛應(yīng)用于汽車(chē)類(lèi)彈簧部件，也證實(shí)了它的可靠性；加之與50GrVA相比，又有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。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(hào)減震器的彈簧，均采用圓柱壓縮式作為基本結(jié)構(gòu)，只是在端面的處理上略有不同，這一差異主要來(lái)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(chǎng)信息可知，相同重量的矩形截面彈簧價(jià)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(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［3］上還沒(méi)有關(guān)于矩形截面的理論設(shè)計(jì)公式，下面利用圓形截面公式推導(dǎo)矩形截面彈簧（見(jiàn)圖4）的計(jì)算公式：

式（1）、式（2）分別為圓形截面彈簧的剛度計(jì)算、彈性力學(xué)方法計(jì)算極慣性矩公式，式（3）為矩形截面彈簧扭轉(zhuǎn)位移函數(shù)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(shù)；x為截面任意一點(diǎn)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(jì)算公式：

工程計(jì)算中式(4)可以簡(jiǎn)化為：

以X-2型減震器為例，矩形彈簧尺寸2a=7，2b=14.5，根據(jù)式（5）計(jì)算其剛度系數(shù)為 p矩′=0.400 88；同一材質(zhì)、相同截面面積的圓形截面彈簧剛度系數(shù)為p圓=0.158 890 6。理論計(jì)算表明，矩形截面彈簧在壓縮單位長(zhǎng)度時(shí)，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(shù)也是增強(qiáng)減震效果的方法之一，但是井筒內(nèi)空間狹小、有限，不可能根據(jù)需要隨意增加彈簧圈數(shù)。從前文的理論計(jì)算可知，彈簧采用矩形截面，能在有限的空間和彈簧圈數(shù)的限制下，更好地發(fā)揮減震器功能。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析得知，縱向減震器的彈簧材料選擇是其機(jī)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(yōu)選擇。因此，只要縱向減震器的基本原理和結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，將來(lái)對(duì)其改進(jìn)的過(guò)程中，“矩形截面”是不能改動(dòng)的，材料卻可以根據(jù)實(shí)際情況作一定調(diào)整。

［1］ 陳宏鈞.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］ QJ 2257-1992 彈簧鋼的熱處理［S］.

［3］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.7版.北京：高等教育出版社，2001：377-395.