液壓震擊器阻尼環關鍵作用及材料特性分析

摘" "要：液壓震擊器在鉆修井中應用廣泛，阻尼環作為主要部件對震擊器正常工作及液壓阻尼延遲時間至關重要。以某型號液壓震擊器為例，針對阻尼環工作特性，分析其與外筒配合關系，建立理論和物理模型，并通過Ansys有限元仿真軟件驗證可行性。為研究材料對性能的影響，對阻尼環不同材料參數進行仿真對比。結果表明，降低阻尼環彈性模量、增大外筒彈性模量、增加阻尼環泊松比、降低外筒泊松比，可增強阻尼環與外筒密封性，降低阻尼環載荷應力，對外筒載荷應力影響可忽略。該型號液壓震擊器已在渤海油田大量應用，阻尼環優化降低了磨損和作業成本，提高了作業質量。

關鍵詞：液壓震擊器；阻尼環；機械密封；有限元分析

中圖分類號：TE921.2" " " " "文獻標志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.008

Analysis of the Key Role and Material Characteristics of

the Damping Ring of Hydraulic Jar

WANG Bingshuang，HUANG Yuxiang，HU Qinfeng，ZHAO Jincheng，NAN Shaolin，CAI Yugui

（ Engineering Technology Branch，CNOOC Energy Development Co.， Ltd.，Tianjin 300452，China）

Abstract： Hydraulic jar is widely used in drilling and workover， its damping ring is significant for normal operation and hydraulic damping delay time and is a key component in the design process. Taking a certain type of hydraulic jar as an example， the working characteristics of the damping ring and its matching with the outer cylinder were analyzed， the theoretical and physical model was established， and the feasibility was verified by Ansys finite element simulation. Different material parameters of the damper ring were simulated and compared to study the influence of materials. The results show that reducing the elastic modulus of the damper ring， increasing the elastic modulus of the outer cylinder， increasing the Poisson ratio of the damper ring， and decreasing the Poisson ratio of the outer cylinder can improve the sealing property of the damper ring and the outer cylinder， reduce the load stress of the damper ring， and the influence of the load stress of the outer cylinder can be ignored. This type of hydraulic jar has been widely used in the Bohai oil field and so on， damping ring optimization reduces wear and operating costs， and improves service quality.

Key words：hydraulic jar; damping ring; mechanical seal; finite element analysis

在當今鉆修井作業中，震擊器作為井下工具發揮著至關重要的作用。震擊器主要分為機械震擊器和液壓震擊器兩類。其中，常用的機械震擊器利用機械摩擦原理，鎖緊機構采用棱帶式卡瓦，其震擊力在出廠前或入井前調整好后，井下操作時無法改動。而液壓震擊器一般分為上下兩個液壓腔，每個液壓腔處配有一個阻尼機構。液壓震擊器運用液壓阻尼原理產生延遲作用，在其工作載荷范圍內可放大任意數值的上提或下壓力，并且每次震擊后復位用時更短，產生的震擊頻率可以更大。

阻尼環對液壓震擊器的正常運行和液壓阻尼的延遲時間起著關鍵作用。已有不少學者對液壓震擊器進行了研究。王戰濤等［1］對液壓上擊器震擊器震擊力進行了計算與分析。張兆德等［2］對液壓式上擊器解卡的震擊力進行了計算。時亞楠［3］對液壓式鉆柱震擊器解卡過程進行了動力學仿真。高巧娟等［4］對液壓震擊器的阻尼閥應力計算及性能分析有所研究。孫林平等［5］對震擊器延時機構的閥體進行了優化分析。

本文以某一型號的液壓震擊器為例，對液壓震擊器阻尼機構的關鍵結構進行深入分析與計算，旨在進一步揭示阻尼環在液壓震擊器中的重要作用，并為優化液壓震擊器的性能提供理論依據和實踐指導。

1 阻尼機構工作原理

液壓震擊器阻尼機構結構由1個阻尼環、1個阻尼銷、1個固定套組成，如圖1所示。阻尼機構與液壓震擊器心軸和液壓震擊器外筒配合使用。其中固定套由平扣螺紋與心軸連接，由于固定套的存在，阻尼環和阻尼銷只能相對于心軸在一定范圍內活動。阻尼機構兩側是液壓腔，內部充滿液壓油。

當液壓震擊器心軸在上提或下壓力的作用下，攜帶阻尼機構由左向右通過外筒縮徑時，由于液壓油阻力的作用，阻尼環相對于心軸向左運動，自主密封面與心軸產生接觸并自主密封如圖1中A自主金屬密封面，此時阻尼環和心軸的相對位置如圖1中阻尼環與液壓震擊器心軸所示。由于自主金屬密封的作用，心軸上的擴展流道封堵，如圖1中C擴展流道。阻尼環右側液壓腔在上提或下壓力的作用下會產生液壓力，阻尼壞與外筒之間的配合在液壓力的作用下由間隙配合逐漸變為過盈配合，如圖1中B處會在過盈位置產生密封。此時，液壓油在壓力的作用下只能通過阻尼銷與阻尼環之間的間隙流向阻尼環的左側，間隙流道如圖1中D阻尼銷與阻尼環上孔之間的間隙流道。由于阻尼銷和阻尼環之間的間隙很小，液壓油由阻尼環右側流向左側需要一定時間，液壓震擊器進入液壓延遲狀態。

當心軸攜帶阻尼機構由右向左通過液壓震擊器外筒縮徑段時，在液壓油的阻力作用下阻尼環相對心軸向右運動，與固定套接觸如圖2中的阻尼環和固定套，此時心軸、阻尼環的相對位置如圖2中的液壓震擊器心軸和阻尼環所示，自主金屬密封面分開如圖2中A自主金屬密封面所示。此時，心軸上的擴展流道開通，如圖2中C擴展流道。阻尼環左側液壓腔在上提或下壓力的作用下快速通過阻尼環流向右側，基本不會產生液壓力，圖1～2中的B處也不會產生密封效果，阻尼機構可以快速順利通過外筒縮徑段，不會產生鎖緊作用。

本文主要對液壓阻尼機構進入縮徑段后阻尼環在液壓壓力作用下阻尼環膨脹與外筒產生過盈配合進行分析。此型號液壓震擊器阻尼機構進入縮徑段后，根據上提或下壓力200～600 kN不同，右側液壓壓力可達到30 ～90 MPa，采用符合ISO 11158—2023標準的液壓油。

2 阻尼環理論分析

2.1 阻尼環與外筒之間配合理論分析

目前已有文獻對液壓震擊器阻尼環與外筒之間過盈配合進行相關研究［4-5］，主要針對阻尼環與外筒之間的過盈配合狀態進行分析，均未考慮阻尼環承受液壓壓力作用下的膨脹效應。本文主要采用間隙配合到過盈配合的過程進行分析。阻尼環與外筒之間在阻尼機構工作時的受力分析如圖3所示。

2.2 阻尼環與外筒之間密封理論分析

研究阻尼環過盈密封，可以分析當阻尼環外徑與外筒內徑變形逐漸達到過盈狀態的過程。開始由于阻尼環與外筒之間存在間隙，此時間隙內還有液壓油流動。阻尼環在受到液壓油作用時逐漸變形。此時，阻尼環與外筒之間的間隙變小［8-9］，直至間隙間的泄漏量達到密封要求。

3.2 阻尼環與外筒之間的密封驗證

阻尼環外筒之間的密封仿真，涉及到阻尼環與外筒之間間隙流動的流體力學，以及阻尼環與外筒之間在流動壓力分布作用下的結構靜力學分析。因此需要將流體力學與結構力同時考慮在一起進行有限元分析，可以采用Ansys流固耦合的方法進行［15-16］。流固耦合可以將Fluent中分析出的壓力梯度施加到阻尼環外徑與外筒內徑上。如3.1所述，此結構只承受徑向與軸向載荷，由于流固耦合分析所需的計算資源較大，為了節約計算資源，加快計算分析，可以簡化結構。采用將外筒、流道、阻尼環建立的3D模型選取軸對稱局部區域進行分析來代替整體，可選擇1.0°扇形區域進行仿真。在Solidworks中建模并處理，如圖6所示。

依據圖5在阻尼環對應的面進行壓力和約束設置，壓力93.0 MPa在阻尼環外徑面和外筒內徑面導入Fluent中分析的流體壓力進行分析如圖9所示，分析結果如圖10所示。

在流體壓力作用后阻尼環與外筒之間的過盈面理論壓力，對液壓油壓力在31.0、46.5、62.0、77.5、93.0 MPa時進行分析。過盈面殘余平均壓力，如表5所示。仿真分析過盈面殘余壓力及位置分布，如圖11所示，其中橫坐標是阻尼環長度，縱坐標是阻尼環外徑與外筒內徑過盈面在流體壓力作用下殘余過盈壓力。

殘余過盈壓力與過盈結合長度的坐標曲線在橫坐標≤27 mm殘余過盈壓力都為0。為了方便展示，過盈面殘余壓力與位置分布坐標中橫坐標從距離阻尼環高壓面28 mm處開始，如圖11所示。根據最大等

效應力仿真結果來看，利用式（11）的過盈壓力完全可以實現密封效果。此外，此結構的阻尼環與外筒的過盈配合隨著液壓壓力的增大，殘余過盈壓力和殘余過盈距離的值越大，說明在此型號的液壓震擊器工程要求范圍內過液壓壓力越大，密封性越好。

不同液壓壓力下外筒和阻尼環的最大載荷應力如圖12所示。隨著液壓壓力的增加，阻尼環與外筒受到的載荷應力都在增加，但外筒受到載荷應力增加量要高于阻尼環，當液壓壓力為93.0 MPa時阻尼環受到的載荷應力為253.18 MPa，外筒受到的載荷應力為316.04 MPa，最大應力在外筒上。兩個材料的應力安全系數都大于2，在強度要求范圍內。

3.3 阻尼環與外筒材料特性研究

由式（1）～（3）理論計算并結合3.2分析可知，材料的泊松比和彈性模量對阻尼機構的密封性、應力強度有重要影響。

阻尼環材料的彈性模量分別取111、116、121、126、131、136 GPa，表1～2其他變量參數不變，液壓壓力為62 MPa，帶入流固耦合分析系統進行仿真分析。根據仿真結果可以得出，當阻尼環的彈性模量由111 GPa增加至136 GPa，降低了阻尼環與外筒之間的殘余過盈密封距離25.2%，增大了阻尼環載荷應力13.3%，增大外筒最大載荷應力1.2%，如圖13～14所示。

綜上所述，液壓震擊器的阻尼環在液壓壓力作用下膨脹后與外筒實現過盈密封的理論是可實現的。目前此型號的液壓震擊器已在渤海油田大量使用，每年作業井數140～180口井，單根液壓震擊器的年服務井深5～8口井，而阻尼環由于減少外徑尺寸、選取合理的材質，降低了由于心軸上下運動帶來的阻尼環磨損情況，節約了作業成本。

4 結論

1） 對液壓震擊器阻尼環工作過程進行了分析，建立了可以有效應用于工程上面的數學模型，并通過仿真分析，得到了優化材質的方向。

2） 通過Ansys流固耦合的方法對阻尼環與外筒之間的密封進行有限元仿真，阻尼環受液壓膨脹可實現過盈密封。

3） 有限元仿真表明，阻尼環的彈性模量降低、外筒的彈性模量增大、阻尼環的泊松比增大、外筒的泊松比降低都可有效增大阻尼環與外筒之間的密封性，降低阻尼環載荷應力，對外筒載荷應力影響小。

4） 阻尼環受液壓力作用膨脹的理論可以設計優化阻尼環尺寸，降低阻尼環與外筒之間的接觸性，使阻尼環在不工作時順利通過縮徑段，降低阻尼環磨損。

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（編輯：馬永剛）