液压震击器阻尼机构优化设计

□ 范春英 □ 李兴杰 □ 周家齐

北京石油机械厂 北京 100083

液压震击器是一种先进的打捞震击工具，其应用液压原理，采用了先进的工艺技术并集中了各类打捞震击工具的优点。它结构紧凑，性能稳定，使用方便，适用于钻井作业中沉砂、泥包等需要向上震击的卡钻事故的处理，以及中途测试、解封、取芯等特殊作业，是石油、地质勘探钻井工程中新型的向上震击工具［1］。

市场调查发现，个别液压震击器下井一次后阻尼机构磨损严重，涂层严重脱落，导致无法使用。

产品质量是一个企业的生命，为有效提高液压震击器的产品质量，增强企业的核心竞争力，笔者详细分析了产品的失效原因，并提出了优化方案。优化后的液压震击器试验台架有效工作周期超过400次，且拆检后发现，零部件除正常磨损外，无其它异常，现场使用后，客户反映使用状况良好。

1 失效原因分析

液压震击器采用液压油泄漏阻尼原理，通过液压油在不同压力下经过一定间隙的泄漏时间不同，提供蓄积震击的能量不同，来调整震击力的大小。液压阻尼机构是液压震击器的重要组成部分，其质量好坏直接决定了液压震击器的工作周期。调查中发现，失效的液压震击器阻尼机构均磨损严重，涂层严重脱落，导致无法使用，如图1、图2所示。

图1 涂层脱落

图2 涂层磨损

经分析，阻尼零件涂层脱落或磨损与其表面处理工艺有关。

1.1 工艺分析

阻尼零件的表面处理工艺为热喷涂，热喷涂是利用由燃料气或电弧等提供的热量，经喷枪，将丝（棒）状或粉末状喷涂材料加热到熔化或软化状态，并通过高速气流，使其进一步雾化、加速，然后喷射到工件表面而形成涂层的方 法［2］。

1.1.1 热喷涂工艺流程

热喷涂的一般工艺流程主要包括3个基本工序：工件预处理，喷涂，涂层后处理。

（1）工件预处理。为了使涂层与基体材料很好地结合以及满足喷涂工艺的需求，基材表面必须进行预处理，包括表面预加工、净化、粗糙化和黏结底层等几步操作。除此外，工件预处理还包括预热，其目的是为了消除工件表面的水分，提高喷涂时涂层/基体界的温度，减少基材与涂层材料的热膨胀差异造成的残余应力，以避免由此导致的涂层开裂和改善涂层与基体的结合强度。预热温度取决于工件的大小、形状和材质以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般控制在60～120℃范围。

表面预处理是热喷涂作业中非常重要的工序，涂层的结合质量直接与基体表面的清洁度和粗糙度有关，并且其表面清洁度应一直保存到喷涂完成为止，以保证涂层与基材的粘接。

（2）喷涂。这是整个热喷涂工艺的主体和关键工序，其它的工序都是为保证此步而进行的。喷涂的操作主要是选择喷涂方法和确定喷涂参数。

（3）涂层后处理。有些涂层在喷涂后不能直接使用，而须进行各种后续处理。主要包括封孔处理与致密化处理，根据不同的需要采取不同的后处理工艺。对有尺寸精度要求的涂层，要进行适当的机械加工等。

1.1.2 热喷涂涂层结合方式

热喷涂技术中涂层与基体的结合机理主要为机械结合或“抛锚作用”，即最先形成的薄片状颗粒与基体表面凹凸不平处产生机械咬合，随后飞来的颗粒敷在先到的颗粒表面，依照次序堆叠镶嵌，形成以机械结合为主的喷涂层。此外，喷涂过程中颗粒在撞击到基体时释放出大量能量，使基体表面局部达到瞬时高温，导致涂层材料与基体之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。但是颗粒撞击涂层时冷却速度非常快，扩散反应过程非常短，扩散层厚度很浅，一般不超过0.5 μm，所以常称其为微冶金结合。

1.2 失效原因确定

（1）热喷涂工艺复杂且各个工序都对涂层质量有很大影响。因此，零件工艺相对较复杂，涂层质量较难控制，这就造成个别阻尼零件镀层易脱落，磨损严重，导致液压震击器失效。

（2）以机械结合为主的结合机理，决定了热喷涂涂层的结合强度较差，只相当于其母材材料的5%～10%，最高也只能达到 70 MPa［2］。

以上两点造成了个别阻尼零件镀层易脱落，磨损严重，导致液压震击器失效。

2 优化方案

针对上述问题，从结构和工艺两方面对阻尼零件进行了优化［3］，制订了3个优化方案。

2.1 方案1：改变阻尼零件基体材料

原阻尼零件材料为合金钢，与之配合的零件亦为合金钢，因此需对阻尼零件进行表面处理，使其硬度减小而耐磨性增强。

改进方案1是改变阻尼零件的材料：有配合的部位为硬度较低但耐磨的金属，其余部位仍为合金钢，两者压合为一体，并在其上增加储油槽，起润滑作用。

2.2 方案2：改变阻尼零件基体材料

方案2的阻尼零件配合部位为橡胶，通过特殊工艺与基体结合。

2.3 方案3：改变阻尼零件表面处理方式

阻尼零件表面处理方式改为激光表面处理技术。激光表面处理技术融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合［2］，其特点如下。

（1）在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层，大幅度提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳的能力以及制备特殊的功能表层。

（2）强化层与零件本体形成最佳冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。

（3）依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质，而实现相变硬化和熔凝硬化。

（4）与各种传统热处理技术相比，具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。

（5）可进行灵活的局部强化，根据需要，可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位。

（6）一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。

（7）配有计算机控制的多维运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。

（8）生产效率高，加工质量稳定可靠，成本低，经济效益和社会效益好。

3 试验验证

优化方案确定后，以外径178 mm规格的液压震击器为样机，对3个方案分别进行了功能性试验与寿命试验［4］，以验证各个方案的可行性及实施效果。

3.1 功能性试验

3.1.1 试验目的及要求

试验目的：验证优化方案的可行性。

试验要求：液压阻尼机构主要性能指标须满足标准要求。

3.1.2 试验步骤及内容

（1）试验顺序：方案2→方案1→方案3。

（2）将试验样机放置于试验台架上，进行跑合。

（3）性能试验：初拉力试验、标定释放力试验及最大释放力试验。施加推力将试验样机完全闭合，调节试验装置拉力Ts(即设定值)分别为70 kN、550 kN和800 kN，换向阀搬至拉的位置，将其完全拉开，同时记录释放时间、释放距离、总行程及复位力等。重复2～3次。

3.1.3 试验结果及分析

（1）方案2：初拉力试验释放时间较长，达到17.83 min（行标 4～8 min［1］），且当最大释放力试验进行到第二次时，无明显液压阻尼过程（即没有憋压储能过程），现场判断阻尼机构过盈配合失效，随即拆检发现橡胶部分开裂。

（2）方案1：初拉力试验释放时间较长12.70 min（行标 4～8 min［1］），标定释放力试验释放时间 41 s（行标20～40 s），超过标准范围上限少许，功能试验技术指标稳定。经分析可能是由于阻尼零件端面过流槽尺寸问题或者油液中有污物影响释放时间。经拆检发现油液中有极少量铜屑，并对阻尼零件过盈部位外圆尺寸进行测量，有微量磨损，属正常现象。

（3）方案3：经整机跑合后试验，各项技术指标均符合标准要求［1］。在初拉力试验中，第一次释放时间较长，后经过跑合后趋于正常，经初步分析原因在于，第一次试验油温过低，黏稠度高，过流速度慢，时间长；还有就是装配后过流槽内有污物，影响过流速度。

由上述分析可知，液压震击器液压阻尼机构优化方案1和方案3的性能基本达到预期目的，下一步将分别对其进行寿命试验，以确定其具体的有效工作周期［1］，验证其稳定性。

3.2 寿命试验

3.2.1 试验内容

寿命试验主要是释放力不低于产品最大释放力的50%时，液压震击器震击次数大于有效工作周期（行标200 次［1］），记录其实际释放力、释放时间，然后拆检观察零部件的损坏程度。此次试验设定释放力为550 kN，释放次数为400次。

3.2.2 试验结果及分析

（1）方案1：400次试验结果显示：最大释放力为534 kN，最小释放力529 kN；释放时间最长41 s，最短37 s（行标20～40 s）。实验数据相对稳定，有较小波动，分析原因是由于试验台本身系统备压随温度变化造成的，属正常。

（2）方案3：400次试验结果显示：最大释放力为532 kN，最小释放力526 kN;释放时间最长37.6 s，最短25 s（行标20～40 s）。实验数据相对稳定，有较小波动，分析原因是由于试验台本身系统备压随温度变化造成的，属正常。

3.2.3 试验样机拆检

样机经厂内台架试验后，进行了拆检，主要是了解试验后主要零部件的磨损情况，以确定优化方案的可靠性。拆检情况如下：

（1）方案1：阻尼零件：配合部位表面光亮，外径较原始值减少约0.01～0.03mm，属正常磨损，其它零部件除正常磨损外，其余无异常；

（2）方案3：阻尼零件：表面处理部位尺寸基本无变化，有轴向划伤，较严重。其它零部件除正常磨损外，其余无异常；

试验结果表明，方案1与方案3设计合理，制造控制严格，性能可靠，技术指标稳定，达到了设计要求，有效工作周期远超过了行业标准相关震击次数的要求。

综合分析，并结合成本预算，选用方案1为最终优化方案。为了进一步验证结构优化后产品寿命的稳定性，特对5套采用方案1作为阻尼机构的液压震击器进行了台架试验，结果显示，均达到优化样机性能。

4 现场应用

改进后的液压震击器陆续发往多家客户使用，总计30余套，另有3批配件发给客户，客户反映使用状况良好。

5 结论

（1）原阻尼零件表面处理工艺为热喷涂，由于其工艺复杂、涂层结合强度低导致个别阻尼零件涂层脱落或磨损严重，使液压震击器失效。

（2）针对阻尼零件失效原因，设计了3个优化方案，并进行了功能化及寿命试验。试验结果表明：方案2无法达到行业标准要求，方案1与方案3设计合理，其性能可靠，技术指标稳定，达到了预期目的。优化后的阻尼零件式液压震击器台架试验达到400次 （行标200次），样机拆检后除正常磨损外，基本无异常。

（3）产品发往现场使用后，客户反映使用状况良好，证明此次改进成功的提高了产品整机使用寿命，增强产品了在各种钻井工况下的可靠性。

［1］ SY/T5496-2010震击器及加速器［S］.

［2］ 胡传炘.表面处理技术手册［M］.北京：北京工业大学出版社，1997.

［3］ 田明，邬卫红.高压超深井液压震击器的改进及应用［J］.石油机械，2008，36（8）：81-83.

［4］ 刘长艳.液压上击器台架试验动力学探讨［J］.石油矿场机械，2008，37（7）：56-59.