扭力冲击器设计与仿真分析
冲击力仿真计算与实验研究
作者简介：蒋东霖（1979—），男，硕士，高级工程师，主要从事机械系统设计和理论研究工作。
冲击力仿真计算与实验研究摘要：本文应用接触力学理论，应用虚拟平台，对冲击试验机冲击过程进行了仿真模拟和计算，得出了冲击力随时间变化的具体曲线，并和实际的冲击试验数据进行了对比，分析总结了两者的差别。
关键字：接触力学；冲击力；仿真The simulation and test study of the impact forceAbstract: In this paper,according to the contact mechanics theory,application virtual platform,the simulation and calculation which the impact process of material impact testing machine has been done,the specific curve of the impact force changing with time is drawing.analyzed the differences between the simulation data and the actual impact test dataKeyword: contact mechanics theory;impact force; computer simulation1引言材料的抗冲击性能是材料的重要属性之一，而材料的抗冲击性能要依靠冲击试验测得，冲击试验应用的设备是材料冲击试验机，通过摆锤冲击试样后得出的冲击吸收功和冲击力来衡量材料的抗冲击性能。
冲击过程是个非常复杂的过程，本文应用多体动力学理论，应用虚拟平台，对材料冲击试验机冲击过程进行了仿真模拟和计算，得出了冲击力的具体曲线，并和实际的冲击试验进行了对比，分析总结了两者的差别，为更深入的研究打下基础。
国内外扭力冲击器的研究现状及展望
国内外扭力冲击器的研究现状及展望
扭力冲击器作为一种提升钻井效率的工具，在国内外的研究与应用中取得显著进展。
国外已在硬岩钻进领域广泛应用，技术相对成熟，并作为标准器具使用；国内起步较晚但发展迅速，如川庆钻探自主研发的产品在油田试验成功，表明关键技术实现突破。
研究方向主要集中在提高PDC钻头性能配合、优化结构设计、减少粘滑振动及提升机械钻速等方面。
未来展望着重于专用配套钻头研发、适应复杂地层工况的新型扭力冲击器以及整体钻井系统的集成创新，以满足日益增长的深部和复杂地质条件下高效钻井需求。
论扭力冲击器在塔中超深井中的提速效果评价
论扭力冲击器在塔中超深井中的提速效果评价新世纪以来，工业活动更加频繁，各行各业的发展更加快速，工业生产以及社会生活对石油资源的依赖程度日渐加深。
石油在国家经济发展和人民生活中所起的作用越来越重要。
随着油气勘探的进一步发展，深井、超深井开发越来越频繁，各种复杂的井钻应用也越来越多，如何采取科学的钻井技术及辅助工具提高钻进速度与效率，进行有效的开采是油田面临的重大考验。
标签：扭力冲击器;塔中;超深井;提速效果前言：塔中地区地处沙漠、水网纵横交错、生态较为脆弱。
所以，油井以深井以及超深井居多，地质极其特殊，岩性可钻性极差。
随着油井深度的不断增加，机械钻速低的问题也愈发突出，对钻头的磨损极大。
而且部分井PDC钻头无法有效穿过，针对此种情况，就需要应用扭力冲击器来配合PDC钻头以提高油井的机械钻速，以提高钻井效率，为油田的高产稳产夯实基础。
本文就扭力冲击器在塔中超深井中的应用效果进行简要阐述，以供参考。
1.塔中超深井钻井技术难点塔中地区是塔里木油田”三大阵地战”的主战场之一，由于塔中地区油田以二叠系地层发育火成岩为主，极容易产生井壁垮塌，再由于石炭系东河砂岩、志留系石英砂岩研磨性强，岩性可钻性差，机械钻速低，安全钻井难度大。
给钻井及后续测井造成巨大阻碍，严重影响钻井周期;二是深井钻井要穿过多套地层，这些地层跨越的地质时代较多、变化也相应的较大，所以地质条件尤为错综复杂。
地层可钻性差就会直接导致钻井周期长，再由于塔中地区油井地质火成岩发育，导致钻井时跳钻严重，参数强化困难。
地层岩性致密，硬度大，导致整体机械钻速偏低。
而且厚度达到130-200m，对钻头损坏大，部分井PDC钻头难以穿过;上奥陶统泥岩最厚可达1000m，机械钻速低，容易缩径，厚砂砾岩区地层均质性差，泥岩、碳质泥岩、玄武岩、凝灰质砂岩软硬交错，严重制约了钻井提速。
深井段的钻头平均机械转速只有上部井段平均机械转速的15%～30%，部分地区甚至低于8%，深部钻柱像发条一样拧紧，等转盘扭矩积聚，又快速释放，这时PDC 钻头齿上受到的载荷比平常高得多，PDC钻头极易受损坏，导致钻头寿命短，影响钻进速度，而且会增加钻探成本。
211011319_设计计算·近钻头旋扭冲击器结构设计与试验
２０２３年第５２卷第２期第２８页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２３，５２（２）：２８ ３３文章编号：１００１ ３４８２（２０２３）０２ ００２８ ０６近钻头旋扭冲击器结构设计与试验刘义彬１，黄 峰１，康建涛１，周 灏２，季小娜１，左 岳１（１．渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北任丘０６２５５０；２．渤海钻探工程有限公司井下作业分公司，河北任丘０６２５５０）摘要：ＰＤＣ钻头在深井高硬度、研磨性较强的地层钻进时会出现蹩钻、跳钻现象，从而导致钻头机械钻速低、进尺少、经济效益差等问题。
为提高钻头机械钻速，克服深井高硬地层普遍存在的粘滑现象，开展了近钻头旋扭冲击器设计研究工作。
结合流体力学对工具进行结构优化设计，通过建立三维模型，运用模拟软件对工具结构流场进行有限元仿真分析，确定了工具结构参数。
试制样机开展室内及现场的性能测试，样机各项功能正常，达到设计指标，满足现场应用要求。
可为后期现场应用及工具的进一步优化改进提供借鉴。
关键词：近钻头；旋扭冲击器；仿真分析；粘滑振动；冲蚀；试验中图分类号：ＴＥ９２１．２ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２３．０２．００５犛狋狉狌犮狋狌狉犲犇犲狊犻犵狀犪狀犱犜犲狊狋狅犳犖犲犪狉犅犻狋犚狅狋犪狉狔犜狅狉狊犻狅狀犐犿狆犪犮狋狅狉ＬＩＵＹｉｂｉｎ１，ＨＵＡＮＧＦｅｎｇ１，ＫＡＮＧＪｉａｎｔａｏ１，ＺＨＯＵＨａｏ２，ＪＩＸｉａｏｎａ１，ＺＵＯＹｕｅ１（１．犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犅犎犇犆，犚犲狀狇犻狌０６２５５０，犆犺犻狀犪；２．犇狅狑狀犺狅犾犲犛犲狉狏犻犮犲狊犆狅犿狆犪狀狔，犅犎犇犆，犚犲狀狇犻狌０６２５５０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＴｈｅＰＤＣｂｉｔｓａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｕｓｅｄｉｎｄｅｅｐｗｅｌｌｓｗｉｔｈｈｉｇｈｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｓｔｒｏｎｇａｂｒａｓｉｖｅ ｎｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｂｉｔｂｏｕｎｃｉｎｇａｎｄｂｉｔｂｏｕｎｃｉｎｇｏｃｃｕｒｓ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏａｌｏｗｐｅｎｅｔｒａ ｔｉｏｎｒａｔｅ，ｌｅｓｓｆｏｏｔａｇｅ，ａｎｄｐｏｏｒｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｂｉｔａｎｄｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｓｔｉｃｋ ｓｌｉｐｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｔｈａｔｉｓｃｏｍｍｏｎｉｎｄｅｅｐａｎｄｈｉｇｈ ｈａｒｄｆｏｒｍａ ｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｏｆｔｈｅｎｅａｒ ｂｉｔｒｏｔａｒｙ ｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｍｐａｃｔｏｒｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｏｏｌｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｆｌｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆａｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｔｏｏｌｓｔｒｕｃ ｔｕｒｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｏｏｌｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｉｎｄｏｏｒａｎｄｆｉｅｌｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｅｔｒｉａｌｐｒｏｔｏ ｔｙｐｅ．Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｒｅｎｏｒｍａｌｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓａｎｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｏｎ ｓｉｔｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｔｏｏｌｓ． 收稿日期：２０２２ ０９ ２８ 基金项目：中国石油天然气集团公司科技项目“复杂井深井提速与安全作业配套技术研究与应用”（２０１７００１００１）；中石油渤海钻探工程有限公司项目“杨税务潜山优快钻井技术研究”（２０１７ＺＤ１１Ｙ ０１）。
一种新型液压式扭力冲击器结构设计
一 种新型 液压式扭力冲击器 结
ｒ钻井 成 本 、乃延 长钻 头 的 使 Ｊ ｝ ｊ 寿 命 ，最 大 限 度地 发挥 Ｐ Ｄ Ｃ钻头 的 破 岩效 率 ．提 高 难钻 地
层 的 机 械 钻速 川时 保 Ｉ Ｊ Ｅ 井身 质 链 ，没 汁研究 ＿ ｒ … 种能 够 直 接对 钻头 提 供 高频 扭 矩 ．并使 钻 头反复扭向冲， 打 石 的扭 转 冲 Ｌ ｔ Ｉ － ￣ － 井Ｊ 二 其一 新型 液压 式 扭 力冲 击器 ． ． 该扭 力冲 击 器作 为新 型的 钻 井 提速 １ ： ．以 钻井 液 的 液压 为动 力来 源 ，巧 妙 的 流道 没汁 使 其 反复 实 现 碰 撞及 换
一
液动锤 ： １ ７ 换 向阀芯； Ｉ Ｒ 主轴 ；Ｉ ｑ 一 节 流 套 ；！ （ 卜节 流 套 座 ：： 卜 弹 性 挡 圈 ；２ ２ 一 螺 钉 ；２ ３ 一铜
图ｌ 新 型液 压式 扭 力； 中击 器的 整体 装配 图
球 ；２ ４ 矩形垫阁
２ 新 型 液压 式扭 力 冲击 器 的工 作原 理 ：
新 型 液 式 扭 乃冲 击 器 是 一 种 新 型 的 抑 制 精 滑 振 动 现 象辅 助 破 岩 的扭 转 冲 击 钻 井 工 具 ．主 要 泥 浆 净化 部 件 、驱 动 动 力实现 部 件 秆 】 动 力 冲击 组组 成 该 工具 的 长 度 不大 ，直 接 安 在 Ｐ Ｄ Ｃ ￣ ｈ ｔ ／ 的 Ｉ 方 ，产 高 频扭 矩 作 片 ｊ 于Ｐ Ｄ Ｃ钻头 ，使 其 通过 剪 切 和 冲 击两 种 方式 共 破 岩 ，且 对 １ 部 钻具 组合 的 影响 很小 其结 杜 Ｊ 示意 图如 图 ｌ 所 示
运 动 ；其对 １ ： 泥浆 的 净 化技 术 以及 独特 的 流 【 ＿ Ｊ 没 汁都 使得 这 种 新 型液 压 式 扭 力冲 击 器 比 以往 的扭 力冲 器 坦具 市场
扭力冲击器钻井应用实践分析
286随着油气钻井难度的不断增加，硬地层钻进的难题日益突出，如何提高钻头在硬地层的钻井速度已迫在眉睫。
国内各大油田都有使用扭力冲击器作为提速提效的一种方法，新疆玉北、渤海湾、青海祁连、甘肃玉门、四川元坝等地区，通过扭力冲击器配合PDC钻头钻进，均达到了一定的提速效果。
本文主要对扭力冲击器在渤海湾、四川元坝的使用进行分析，提出建议。
1 扭力冲击器结构原理1.1 工具结构扭力冲击器外部结构如图1所示，内部结构如图2所示。
钻井时，钻井液经过过滤分流系统，通过上部和下部涡轮动力系统带动非平衡配重系统高速旋转，中心传动轴将动力系统和非平衡配重系统的高速旋转传递给冲击系统，冲击系统将稳态的高速旋转转化为高频的脉冲冲击，与稳态的钻具扭矩共同作用于钻头，实现扭力冲击钻井。
非平衡配重系统的作用是在涡轮转速相同的情况下，通过改变其自身重力实现不同的冲击力。
图1 扭力冲击器外部结构示意图2 扭力冲击器内部结构示意1.2 PDC钻头配套优选扭力冲击器必须与配套的PDC钻头共同作用，才能充分发挥钻井提速功能。
通过国内多个地区的扭力冲击器配合PDC钻头使用情况分析，在研磨性较强的地区，使用五刀翼和六刀翼的PDC钻头取得较好的使用效果。
部分地区使用也有使用四刀翼和七刀翼PDC钻头进行尝试。
五刀翼PDC钻头一般使用Φ16mm的切削齿，有7个喷嘴，推荐钻压18～100kN；六刀翼PDC钻头一般使用Φ13mm的切削齿，有6个喷嘴，推荐钻压18～151kN。
PDC钻头刀翼数越多，布齿密度越高，钻头抗冲击能力越强，稳定性越高。
1.3 工作优势使用扭力冲击器具有以下优点：第一，配合PDC钻头使用，以冲击破碎为主，加以旋转剪切岩层，在保证井身质量的同时提高机械钻速。
第二，将钻井液的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性。
第三，消除钻头粘滑现象，减少反冲扭力，有助于提高钻头的耐久性，延长钻头使用寿命。
结合纵向与扭向的双作用冲击器设计
摘要冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。
从上世纪五十年代开始，在美国，加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。
我国从1958年底开始在原地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究，几乎与世界同步。
液动冲击器是液动冲击回转钻探的关键设备。
随着中国现代化建设的不断推进和发展，国民经济增长对液动冲击回转钻探不断提出更高的要求，所以，加速液动冲击器的研究势在必行。
本文在综述了国内外液动冲击回转钻探和液动冲击回转钻探核心机械—液动冲击器的基础上，研究阀式反作用液动冲击器的工作原理和结构特点，并提出了计算液动冲击力和冲击频率的方法。
通过分析，指出阀式反作用液动冲击器适用于中到中硬以上的岩层，并且应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤弹簧，以使冲击器的优点得到充分发挥。
并针对液动冲击器的关键零件—冲锤弹簧进行了详细的分析计算和验算。
并从技术和经济学角度分析了液动冲击回转钻探的技术经济效果。
本文主要作了以下工作：1）详细阐述了液动冲击回转钻探；2）详细介绍了各种液动冲击器；3）分析了扭力冲击器及反作用液动冲击器的结构原理和结构特点4）设计了综合纵向和扭向的双作用冲击器。
关键词：液动回转钻探扭力冲击器AbstractThe impact rotary drilling technology design began in Europe. From the fifty's of the last century began in the United States，Canada and the Soviet Union to develop practical significance of hydraulic impactor. China started from the end of 1958 in the former Ministry of Geology and mineral resources exploration technology of hydraulic impact rotary drilling technology research，almost simultaneously with the world.Hydraulic impact device is the key equipment of hydraulic impact rotary drilling. With the deepening and development of Chinese modernization，the growth of the national economy of the hydraulic impact rotary drilling has put forward higher requirements，therefore，to accelerate research on hydraulic percussion device be imperative.Based on the summary of the domestic and international hydraulic percussive rotary drilling and hydraulic impact rotary drilling core machinery - hydraulic impactor on the basis of the working principle and structure characteristics of the valve type counter actmg hydraulic impactor，and puts forward the calculation method of the hydraulic impact force and impact frequency. Through the analysis，pointed out that the valve type counter actmg nyaraunc impact too1s applies to the hard rock，and we should try to increase the mud flow，the larger the stiffness of the spring to make the hammer，hammer and give full play to advantages. And has carried on the analysis and calculation of the key components for hydraulic percussion hammer spring. And from a technical and economic analysis of hydraulic percussive rotary drilling technology and economy effect. This article has mainly done the following work:1) describes the hydraulic impact rotary drilling;2) described in detail the various hydraulic impactor;3) analysis of the structure principle and structure characteristics of torsion impactor and the reaction of the hydraulic impactor4) the impact of vertical and torsional dual function design.Keywords: hydraulic rotary drilling of torsion impactor目录摘要 (1)Abstract (2)第一章液动冲击回转钻探 (4)1.1概述 (4)1.2冲击回转钻进的实质和特点 (5)1.3冲击回转钻进的应用范围 (5)1.4冲击回转钻进的发展概况 (6)1.5液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益 (7)第二章结合纵向与扭向的双作用冲击器设计 (10)2.1扭力冲击器克服“卡滑”现象的工作原理...................................................... 错误！未定义书签。
摆动式扭力冲击器节流口设计及动力仿真
摆动式扭力冲击器节流口设计及动力仿真摘要：本文通过Fluent软件对摆动式扭力冲击器进行静态流道的动力仿真，验证其扭力冲击器节流口设计的合理性。
通过对设计好的模型其进行合理的简化后，建立其流道模型，并且得出模拟仿真的结果。
并通过与相似结构液压式扭力冲击器各参数对比，验证仿真结果的可靠性。
关键词：摆动式扭力冲击器;节流口;动力仿真引言摆动式扭力冲击器是一种旋冲式的井下工具，可以有效的解决硬地层钻井难题。
摆动式扭力冲击器通过钻井液的高低压差提供动力使其产生一定频率的脉冲扭矩，并将动力传递给钻头。
1.摆动式扭力冲击器工作原理与其节流口的设计净化后的液体流进冲击器经过旋流诱导轮分流。
大部分通过节流口形成低压液，另一部分仍然以高压的形式通过碰撞锤。
来源于钻井液的高低压差使得动力锤往复运动，流量和喷嘴产生的压降来设置液压锤的受力。
压降产生的钻井液的高压与低压的压差分别推动液动锤与换向阀芯做往复碰撞换向运动。
摆动式扭力冲击器建模后整体结构如图1-1所示。
图1-1摆动式扭力冲击器整体结构扭力冲击器的摆动式扭力冲击器的动力部分通过碰撞部分来实现。
碰撞锤与换向阀芯顺时针与逆时针交替往复运动与主轴的冲击面碰撞，实现巨大的扭矩产生的机械冲击能量由驱动短节内的驱动轴集中均匀地传送到钻头上，实现能量直接传输。
液动锤与换向阀芯做往复运动依靠钻井液的高压与低压的压差分别推动。
而高低压的实现依靠流量和喷嘴产生的压降来实现。
通过节流嘴横截面积的大小设定，图1-2为摆动式扭力冲击器流道三维模型图（通过其剖面可以清楚地看出两个节流口）。
图1-2为摆动式扭力冲击器流道三维模型图2.摆动式扭力冲击器的整体流道的动力仿真摆动式扭力冲击器的脉冲主要由液动锤与阀芯的往复运动所形成。
每个碰撞周期都分为四个部分、两个状态：碰撞状态与换向状态。
而碰撞件往复摆动的动力来自与钻井液的高低压差。
本节利用Fluent软件分别对碰撞与换向状态进行模拟与仿真，进一步验证节流口尺寸设计的合理性。
冲击力学仿真案例
冲击力学仿真案例：冲击试验模拟与有限元分析在工程领域，冲击试验是一种常见的测试方法，用于评估材料或结构的抗冲击性能。
通过模拟冲击载荷，我们可以对材料或结构的性能进行预测和优化。
本文将通过一个具体的案例，介绍如何使用有限元分析方法进行冲击力学仿真。
一、问题描述某公司生产的一种产品需要经过冲击试验，以验证其抗冲击性能。
为了优化产品设计，该公司希望通过有限元分析方法对产品进行冲击力学仿真。
二、仿真方法1. 建立有限元模型：根据产品结构，建立三维有限元模型。
模型应包括产品的主要承力部分，并尽可能精细地描述材料的属性。
2. 施加冲击载荷：根据冲击试验的要求，设定冲击载荷的大小、方向和持续时间，并在有限元模型中施加。
3. 模拟冲击过程：通过有限元软件，模拟冲击过程，观察结构的变化和应力分布。
4. 分析结果：分析模拟结果，了解产品在冲击下的变形、应力分布和破坏情况，为优化设计提供依据。
三、仿真结果根据仿真结果，产品在冲击下的最大应力出现在底部承力部位，约为材料的屈服极限。
其他部位也有不同程度的应力集中。
变形主要发生在承力部位，且在冲击结束后能够恢复。
根据仿真结果，可以提出以下优化方案：1. 加强底部承力部位的结构，如增加加强筋或改变材料的分布。
2. 在产品表面增加防护层，以减少冲击时的直接接触面积，降低应力水平。
3. 优化产品设计，使结构更合理，避免应力集中。
四、结论通过冲击力学仿真，可以有效地预测材料或结构的抗冲击性能，为优化产品设计提供依据。
在工程实践中，有限元分析方法已成为冲击力学仿真不可或缺的工具。
通过模拟冲击过程，我们可以更准确地了解产品在冲击下的性能，从而指导设计优化，提高产品的质量和可靠性。
需要注意的是，仿真结果虽然重要，但也不能完全代替实际试验。
在实际生产中，仍需要进行冲击试验来验证产品的实际性能，以确保产品的质量和安全。
扭力冲击钻井工具模拟分析及现场试验
2018年第46卷第9期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY—29 —◄钻井技术与装备►扭力冲击钻井工具模拟分析及现场试验陈新勇张苏付潇邱晓宁马谢书杨恺(中国石油集团渤海钻探工程技术研究院）摘要：对于硬度高、研磨性强的地层，PD C 钻头在丼底存在黏滑振动和寿命短等问题，制约 了其进一步的提速提效。
鉴于此，根据水力结构周向式振动原理，研制了扭力冲击钻井工具，并 开展了现场试验。
结合工具内部流体特性数值模拟分析以及室内模拟试验，分析了工具内部流道 流体压力和流速的分布特性，以及扭力冲击钻井工具消减PD C 钻头黏滑效应的机理。
研究结果表 明：现场试验中，扭力冲击钻井工具工作稳定，机械钻速平均提高64. 4%以上；高钻压下的钻进 效率比低钻压下的钻进效率明显提高；纯钻30.2 h 的钻头起出新度在90%以上。
扭力冲击钻井工 具具有性能稳定、操作筒单、使用方便、寿命长和延缓PD C 钻头磨损等特点，是硬质地层钻井提 速的有效手段。
关键词：钻井提速；黏滑效应；扭力冲击工具；模拟分析；现场试验中图分类号：TE 921 文献标识码：A doi : 10. 16082/j .cnki .issn . 1001-4578.2018.09.006Simulation Analysis and Field Test of Torque Impact Drilling ToolChen Xinyong Zhang Su Fu Xiao Qiu Xiaoning Ma Xieshu Yang Kai{E ngineering Research Institute, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited)Abstract ： To address the stick-slip effect of PDC bit during drilling , a torque impact drilling tool was devel oped based on the principle of circumferential vibration of hydraulic structure . Combined with the numerical simula tion analysis on the internal fluid characteristics and indoor simulation experiment , the distribution of fluid pressure and flow velocity in the internal flow channel of the tool were analyzed . The mechanism of the torque impact drilling tool to reduce the stick-slip effect of the PDC bit was analyzed . The field test shows that , the torque impact drilling tool had a stable work performance , with the average drilling speed increased by more than 64.4%. The drilling effi ciency under high WOB was significantly higher than that under low WOB . The drill bit new degree is more than 90% after drilling for 30. 2 h . The torque impact drilling tool has the features of stable performance , simple -to -operate , easy -to -use , long life and delaying PDC bit wear , it is an effective means to speed up drilling in hard formations .Keywords ： drilling speed increase ； stick-slip effect ； torsion impact tool ； simulation analysis ； field test为解决上述问题，普遍采用优化钻井参数、使用减振工具和改进钻头结构等方法，但这些方法均 达到优化极限。
自激式扭力旋冲器的模拟仿真与试验
2017 年 ◄
第
45 卷
第
7期
CmNAPETROLELMMACmNERY
— 21 —
钻井技术与装备
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自激式扭力旋冲器的模拟仿真与试验
马鸿彦1 王红波2 王大宁1 张劲松1 张彦瑞1 权虎林1 ( 1 . 中 国 石 油 渤 海 钻 探 工 程 公 司 定 向 井 分 公 司 2 . 长江大学石油工程学院）
齿切人硬地层后因扭矩不足使钻头停止转动，随着 扭矩的继续升高，达到一定值时齿前岩石被切削。 随 即 ，钻柱所存储的能量突然释放，钻头角速度较 之前增大数倍，此 时 ，钻头处于滑脱状态。之 后 ， 再次进人黏滞阶段。在整个钻进过程中钻头始终处
阶段 。 深井或超深井的开发比例逐步增大 ， 但 是 ， P D C 钻头在深硬地层中的失效是快速钻井面临的 *
(1. Directional
Ma Hongyan' Wang Hongbo2
Well Drilling Company, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited ；2. Petroleum, Engineering College of
bit in efficient drilling deep
摘要
： P D C 钻头在深硬地层钻进时所受的黏滑振动是制约其高的黏滑振动， 引入了高频自激式扭力旋冲器。 通过对旋冲器工作 原理的分析， 利用有限元软件 （ A N SY S /L S -D Y N A ) 建立了 P D C 钻头非线性动力学三维模型。 模 拟了在有、 无旋冲器作用下P D C 钻头的磨损状况、 运动特性以及岩石的失效情况， 并在现场进行 了多口井的试验。 试验结果表明： 旋冲器产生的高频扭转冲击力能有效提高P D C 钻头和岩石受力 的均匀性， 抑制钻头所受的黏滑振动和切削齿的损坏。 使用旋冲器能提高钻头的破岩效率 ， 缩短 钻井周期， 为扭转冲击技术在深硬地层提速提供了重要的技术参考。 关 键 词 ： P D C 钻头 ； 扭力旋冲器； 有限元分析； 扭转冲击； 黏滑振动
扭力冲击器工作原理及特点
扭力冲击器工作原理及特点扭力冲击器是一种常见的工具，广泛应用于机械加工、汽车维修等领域。
它以其独特的工作原理和特点备受青睐。
本文将介绍扭力冲击器的工作原理以及它的特点。
一、工作原理扭力冲击器利用扭动力矩产生高速旋转，并将这种旋转转化为冲击力，以完成各种需要应用力的任务。
其工作原理如下：1. 扭动力矩产生：扭力冲击器通过电动机或气动马达提供动力，将旋转力矩传递给驱动头部，使其开始旋转。
2. 高速旋转：驱动头部内部的齿轮系统将输入的低转速转化为高转速，并传递给工作头部。
3. 冲击力产生：内部的冲击机构将高速旋转的力量转化为冲击力，通过锤头的反复打击，产生强大的扭矩输出。
二、特点扭力冲击器具有以下几个显著特点，使其成为许多行业的首选工具：1. 高扭矩输出：扭力冲击器通过内部的冲击机构和锤头设计，能够在瞬时产生高扭矩输出。
这使得它在需要处理紧固件、螺栓等高强度连接时非常有效。
2. 轻松处理焊死的螺栓：由于扭力冲击器具备强大的冲击力，因此可以轻松处理焊死的螺栓等情况。
相比之下，传统的扳手或电动工具往往无法解决这些问题。
3. 低反作用力：扭力冲击器的内部冲击机构能够将大部分输入的动力转化为用于旋转和冲击的力量，从而减少反作用力的产生。
这使得操作者在使用扭力冲击器时可以减少手部的负担。
4. 高效快速：由于扭力冲击器具备高扭矩输出和快速冲击的特点，它能够快速完成各种任务，提高工作效率。
5. 广泛适用性：扭力冲击器适用于各种不同的应用场景，可以处理多种尺寸、类型的螺栓和紧固件。
这使得它成为机械加工、汽车维修等行业的重要工具。
综上所述，扭力冲击器以其独特的工作原理和特点成为各行各业的得力助手。
其高扭矩输出、轻松处理焊死螺栓、低反作用力、高效快速和广泛适用性等特点使得它成为许多专业人士和工人们信赖的工具之一。
无论是紧固、拆卸还是修理工作，扭力冲击器都能为我们提供强有力的支持。
新型冲击试验机设计与验证
新型冲击试验机设计与验证随着科学技术的不断发展，物理试验在工程研究和产品开发中变得越来越重要。
其中，冲击试验是一种常用的试验方法，能够模拟物体在受到冲击时的行为和性能，为工程师和科学家提供重要的数据和信息。
本文将针对新型冲击试验机的设计与验证进行探讨，以满足不同领域的实验需求。
首先，设计新型冲击试验机需要考虑以下几个关键因素：载荷范围、试样尺寸、速度控制和数据采集系统。
载荷范围是指试验机能够承受的最大冲击力，需要根据实验需求和试样特性来确定。
试样尺寸则取决于具体应用场景，例如材料疲劳试验需要具有不同尺寸的试样进行测试。
速度控制是冲击试验的核心，需要精确地控制试验机的运动速度，以确保结果的准确性和可重复性。
数据采集系统负责记录试验过程中的参数，如载荷、位移、应变等，为后续数据分析提供支持。
在新型冲击试验机的设计过程中，还需考虑结构刚度和试验安全。
结构刚度是指试验机在受到冲击时的变形程度，对于试验结果的准确性和可靠性至关重要。
试验安全则是保障试验人员和设备的安全，尤其是在高载荷的情况下，需要设置合适的保护措施和紧急停止装置。
验证新型冲击试验机的有效性和性能是设计的重要一环。
有效性验证需要进行一系列的试验，以检验试验机是否能够满足设计要求。
例如，可以使用标准试样进行受冲击性能测试，并与相应的标准进行比较。
对冲击试验机的性能进行验证，通常会进行频率响应测试、温度变化测试和重复性测试等。
频率响应测试可评估试验机在不同频率下的性能，而温度变化测试可验证试验机在不同环境温度下的工作稳定性。
重复性测试可用于评估试验机在多次试验中的一致性。
设计和验证新型冲击试验机还需要充分考虑使用成本和设备维护。
设备成本是指试验机的购买成本以及试验过程中所需的配件和耗材费用。
试验机的维护成本则包括设备的日常维护、维修和备件更换等。
合理的设备维护计划和使用成本评估是确保试验机长期可靠工作的关键。
除了设计和验证，新型冲击试验机还需要定期进行校准和维护。
液动周向扭矩冲击发生器内部流场数值分析
力分布情况，并将仿真结果与理论分析结果进行对比。仿真结果表明：扭冲器出入口压降与入口 速 度 呈 线 性 关 系 ，其 工 作 状 态 稳 定 ；撞 击 锤 的 运 动 由 其 两 侧 压 差 驱 动 ，且 能 在 各 流 道 的 配 合 下 进 行 周 向 循 环 运 动 ，保 证 了 扭 冲 器 运 动 的 连 续 性 ；扭 冲 器 出 口 压 力 和 流 速 均 稳 定 ，验 证 了 结 构 设 计 方案的可行性及实用性。所得结论为液动周向扭矩冲击发生器的设计及性能优化提供了zhu Li Meiqiu Li Jiawen
( Mechanical Structures Strength and Vibration Research Institute, Yangtze University)
Abstract: The hydraulic circumferential torque impact generator is used to solve the problem of “ stick slip” of drill bit in deeper hard formations. The internal flow field distribution and pressure drop are directly related to the working performance of the impactor. Therefore, according to the structure and working principle of the torque impact generator, the flow channel models of the torque impact generator under different operating conditions are established. The CFD software is used to simulate the transient flow field and pressure distribution inside the torque impact generator. The simulation results are compared with the theoretical analysis results. The simulation results show that the pressure drop of the inlet and outlet is linear with the inlet velocity. The torque impact generator working condition is stable. The movement of the impact hammer is driven by the pressure difference on both sides of the torque impact generator and its cyclic circumferential motion is realized by means of the supporting of the flow channels, which guarantees the continuity of the movement. The outlet pressure and the flow velocity of the torque impact generator are stable, which verifies the feasibility and practicability of the structural design scheme. The conclusion provides a reference for the design and performance optimization of the hydraulic circumferential torque impact generator.
简析扭摆冲击器参数化设计
TECHNOLOGY AND INFORMATION简析扭摆冲击 Nhomakorabea参数化设计
王晶南 四机赛瓦石油钻采有限公司 湖北 荆州 434023
摘 要 针对扭摆冲击器设计过程中重复性、数据冗余的问题，基于三维软件SolidWorks对冲击器零部件进行参数 化设计。考虑零部件在参数化设计时的干扰因素，阐述了通过编程语言调用SolidWorks驱动尺寸参数进行二次 开发的过程，完成了数字矿山中扭摆冲击器参数化模型的建立，增强了扭摆冲击器零部件建模的能力，提高了设计 人员工作质量与效率。 关键词 参数化建模；二次开发；SolidWorks
而在实际开发过程通常有三种开发方式，第一种是直接通 过编程的方法调用SolidWorks中的工具完成零件建模的所有过 程，但该方法需要在开发过程中时刻效验程序的可靠性，效率较 低。第二种是通过SolidWorks自带的录制宏，通过语言环境修改 宏文件，但该方法宏文件的代码为基于VBA语言环境，要求开发 人员掌握多门编程语言，同时转换的过程中复杂烦琐，模型中宏 文件代码太多，错误的操作也会被宏文件记录，杂乱烦琐。第三 种方法叫尺寸驱动，该方法同样需要创建基础的三维模型，通过 语言环境与SolidWorks连接，读取三维模型中的各项参数，采用 尺寸驱动的方法，在原本零件的基本框架下，通过给定不同的尺 寸值时，可以得到不同尺寸而不会改变基本框架[2]。
Parametric design of torsion pendulum impactor
Wang Jingnan SJS Oil Drilling and Production Equipment Company Limited，Jingzhou, Hubei, 434023 Abstract To solve the problems of repeatability and data redundancy in the design of down-hole hammer, Parametric modeling of impactor parts is carried out based on 3D software SolidWorks. The interference factors in parametric design are considered, programming language calls SolidWorks to drive size parameters for secondary development, completed the digital mine down-hole hammer impacter parameterized model, , Enhanced the ability to model parts of down-hole hammer, improves the work quality and efficiency of designers. Key words Parametric modeling; Secondary development; SolidWorks
脉动扭转冲击装置结构设计及动力仿真
脉动扭转冲击装置结构设计及动力仿真蒋龙;樊军;安辉【摘要】针对传统石油钻井工具在深井、硬质地层中钻进效率低,钻井成本高,粘滑振动现象严重等缺点,设计了一种新型脉动扭转冲击钻井工具.该脉动扭转冲击钻井工具由冲击装置和换向装置组成,利用Pro/E建立了脉动扭转冲击装置的分析模型并利用XFLOW分析内部流场及压力分布,设置不同工作状态下的边界条件,得到该工具不同工作状态下的压力分布云图和出口平均压力曲线.仿真结果表明,冲击锤的周向运动由两侧的压差驱动;压降参数与美国的Torkbuster基本相同,性能具有相关性;出口平均压力变化小,可以稳定工作,为脉动扭转冲击装置内部结构设计及性能优化提供参考依据.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P12-15)【关键词】脉动扭转冲击装置;结构设计;XFLOW;动力仿真【作者】蒋龙;樊军;安辉【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TH16;TE924摘.：针对传统石油钻井工具在深井、硬质地层中钻进效率低，钻井成本高，粘滑振动现象严重等缺点，设计了一种新型脉动扭转冲击钻井工具。
该脉动扭转冲击钻井工具由冲击装置和换向装置组成，利用Pro/E建立了脉动扭转冲击装置的分析模型并利用XFLOW分析内部流场及压力分布，设置不同工作状态下的边界条件，得到该工具不同工作状态下的压力分布云图和出口平均压力曲线。
仿真结果表明，冲击锤的周向运动由两侧的压差驱动；压降参数与美国的Torkbuster基本相同，性能具有相关性；出口平均压力变化小，可以稳定工作，为脉动扭转冲击装置内部结构设计及性能优化提供参考依据。
石油行业在我国的支柱产业中具有非常重要的地位，为我国的经济建设提供了不可替代的战略能源。
扭力冲击器工作原理及特点
扭力冲击发生器工作原理及技术简介1.扭力冲击器工作机理在井下， PDC钻头的运动是极其无序的，包含横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合。
井下振动会破坏单个PDC切削齿 , 致使钻头寿命降低，惹起扭矩颠簸扰乱定向控制和随钻测井（ LWD）信号，以及产生不规则井眼降低井身质量。
扭力冲击器扭力冲击发生器配合 PDC钻头一同使用，其破岩机理是以冲击破裂为主，并加以旋转剪切岩层，主要作用是在保证井身质量的同时提升机械钻速。
扭力冲击器除去了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动（横向、纵向和扭向）的现象，使整个钻柱的扭矩保持稳固和均衡，奇妙地将泥浆的流体能量变换成扭向的、高频的、平均稳固的机械冲击能量并直接传达给 PDC钻头，使钻头和井底一直保持连续性。
由扭力冲击器供给的额外的扭向冲击力完整改变了PDC 钻头的运作，其每分钟750-1500 次高频稳固的冲击力，相当于每分钟750-1500 次切削地层，这就使钻头不需要等候扭力存储足够的能量就能够切削地层。
这时候 PDC钻头上有两个力在切削地层，一个是转盘供给的扭力，一个是扭力冲击器供给的力——并直接给到钻头自己（对钻杆其实不产生任何作用和改变整个冲击能量的荷载，只作用在钻头体自己上）。
这时侯钻杆的扭矩基本是稳固的，钻杆传达的扭矩能够完整用于切削地层，而不会浪费。
粘滑现象——成本浪费严重PDC钻头与TorkBuster 配合使用后，极大地正常钻进当钻头刚当钻柱上的扭力吃入地层，扭力应力（这类理想化的状态钻头不动，而转盘不足，钻头临时是在旋忽然开释后，钻头停留突不存在的，井下运动是然加快钻头转速忽然极其无序的）2.扭力冲击器技术特色（1）扭力冲击器“扭力牛仔”钢体外壳和钻头套筒独到的倒扣交织式连结坚固靠谱。
扭力冲击器扭力冲击发生器外面物理尺寸紧凑，内部机械构造合理，泥浆流道畅达，无任何橡胶件，无任何电子元器件。
此外，即便扭力冲击器扭力冲击器无效，它也不过相当于一个钻头短节和 PDC钻头一同持续旋转其实不影响持续钻进，其实不需要对此进行起下钻，但性能相当于又回到以前不用扭力冲击器冲击器的状态中，这时的机械钻速会降低，但没有任何其余风险。
扭力冲击器PPT-2012.2.18-by wen
0.00 0.00 136.45 147.28 307.38
0.00 0.00 4.50 0.00 5.50
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靶点B
靶点C 靶点D 靶点E
机械钻速
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
1.10 上部 Page 1 阿特拉 152% 2.78
第一趟起出新度95%
第二趟起出新度90%
TB+PC KET Energy Tech
元陆 702井
层位:上沙溪庙—自流井大安塞； 岩性：泥岩，砂岩； 泥浆密度： 1.50-2.0g/cm3 单趟纯钻时间：154h 井段：3080.59~3879.87m 进尺：799.28 m； 平均机械钻速 ：5.2m/h。
67
348
59
316 161
1.14
1.1 2.07
库普库兹满 组
开派兹雷克 组、库普库 兹满组
KET Energy Tech
玉北6-1
Page 14
U613M
5124-5557
阿特拉
333
大庆火成岩对比
岩性：玄武岩、辉绿岩、火山角砾岩
井号 肇深14 井 肇深13 井 使用井段 纯钻时 进尺m 间h 511 491 机械 钻速 m/h 地层 备注 钻头型 号
Page 16
阿特拉
KET Energy Tech
水平井段专用提速动力工具
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2019年第47卷第3期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY—19 —◄钻井技术与装备►扭力冲击器设计与仿真分析韩飞1罗淮东2张全立1张林3王军1李庆1 (1•中国石油集团工程技术研究院有限公司2.中油国际（乍得）有限责任公司3.中石油吉林油田公司）摘要：PDC钻头在深部硬地层钻进时存在蹩跳钻现象严重、单只钻头进旯低及机械钻速低等 问题。
为此，开设了扭力冲击器设计工作，并对工具的水力特性进行了仿真及室内测试。
扭力冲 击器主要通过水力切换总成、冲击总成及放掉总成实现对钻头的周期性扭矩冲击。
流场仿真及室 内测试结果表明：扭力冲击器高、低压腔快速切换表明其结构设计合理，能够通过启动锤的快速 运动实现冲击锤反复冲击；扭力冲击器能够正常运转并提供稳定的高频扭矩，且启动流量不低于5.4L/S。
所得结论为扭力冲击工具的优化设计及现场应用提供了参考。
关键词：PDC钻头；扭力冲击器；蹩钻；流场仿真；速度矢量中图分类号：TE921 文献标识码：A D0I:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2019.03.004 Design and Simulation Analysis of Torque ThrusterHan Fei1Luo Humdong2Zhang Quanli1Zhang Lin3Wang Jun1Li Qing1(1. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited；2. Petrochina International (Chad) Co., Ltd.； PC Jilin Oilfield)Abstract:PDC bit often suffers problems like severe bit bouncing,short footage and low ROP when drills in deep hard formations.To address the problems,the torque thruster is designed and its hydraulic characteristics are simulated and tested indoors.The torque thruster achieves a periodic torque shock to the drill bit through the hydraulic switching assembly,the impact assembly,and the release assembly.The flow field simulation and indoor test results show that the high and low pressure chambers of the torque thruster are quickly switched，indicating that the structure design is reasonable,and the repeat action of the impact hammer can be achieved by the rapid movement of the starting hammer.The torque impactor can operate normally and provide stable high frequency torque, with a starting flow rate of not less than5.4 L/s.The study could provide a reference for the optimal design and field application of the torque thruster.Keywords：PDC bit；torque thruster;bit bouncing;flow field simulation；velocity vector油公司也纷纷开展了相关研究。
0引言提速、提效是钻井工程永恒的目标。
PDC钻 头作为国内外石油公司的主力钻头在提高钻井机械 钻速方面发挥了重大作用，但在深部硬地层存在蹩 跳钻现象严重、单只钻头进尺低及机械钻速低等问 题[1<。
国外Uterm公司设计了一种基于液力驱动 实现对钻头高频扭矩冲击的扭力冲击器。
该工具通 过对钻头扭转冲击有效地解决了 PDC钻头在难钻 地层的黏滑问题，提高了机械钻速+12]。
国内各石在钻井“提速、提效”的大背景下，随着我 国对“深、低、海、非”等资源开发力度的逐渐 增大，笔者开展了扭力冲击器设计，并对工具的水 力特性进行了仿真分析及室内测试。
1扭力冲击器设计1. 1结构扭力冲击器结构如图1所示。
扭力冲击器主要*基金项目：中国石油集团公司科技项目“水平井减阻降扭与管外封隔器等新工具研制”（2014B-4314)。
—20 —石油机械2019年第47卷第3期由上接头、分流盖、垫片、撞击锤、启动锤、钢球 节流喷嘴、丝堵、扶正筛管及下接头等组成。
其 中：分流盖、启动锤及节流喷嘴构成水力切换总 成，实现高低压腔体的钻井液水力切换；撞击锤与 下接头构成冲击总成，实现对钻头的扭转冲击；下 接头与钢球构成防掉总成，实现钻头防掉保护。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12\ \\ \ \\I U J—!一1 一上接头；2 —分流盖；3 —塾片a;4 —撞击键；5—启动锤；6—垫片b;7 —钢球；8—垫片c;9一节流喷嘴；10—丝堵；11 一扶正筛管；12—下接头。
图1扭力冲击器结构示意图Fig. 1 Structural schematic of the torque thruster1.2工作原理扭力冲击器运动示意图如图2所示。
高压腔低压腔a.正向低压腔高压腔b.反向图2扭力冲击器运动示意图Fig. 2 Schematic diagram of the reversemotion of the torque thruster扭力冲击器主要通过水力切换总成、冲击总成 及防掉总成实现对钻头周期性扭矩冲击。
如图2a 所示，撞击锤正向运动为扭力冲击器工作方向，此 时启动锤孔与撞击锤逆时针方向侧连通形成高压 腔，撞击锤顺时针侧为低压腔，利用节流喷嘴产生高压推动冲击锤顺时针撞击下接头及钻头。
如图 3b所示，撞击锤反向运动为扭力冲击器复位方向，撞击锤正向运动到位后，启动锤在惯性和水力作用下继续摆动，同时切换冲击器高、低压腔，利用节流喷嘴产生髙压推动冲击锤逆时针旋转复位。
1.3主要技术参数扭力冲击器有效长度1 000 mm，最大外径203 mm，工作排量32 L/s，冲击频率10〜25 Hz,冲击扭矩 800 N •m。
2扭力冲击器水力计算及仿真分析扭力冲击器通过启动锤的来回摆动实现撞击锤 高、低压腔快速切换，钻井液需进行快速、复杂的 流道切换。
笔者认为钻井液流动轨迹特性准确性是 确保扭力冲击器可靠工作的关键。
故在此对关键流 道进行仿真。
运用SolidWorks软件绘制模型立体图，将模型 导入ANSYSCFX模块并建立流场的计算模型，通 过布尔运算用覆盖整个工具的圆柱形流道减去工具 内部各个零部件结构。
对流场模型进行网格划分，由于节流喷嘴、启动锤和撞击锤等尺寸较小，结构 较为复杂，对该区域的网格划分进行加密。
而对于 上下接头等地方，选择相对疏松的网格划分，如图 3所示。
图3流场模型网格划分Fig. 3 Flow field model meshing2.1启动位置流场仿真分析工具处于启动位置时，侧边流道关闭，流体全 部从节流喷嘴处流出。
流场仿真入口条件采用速度 进口，流体速度根据设计排量和入口截面积设定为 5 m/S，出口条件设置为自由出口。
经仿真得到工 具压力云图及流速云图，分别如图4和图5所示。
流场的压力在分流盖和振动筛管中比较稳定，处于高压水平，流体进入启动锤、撞击锤和节流喷嘴后2019年第47卷第3期韩飞，等：扭力冲击器设计与仿真分析—21 —压力明显降低。
由此可知，流体在工具中的压耗主 要集中在锤体的运动损耗上以及节流喷嘴处，总的 压降为0.622 MPa。
流体速度从进入工具到进入节 流喷嘴之前变化平缓，进入节流喷嘴后速度变化梯 度较大，流线形态类似撞击锤处于中间位置时的流 线形态，基本稳定，局部有祸流和揣流，不影响工 具整体运作。
卓位：Pa图4流体压力云图Fig. 4 Fluid pressure distributionP,=-l543. 052 + 929 615. S1Q+5. 985 74 x l〇9Q2(1) h9.537e+005S 5.395e+005I 1.252e+005-7.032e+005单位：Paa•压力云图单位：m/sb.速度云图图6流场压力云图和速度云图Fig. 6 Flow field pressure and velocity distribution图5流体速度矢量图Fig. 5 Fluid velocity vector2.2冲击锤流场仿真分析将冲击锤流道模型导入ANSYS CFX模块并建 立流场的计算模型，通过布尔运算用覆盖整个工具 的圆柱形流道减去简化模型，计算结果如图6和图 7所示。
当入口流速为5.00 m/s时，启动锤流道中的 流速明显高于撞击锤流道中的流速，最大流速为 45. 65 m/s。
此处的流体形态比较稳定，产生涡流 的主要原因是在模型中将下方通道堵死，单独模拟 侧边流道流场。
工具可实现快速准确启动锤运动，进而保障冲击锤进行周期性往复冲击动作。
侧边流道压降随着流量变化的仿真数值如表1所示。
表1中将入口流速转换成流量，将数值代入 origin软件进行多项式拟合（见图8)，得到压降^ 和流量之间的多项式如下：■ 4.565e+0013.424e+001|2.283e+0011.141e+0010.000e+000单位：m/s■ 4.565e+001□ 3.427e+001|2.288e+0011.150e+0011.138e-001单位：m/s b.流线图图7流场矢量图和流线图Fig. 7 Flow field vector and streamline diagram流量 / (m3 •s_1)图8侧边流道压降和流量拟合关系Fig. 8 Fitting relationship of pressure drop andflow rate in theside flow channel—22 —石油机械2019年第47卷第3期表1侧边流道压降随流量变化仿真数值Table 1 Numerical Simulation of the effect of flow rate onpressure drop in the side flow channel入口流速/(m•s_1)人口流量/(m3_s_1)侧边流道压降/P a1.000.001 2579 6672.000.002 51338 5203.000.003 77086 7204.000.005 027153 9005.000.006 283240 1006.000.007 540345 5007.000•008 796470 0008.000.010 053613 6009.000.011 310776 20010.000.012 566953 700表2节流喷嘴压降随流量变化仿真数值Table 2 Numerical Simulation of the effect of flow rate onpressure drop in the throttle nozzle2.3节流喷嘴流场仿真分析通过上面对整个工具流场的仿真可以看出，流 体压降主要集中在节流喷嘴处，而且压降的大小不 仅与流量大小有关，还与节流喷嘴内径有关。