为验证液动锤性能仿真计算程序的可靠性，选取一套YDC型液动锤进行台架试验，液动锤结构参数 ：液动锤外径为245 mm，冲锤质量为90 kg，冲锤上下腔作用面积差为0.00776 m²，阀芯质量为12 kg。试验设备主要由试验台架、供液系统、测控系统3部分组成，台架试验现场如图4所示。

图4 YDC型液动锤台架试验现场照片

YDC型液动锤性能参数台架试验结果和程序计算结果对比如表2所示。由表2可知，实测值与计算值误差小于5%，结果吻合较好。因此，可以利用该计算程序来研究液动锤的性能参数。

由表2计算结果可以看出

①随着流量的增加或节流嘴直径的减小，节流压降增大，液动锤的冲击频率、单次冲击功及冲击功率都呈增长趋势 ；

②随着冲锤质量的增大，冲锤加速度减小，因此冲击频率有所下降 ；但是冲锤质量的增加仍使得单次冲击功和冲击功率呈增加趋势 ；

③随着冲锤上下腔作用面积差的增大，单次冲击功、冲击频率和冲击功率均先增大后减小，意味着合理设计冲锤上下腔作用面积差，可使得回程上行阻力与冲程下行推力达到最佳耦合状态 ；

④随着冲锤行程的增大，冲锤冲击末速度增大，因此单次冲击功呈增大趋势；但是冲锤行程增大，导致冲锤运动周期变长，因此冲击频率呈下降趋势 ；增大的单次冲击功与减小的冲击频率的乘积，使得冲击功率基本保持不变 ；

⑤随着阀芯质量的增大，阀芯加速度减小，阀芯运动周期变长因此冲击频率下降 ；在冲锤受力不变的情况下，运动时间越长冲击末速度越大，因此单次冲击功增加。

表2 YDC型液动锤性能参数实测值与程序计算值对比表

利用仿真计算程序计算出各参数对液动锤性能的影响规律如图5所示。

为了确定各因素变化对液动锤冲击性能的综合影响程度以及合理的结构参数组合，借助正交试验进一步分析多因素变化对冲击锤性能的影响。拟定了六因素（a排量、b节流嘴直径、c冲锤质量、d冲锤上下腔作用面积差、e冲锤行程、f阀芯质量）五水平的正交试验方案如表3所示，选择了L₂₅(56)正交表安排了25组试验进行分析，正交试验计算结果如表4所示。

为了分析各参数对单次冲击功和冲击功率的影响程度，计算了各水平的单次冲击功极差值和冲击功率极差值，计算结果如表5、6所示。极差值越大，表明该因素对单次冲击功和冲击功率的影响越大。

由正交试验计算结果可以看出 ：

①单次冲击功最大可达1 891.8 J，冲击功率最大可达35.76 kW。单次冲击功和冲击功率最优时的参数组合是a5b1c5d4e3f2（表3），即排量60 L/s，节流嘴直径20 mm，冲锤质量90 kg，冲锤上下腔作用面积差0.007 6 m2，冲锤行程50 mm，阀芯质量9 kg；

②对单次冲击功影响程度由大到小排序为 ：排量＞冲锤上下腔作用面积差＞节流嘴直径＞冲锤行程＞阀芯质量＞冲锤质量 ；

③对冲击功率影响程度由大到小排序为 ：排量＞冲锤上下腔作用面积差＞节流嘴直径＞阀芯质量＞冲锤行程＞冲锤质量。

图5 各参数变化对液动锤冲击性能的影响规律图

表3 正交试验设计方案表

表4 正交试验计算结果表

表5 以单次冲击功为优化目标的参数影响程度计算结果表

表6 以冲击功率为优化目标的参数影响程度计算结果表

5 结论

1）通过研究YDC型液动锤的工作机理，将液动锤的工作周期划分为7个运动阶段，分析了运动部件阀芯和冲锤的受力情况，建立了阀芯和冲锤的动力学模型。

2）基于Matlab软件平台，编制了YDC型液动锤优化设计软件，计算得到流体参数和结构参数对液动锤冲击性能的影响规律。

3）正交试验得到了冲击性能最佳的流体参数和结构参数的组合，并对各参数对冲击性能综合影响程度进行排序，其中排量对单次冲击功和冲击功率的影响最大。

4）排量对单次冲击功和冲击功率的影响程度最大，因此，在现有钻井泵排量和泵压条件下，通过改进液动锤的结构来实现大的做功排量，可有效提高液动锤的冲击性能。