钻柱减震器的减震元件主要有3种，分别是液压油、弹簧和橡胶。减震元件的设计直接影响到产品的减震效果，是减震器设计的核心部分。液压机械式减震器的减震元件包括液压部分和机械部分。其中，机械部分设计方案有2种减震元件，一种为碟形弹簧(即碟簧)，另一种为环形弹簧。下面对分别对这两种弹簧的刚度进行设计和计算。
1、碟形弹簧
碟形弹簧简称为碟簧，是用金属板料或者坯料进行锻压处理而形成的的锥形截面垫圈式弹簧。其结构示意图如图1所示。其中，D和d分别表示碟簧的外径及内径，H为碟簧的自由高度，h0为碟簧压平时的高度，t为碟簧的厚度，I II III Iv OM为应力位置点。
图1：碟形弹簧(碟簧)结构示意图
1.1碟簧的特点
(1)刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形吸收大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。
(2)具有扁钢度特性，可通过适当选择碟簧压平时变形量与厚度之比，得到不同的特性曲线，具有很大范围的非线性特性。
(3)用同样的碟簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大的范围内变化。
但是，如果碟簧的高度和板厚在制造中出现了误差，即使误差不大，其特性也会有较大的偏差。因此根据石油行业标准对减震器弹性刚度规定、减震器寿命等要求，结合国标GB/T 1972-1992《碟形弹簧》理论指标、德国工业标准DIN2093对碟簧制造检测工艺的具体规定，规范了严格的原材料控制标准。液压机械式减震器所用碟簧规定了严格的几何公差和载荷公差，制定了明确的生产工艺过程。
1.2 设计与计算
所设计的液压机械式钻柱减震器标称直径为178mm，根据行业标准SY/T 6347-1998《钻柱减震器》，其技术要求指标中最大的工作压力为350kN，刚度为3.5~5.0kN/mm。设定液压机械式钻柱减震器的最大工作行程为120mm，其中机械部分行程为60mm。
碟簧设计计算采用基于MS-Office、利用VB二次开发的碟簧设计专业软件分别进行单片、组合的设计计算及验证。碟簧在承载区间[0.15h0,0.75h0]，循环寿命达到2X10的六6次方次。通过以上方法，使碟簧理论设计与实际制造相一致，保证了液压机械式钻柱减震器稳定的弹性刚度，具有良好的减震能力。
2.环形弹簧
环形弹簧是由多个带有内锥面的外圆环和带有外锥面的内圆环配合组成的，如下图2所示，承受轴向力后，各圆环沿着圆锥面相对运动产生轴向变形而起到弹簧作用。
图2：环形弹簧示意图
2.1 环形弹簧的特性
环形弹簧的特性曲线如图3所示，由于外圆环和内圆环沿配合圆锥相对滑动时，接触表面具有很大的摩擦力，加载时轴向力P由表面压力和摩擦力平衡，相当于减小了轴向载荷的作用;卸载时，摩擦力阻滞了弹簧弹性变形的恢复，相当于贱笑了弹簧的作用力。
图3：环形弹簧特性曲线
由环形弹簧的特性曲线看出，面积OABO部分即为在加载和卸载循环中，由摩擦力转化为热能所消耗的功，其大小可以达到加载过程所做功的60%~70%。因此，环形弹簧的缓冲减震能力很高，单位体积材料的储能能力比其他类型弹簧大。
2.2 环形弹簧的设计和计算
如上所述，178mm的钻柱减震器最大的工作压力为350kN，因此环形弹簧所受的最大的工作压力为350kN。根据机械设计手册环形弹簧计算公式，对环形弹簧进行了计算，其基本技术参数为：外径130mm，内径102mm;内/外环高度48mm，内/外环最小厚度为4mm，圆锥面斜角β=16°，那么这个环形弹簧的极限工作变形量为：
3. 工作介质选取与工作腔设计计算
工作腔内可压缩液体的性质优劣会给减震器的性能带来直接的影响，必须具备粘度指数高，凝点低，压缩系数稳定和温度膨胀系数小等主要物理性质。因此，设计中选用甲基硅油作为减震元件，经过计算得出：液压缸内直径为130mm，活塞直径为100mm;工作行程为120mm时，最大工作压力为400kN，此时弹性刚度为3.333kN/mm。
根据以上计算结果，又对机械液压组合后的整机进行了叠加计算，下图图4为载荷/刚度曲线，可以看出在减震工作区间(钻压P=210~450kN)，其刚度在3.5~5.0kN/mm，满足行业标准的要求。
图4：减震器刚度曲线
4.结果
通过试验可以发现，环形弹簧的刚度较大，平均刚度为7.67kN/mm。碟簧刚度复合要求且性能稳定，平均刚度为4.25kN/mm。硅油环形弹簧组合试验显示，平均刚度为5.05kN/mm。硅油碟簧组合试验显示平均刚度为4.68kN/mm,且刚度稳定。综合考虑结构和性能要求，决定采用硅油碟簧的组合形式，可以保持钻柱减震器刚度性能稳定，有效地包含了钻头和钻具，降低钻井成本，提高钻井效率。
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