朱　明，宋滿華

(中石化石油機(jī)械股份有限公司研究院，武漢 430000)

0　引言

牙輪鉆頭工作時(shí)鉆頭徑向密封圈本身并不參與軸承承載，軸承對(duì)它的影響是使之處于熱源環(huán)境、高壓環(huán)境和不規(guī)則的振動(dòng)狀態(tài)之中[1-2]。為提高牙輪鉆頭密封圈的密封性能和使用壽命，研究學(xué)者主要從3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[3-7]：1)研制及選用新型密封材料；2)研究及使用新型密封結(jié)構(gòu)；3)合理設(shè)計(jì)及提高制造裝配精度。而試驗(yàn)法、解析法和有限元法是實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化方案的主要方法[8-13]。橡膠密封圈的設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)均會(huì)加速其損壞，喪失密封性能。橡膠徑向密封鉆頭在井底的高溫和高壓條件下破壞的主要原因是，材料的永久變形和被擠入密封間隙而引起的間隙咬傷，以及密封圈在運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)扭曲的現(xiàn)象。而橡膠材料的壓縮永久變形與溫度有關(guān)，相同材料的密封圈在同一溫度下截面直徑越大，密封圈壓縮永久變形率越低；因此，本研究通過改善牙輪鉆頭軸承密封圈的截面形狀，建立有限元模型，進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)出合理的壓縮率，以增強(qiáng)密封圈的抗咬合和扭曲能力，提高橡膠密封鉆頭的使用壽命。

據(jù)某公司樣本介紹，在相同鉆井工況下，高縱橫比橡膠密封圈(如圖1所示，以下稱扁平密封圈)壽命比O形密封圈壽命更長(zhǎng)，特殊的密封穩(wěn)定結(jié)構(gòu)能保持密封圈處于軸承的最佳密封位置。

圖1　扁平密封圈Fig.1　Flat sealing ring

1　扁平橡膠密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核算

橡膠密封圈屬于擠壓型彈性體環(huán)形密封，設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格控制的參數(shù)主要有密封圈的自由內(nèi)徑、截面壓縮率和圈槽體積比。

1.1　密封圈自由內(nèi)徑核算

橡膠密封圈主要適用低轉(zhuǎn)速、短周期的旋轉(zhuǎn)軸密封。當(dāng)圓周速率低于0.5 m/s時(shí)，密封圈選擇可按正常設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)圓周速率大于0.5 m/s時(shí)，拉長(zhǎng)的橡膠圈受熱后會(huì)收縮，需要克服“卡夫-焦耳效應(yīng)”。故選擇密封圈內(nèi)徑需大于密封軸直徑3%～5%[14]。密封圈在溝槽中安裝后，導(dǎo)致密封圈受到徑向壓縮，密封圈在溝槽中形成微量波紋狀，從而改善了潤(rùn)滑條件。圈內(nèi)徑與軸直徑比值表示為：

K=d/DS

(1)

式中：d是圈內(nèi)徑，DS是軸直徑。

8 1/2″扁平密封圈和8 1/2″O形密封圈自由內(nèi)徑設(shè)計(jì)值如表1所示。由表1可知，扁平密封圈和O形密封圈的內(nèi)徑設(shè)計(jì)值均未達(dá)到旋轉(zhuǎn)密封所要求的范圍，其內(nèi)徑值可增大3%～4%。

表1　橡膠密封圈自由內(nèi)徑值Table 1　Calculation of free inner diameter of rubber sealing rings

1.2　截面壓縮率核算

在鉆進(jìn)過程中，牙輪密封圈的密封力由初始安裝的壓縮變形接觸壓力和井底介質(zhì)壓力引起的密封面接觸壓力增量組成，初始密封力的大小主要通過調(diào)節(jié)橡膠密封圈的截面壓縮率來控制，過大的密封力會(huì)造成密封圈永久變形或因摩擦發(fā)熱量過大造成密封圈磨損加快。橡膠密封圈外徑壓縮率表示為：

(2)

式中：r是圈直徑，DH是孔直徑。

橡膠密封圈截面壓縮率表示為：

(3)

O形旋轉(zhuǎn)密封外徑的壓縮率一般應(yīng)控制在3%～8%。具體結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩種密封結(jié)構(gòu)的外徑壓縮率均小于3%，扁平密封圈截面壓縮率較O形密封圈小很多，扁平密封實(shí)際壓縮量為0.68 mm，O形密封為0.81 mm。但由于兩種密封圈的密封接觸寬度不一樣，其具體密封力大小需實(shí)際測(cè)定或有限元分析對(duì)比才能得出。扁平密封截面形狀與O形密封有較大的差別，其外徑壓縮率和截面壓縮率大小設(shè)計(jì)控制范圍還有待驗(yàn)證。

表2　橡膠密封圈外徑壓縮率和截面壓縮率Table 2　Outer diameter compression ratio and cross-section compression ratio of rubber sealing ring

1.3　圈槽體積比

密封溝槽的尺寸參數(shù)取決于密封圈的尺寸參數(shù)。溝槽尺寸可按體積計(jì)算，通常要求矩形溝槽的尺寸比圈的體積大15%左右[15]。這是因?yàn)椋好芊馊ρb入溝槽后，承受3%～30%的壓縮，而橡膠材料泊松比接近0.5，在體積上可認(rèn)為是不可壓縮的，所以溝槽中應(yīng)有容納密封圈變形的空間。但這個(gè)空間不能過大，否則在交變壓力的作用下就會(huì)變成有害的“游隙”，而增加密封圈的磨損。

由表3可知，扁平密封槽圈體積比達(dá)1.30，有足夠的壓縮變形和膨脹空間；其兩側(cè)設(shè)置有周向斷開的凸起結(jié)構(gòu)允許潤(rùn)滑介質(zhì)和泥漿進(jìn)入側(cè)向空間來冷卻密封圈并限制密封圈在側(cè)向的串動(dòng)，并與溝槽配合設(shè)計(jì)可防止密封圈發(fā)生扭轉(zhuǎn)和被咬傷。

槽圈體積比表示為：

式中：SG是槽截面積，SO是圈截面積，槽、圈截面積通過幾何模型測(cè)定。

表3　槽圈體積比計(jì)算Table 3　Calculation for volume ratio of groove to ring

2　扁平密封材料性能指標(biāo)測(cè)試

利用CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)和自制徑向密封力測(cè)試夾具(圖2)，對(duì)8 1/2″扁平密封圈和試制圈(試制圈橡膠材料與8 1/2″O形密封圈材料相同)進(jìn)行從壓縮量為5%～15%對(duì)應(yīng)的徑向密封力測(cè)試，得出扁平橡膠密封與O形密封圈材料性能對(duì)比結(jié)果，如表4所示。

由表4可知，與O形密封圈相比，扁平密封圈永久壓縮變形率與其相同，邵氏硬度、50%伸長(zhǎng)應(yīng)力、ASTM3指標(biāo)均低于O形密封圈，其中扁平密封圈50%定伸長(zhǎng)應(yīng)力僅為O形密封圈的70.41%；因此，相同尺寸設(shè)計(jì)時(shí)扁平密封橡膠圈的密封力較小，但其抗壓縮應(yīng)力松弛能力更好。

表4　扁平橡膠密封與O形密封圈材料性能對(duì)比Table 4　Comparison of material performance between flat-ring and O-ring

圖2　密封力測(cè)試夾具Fig.2　Testing fixture of sealing force

3　密封力值和密封寬度有限元分析對(duì)比

由扁平密封結(jié)構(gòu)尺寸核算可知，扁平密封截面壓縮率為6.79%,小于O形密封截面壓縮率12.80%，實(shí)際壓縮量扁平密封為0.68 mm，O形密封為0.81 mm。而O形密封內(nèi)徑圓弧直徑為6.35 mm，扁平密封為5.00 mm，即在工作狀態(tài)下相同材料的O形密封要比扁平密封接觸壓力大，密封寬度要寬。有限元量化分析對(duì)比結(jié)果如下：

3.1　密封圈的接觸壓力分布

考慮牙輪鉆頭不同軸向竄動(dòng)量和密封壓差的使用工況，計(jì)算密封區(qū)域接觸壓力和橡膠體應(yīng)力分布。設(shè)置最大軸向竄動(dòng)量為0.4 mm，密封壓差為0.5 MPa。牙掌和牙輪作適當(dāng)簡(jiǎn)化，密封溝槽和密封部位保留原有結(jié)構(gòu)，扁平密封圈穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為連續(xù)筋結(jié)構(gòu)。

密封圈在不同工況下的變形和接觸壓力分布如圖3所示，O形密封圈與扁平密封圈最大接觸壓力對(duì)比如表5所示。從圖3、表5中可以看出，壓差的作用會(huì)使密封面上的接觸壓力增加；與O形密封圈相比，初始安裝狀態(tài)扁平密封圈最大接觸壓力下降了20.91%，但施加壓差作用后，兩者的接觸壓力相差變小，扁平密封圈最大接觸壓力降幅為3.59%～5.92%；竄動(dòng)量對(duì)接觸壓力大小影響較小，竄動(dòng)量由0增加到0.4 mm，O形密封圈最大接觸壓力變化幅度為3.92%，扁平密封圈最大接觸壓力變化幅度為1.25%。

圖3　密封圈在不同工況下接觸壓力分布和變形情況Fig.3　Distribution of contact stress and deformation of sealing ring at different conditions表5　O形橡膠圈與扁平密封最大接觸壓力對(duì)比(密封壓差0.5 MPa)Table 5　Comparison of maximum cpress between Flat-ring and O-ring (seal differential pressure at 0.5 MPa)

ItemMaximumcpressofO-ring/MPaMaximumcpressofflat-ring/MPaRateofchange/%Initialinstallation2.111.67-20.91Movement0mm3.453.24-5.92Movement0.1mm3.423.24-5.10Movement0.2mm3.393.23-4.49Movement0.3mm3.353.22-4.12Movement0.4mm3.323.20-3.59

3.2　密封圈的接觸帶寬情況

通過有限元計(jì)算可獲得密封圈在不同工況下旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封接觸區(qū)域帶寬變化(圖4)，從圖中不難看出，扁平密封接觸帶寬小于O形圈，在相同工況條件下磨損和發(fā)熱量小。

圖4　動(dòng)密封區(qū)域接觸帶寬Fig.4　Contact bandwidth of dynamic sealing area

4　結(jié)論

1)扁平橡膠密封圈內(nèi)徑設(shè)計(jì)值可適當(dāng)調(diào)整，其截面壓縮率較常規(guī)O形圈降低了46.95%。側(cè)向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在牙輪軸向竄動(dòng)和有壓差時(shí)能夠有效防止密封側(cè)面完全貼合于溝槽側(cè)面，保證密封圈處于合適的位置。

2)扁平密封圈橡膠材料較O形密封圈硬度低，50%定伸應(yīng)力下降了29.59%。

3)扁平密封圈壓縮率和壓縮量要小于O形密封圈，裝配后徑向密封力值和密封寬度小于O形密封，相同工況下其耐磨損性能更好。

4)在軸承內(nèi)外壓差的作用下扁平密封徑向密封力迅速增加，在0.5 MPa時(shí)其徑向密封力值接近O形密封圈。扁平密封圈的密封寬度隨著牙輪串動(dòng)量的改變而變化。扁平密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)使得其相比O形密封圈穩(wěn)定性更好，在相同鉆井工況下壽命更長(zhǎng)。

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