旋沖載荷下傳動軸組合密封溝槽敏感參數(shù)研究*

鄧 娟 陳凱林 石昌帥

(1.中國航發(fā)成都發(fā)動機(jī)有限公司 四川成都 610500；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500)

石油鉆井是石油勘探開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，普通螺桿鉆具大扭矩、高轉(zhuǎn)速特性使其成為石油鉆井普遍使用的井下工具。然而隨著石油鉆井深度增加，深井和超深井的數(shù)目逐漸增多，巖石硬度增加，機(jī)械鉆速降低[1]。為解決上述問題，沖擊螺桿鉆具應(yīng)運而生。沖擊螺桿鉆具在傳遞扭矩的同時，可以產(chǎn)生高頻低幅軸向沖擊，能夠有效提高機(jī)械鉆速，如圖1所示[2]。對于沖擊螺桿鉆具，其沖擊部件密封結(jié)構(gòu)的可靠性對保障鉆具工作性能尤其重要，因此研究高溫、高轉(zhuǎn)速和往復(fù)運動耦合作用下傳動軸總成密封特性及參數(shù)敏感性具有重要工程價值[3]。

圖1 沖擊螺桿鉆具傳動軸總成密封結(jié)構(gòu)

國內(nèi)學(xué)者主要利用有限元分析軟件來分析沖擊螺桿鉆具傳動軸密封結(jié)構(gòu)的密封特性[4]。錢文強(qiáng)等[5]使用Abaqus研究了二維軸對稱模型下橡膠矩形密封圈靜密封性能，得到擋圈、介質(zhì)壓力、密封間隙對其von Mises應(yīng)力、接觸壓力的影響規(guī)律。韓傳軍等[6]使用Abaqus研究了二維軸對稱模型下橡膠星形密封圈靜密封性能和往復(fù)動密封性能，并對其橫截面形狀進(jìn)行了優(yōu)化。李丹[7]使用Ansys分析了二維軸對稱模型下蕾形密封圈靜密封和動密封性能，得到安裝狀態(tài)、靜壓狀態(tài)、內(nèi)行程及外行程的von Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力分布，得到相應(yīng)影響規(guī)律。白桂彩和申屠留芳[8]使用Abaqus研究了二維軸對稱模型下雙層套環(huán)式組合密封圈靜密封性能，得到介質(zhì)壓力、壓縮率對其von Mise應(yīng)力、接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。郭海豐等[9]使用Abaqus研究了二維軸對稱模型下O形橡膠密封圈靜密封性能，得到摩擦因數(shù)、流體壓力、壓縮率對其接觸應(yīng)力、von Mises應(yīng)力的影響規(guī)律。莫麗和王軍[10]使用Abaqus對比分析了二維軸對稱模型下橡膠D形密封圈和O形密封圈靜密封性能，得到工作壓力、壓縮率對D形密封圈和O形密封圈接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力、von Mises應(yīng)力的影響規(guī)律。然而以上研究主要集中于考慮轉(zhuǎn)動或往復(fù)運動等單一工況，對沖擊螺桿這種涉及高溫、高轉(zhuǎn)速和往復(fù)運動耦合作用下的密封性能研究較少。

本文作者對比了相同工況下星形圈、O形圈和組合圈密封特性，得到不同密封圈在靜密封、動密封狀態(tài)下接觸壓力分布和大小，根據(jù)主密封面接觸壓力判定方法得到最佳密封圈結(jié)構(gòu)；根據(jù)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溝槽參數(shù)敏感性分析，并討論了溝槽形狀、位置、數(shù)目和寬度等對組合圈密封特性影響規(guī)律。

1 熱老化密封圈的本構(gòu)模型研究

文中以氫化丁腈橡膠O形密封圈為研究對象。不考慮橡膠材料蠕變、應(yīng)力松弛，橡膠材料看作是一種各向同性、不可壓縮的超彈性材料[11]。研究表明，Yeoh本構(gòu)模型能準(zhǔn)確描述氫化丁橡膠的力學(xué)行為，其公式如(1)所示。

(1)

式中：λ為應(yīng)變；σ為應(yīng)力，MPa；C10、C20和C30為Yeoh模型的參數(shù)，MPa。

將不同溫度橡膠拉伸試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果處理為Yeoh本構(gòu)模型，各參數(shù)如表1所示。

表1 氫化丁腈Yeoh本構(gòu)模型參數(shù)

2 有限元模型

組合圈仿真模型由槽、軸、滑環(huán)和O形圈組成，O形圈截面尺寸5.7 mm，摩擦因數(shù)為0.04，滑環(huán)及槽尺寸參考車氏密封TB4-IB120X5.7[12-14]。軸與滑環(huán)作用形成的接觸面為主密封面，定義為CS1；O形密封圈與槽形成的接觸面為次密封面，定義O形圈與槽底面形成的密封面為CS2。其有限元模型如圖2所示。

圖2 組合圈有限元模型

為分析網(wǎng)格尺寸大小對有限元模擬運算結(jié)果的影響，對O形圈劃分網(wǎng)格尺寸分別為0.35、0.45、0.55、0.65、0.75進(jìn)行仿真計算。網(wǎng)格尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)越多，計算時間越長。圖3(a)所示為不同網(wǎng)格無關(guān)性驗證曲線。可以看出，網(wǎng)格尺寸為0.35和0.45，即網(wǎng)格數(shù)量為41 360和37 600時Mises差值較小。文中選擇網(wǎng)格尺寸為0.45進(jìn)行了后續(xù)計算，并與KIM等[15-16]的O形密封圈實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖3(b)所示。有限元計算誤差小于8%，表明選擇網(wǎng)格尺寸為0.45計算精度滿足要求。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

3 不同密封圈密封特性研究

組合密封圈是由于O形圈等單個密封圈不能滿足現(xiàn)代需求而出現(xiàn)的一種新型密封圈，相同溝槽尺寸組合圈密封性能和使用生命周期基本都優(yōu)于單個密封圈。下文基于類似方法對比研究相同工況下組合圈、O形圈和星形圈3種密封圈的密封特性。

3.1 星形圈、O形圈和組合圈靜密封特性分析

靜態(tài)密封是動態(tài)密封的前提，因此要分析影響密封性能的接觸壓力和Mises應(yīng)力情況。圖4分別為星形圈、O形圈和組合圈靜密封von Mises應(yīng)力分布。可知，星形圈高應(yīng)力位于密封圈右側(cè)上、下角，高應(yīng)力區(qū)密封圈容易失效，低應(yīng)力位于密封圈中部，低應(yīng)力區(qū)基本呈上下對稱；O形圈高應(yīng)力集中于右側(cè)上下角，中部出現(xiàn)低應(yīng)力區(qū)，基本呈上下對稱；組合圈高應(yīng)力位于滑環(huán)中部和右側(cè)面，高應(yīng)力區(qū)域容易發(fā)生失效。

圖4 靜密封von Mises應(yīng)力分布

靜密封接觸壓力分布如圖5所示。靜密封后星形圈和O形圈接觸壓力區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移，密封圈有3處高接觸壓力區(qū)，高接觸壓力區(qū)位于密封圈外圓面、內(nèi)圓面和右側(cè)面，O形圈接觸壓力高于星形圈；組合圈高接觸壓力集中于滑環(huán)內(nèi)圓中部，組合圈接觸壓力高于其余2種密封圈是由于密封材料原因,其普遍使用的密封材料為聚四氟乙烯。

圖5 靜密封接觸壓力分布

圖6所示為不同壓力下靜密封接觸壓力變化曲線。在靜密封狀態(tài)下O形圈和星形圈接觸壓力與介質(zhì)壓力呈正比例函數(shù)關(guān)系，呈線性變化規(guī)律，且兩者差值較??；組合圈接觸壓力隨介質(zhì)壓力的增大呈現(xiàn)增大變化趨勢，0～4 MPa時接觸壓力增長速度較慢，4 MPa后接觸壓力增長速度快于其余2種密封圈。組合圈接觸壓力大于其余2種密封圈，壓力增大接觸壓力差值先減小后增大，4 MPa前呈非線性變化而4 MPa后呈線性關(guān)系增長。無論多大介質(zhì)壓力組合圈接觸壓力均比其余2種密封圈高，證明組合圈密封效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于O形圈及星形圈。

圖6 不同壓力下靜密封接觸壓力變化

3.2 星形圈、O形圈和組合圈動密封特性分析

星形圈、O形圈和組合圈動態(tài)密封仿真研究可以分為左行程和右行程分析。動密封仿真運算與靜態(tài)密封一樣，左行程、右行程以往復(fù)速度為0.3 m/s和轉(zhuǎn)速為150 r/min進(jìn)行仿真運算。

圖7和圖8所示為星形圈、O形圈和組合圈左行程與右行程接觸壓力分布?？梢钥闯觯笮谐毯陀倚谐绦切稳εcO形圈存在3處高接觸壓力區(qū)，高接觸壓力區(qū)位于密封圈外圓面、內(nèi)圓面及右側(cè)面，右行程接觸壓力高于左行程可能是由于流體壓力方向與運動方向相同；組合圈左行程和右行程接觸壓力分布相同，有1處高接觸壓力區(qū)，位于滑環(huán)內(nèi)圓中部，組合圈接觸壓力遠(yuǎn)大于其余2種密封圈，說明其密封性能優(yōu)于O形圈和星形圈。

圖7 左行程接觸壓力分布

圖8 右行程接觸壓力分布

圖9所示為不同壓力下左、右行程接觸壓力變化曲線。左行程O形圈及星形圈接觸壓力極大值、極小值及平均值隨壓力的升高而增大，呈線性關(guān)系，兩者極大值、極小值及平均值基本相等；組合圈極大值、極小值和平均值隨壓力整體呈增大趨勢，呈非線性關(guān)系，組合圈極大值、極小值和平均值均大于其余2種密封圈。由此可說明左、右行程組合圈密封效果優(yōu)于O形圈和星形圈。

圖9 不同壓力下接觸壓力變化

綜上所述，無論靜密封還是動密封，組合圈接觸壓力遠(yuǎn)大于O形圈和星形圈，說明組合圈密封性能優(yōu)于O形圈及星形圈。

4 溝槽對組合圈密封特性的影響

在密封圈上制作溝槽，可以使鉆井液中的雜質(zhì)存儲于溝槽和形成油膜，并且在不影響密封使用壽命情況下溝槽還有助于提高密封性能。下文將討論溝槽相關(guān)參數(shù)對密封圈密封特性及使用壽命的影響，為設(shè)計溝槽和使用有溝槽形狀密封圈提供幫助與指導(dǎo)。

4.1 溝槽形狀對組合圈密封特性的影響

文中分別對矩形、等腰梯形、等腰三角形、半圓形等滑環(huán)槽形進(jìn)行有限元模擬。模擬參數(shù)為：往復(fù)速度0.3 m/s、轉(zhuǎn)速150 r/min、壓縮量0.45 mm、滑環(huán)厚度0.5 mm、介質(zhì)壓力7 MPa、彈性模量960 MPa、泊松比0.45、上溝槽寬度0.3 mm、下溝槽寬度0.6 mm、溝槽深度0.3 mm。

圖10所示為不同溝槽形狀靜密封應(yīng)力分布。可以看出，溝槽形狀不相同則CS1密封面接觸壓力不同，溝槽形狀為等腰三角形時CS1密封面接觸壓力最大，半圓形次之；CS1密封面接觸壓力大于流體壓力7 MPa，密封有效，且CS1高接觸壓力存在于內(nèi)圓溝槽邊緣附近。

圖10 不同溝槽形狀CS1密封面靜密封接觸壓力分布

圖11所示為不同溝槽形狀CS1密封面的接觸壓力。從圖11(a)可看出，左、右行程接觸壓力出現(xiàn)波動規(guī)律，溝槽形狀不同接觸壓力規(guī)律不同，左、右行程接觸壓力規(guī)律也不同，左行程接觸壓力平均值整體比右行程高；溝槽形狀為等腰三角形時左行程接觸壓力均值最大，半圓形次之；溝槽形狀為半圓形時右行程接觸壓力均值最大，等腰三角形次之；然而無論哪種形狀溝槽其接觸壓力都大于流體壓力7 MPa，動密封有效。從圖11(b)可看出，左、右行程同形狀溝槽產(chǎn)生接觸壓力均值差別不大，左行程基本上大于右行程；溝槽形狀為等腰三角形時左行程接觸壓力最大，半圓形其次；而溝槽形狀為半圓形時右行程接觸壓力最大，等腰三角形次之。

圖11 不同溝槽形狀CS1密封面的接觸壓力

圖12所示為不同溝槽形狀CS2密封面的接觸壓力。從圖12(a)可以看出，左、右行程CS2密封面接觸壓力出現(xiàn)波動變化規(guī)律，不同溝槽形狀的接觸壓力規(guī)律不同，左、右行程規(guī)律也不同；半圓形溝槽的接觸壓力波動幅度最大，等腰三角形波動幅度基本最小，波動幅度越大，越容易產(chǎn)生泄漏；溝槽形狀為等腰三角形時左行程接觸壓力平均值最大，半圓形次之；溝槽形狀為半圓形時右行程接觸壓力均值最大，等腰三角形次之，但兩者接觸壓力差值較小，左行程接觸壓力值低于右行程。所有溝槽形狀的接觸壓力值都大于流體壓力7 MPa，密封有效。從圖12(b)可以看出，不同溝槽形狀左、右行程接觸壓力平均值不同，同形狀溝槽左、右行程接觸壓力差值較大；溝槽形狀為等腰三角形時左行程接觸壓力最大，半圓形次之，而右行程則是半圓形接觸壓力最大，等腰三角形次之，右行程接觸壓力遠(yuǎn)高于左行程。綜上所述，溝槽形狀為等腰三角形時密封性能最佳。

圖12 不同溝槽形狀CS2密封面的接觸壓力

4.2 溝槽數(shù)目對組合圈密封特性影響

選擇溝槽形狀為等腰三角形，溝槽數(shù)分別取1、3、5、7，取流體壓力為8 MPa、溝槽寬度為0.15 mm、溝槽深度為0.1 mm、溝槽間隔寬度為0.4 mm，其余參數(shù)與前文相同，對組合圈進(jìn)行有限元模擬。

圖13所示為不同溝槽數(shù)時的靜密封應(yīng)力變化。可知，CS1密封面接觸壓力與溝槽數(shù)目呈正比例函數(shù)關(guān)系增長，CS2密封面變化較小，CS1密封面接觸壓力變化率大于CS2?；h(huán)von Mises應(yīng)力隨溝槽數(shù)目增加而增大，滑環(huán)槽數(shù)為0～3時von Mises應(yīng)力增長率快于滑環(huán)槽數(shù)為3～5。溝槽數(shù)目增加接觸壓力會增大，說明選擇合適溝槽數(shù)目來提高密封性能是可行的，其中溝槽數(shù)為3較為合理。CS1接觸壓力遠(yuǎn)高于CS2，滑環(huán)應(yīng)力遠(yuǎn)大于O形圈是密封材料導(dǎo)致的。

圖13 不同溝槽數(shù)時的靜密封應(yīng)力

4.3 溝槽位置對組合圈密封特性的影響

選擇溝槽形狀為等腰三角形，溝槽數(shù)為1，溝槽位置位于右側(cè)位、中間位及左側(cè)位，其余參數(shù)與前文相同，對組合圈進(jìn)行有限元模擬。圖14所示為不同溝槽位置時靜密封應(yīng)力圖。可知，溝槽位置不同接觸壓力也不同，溝槽位于中間時CS1密封面接觸壓力最大，位于左側(cè)時最小；溝槽位于右側(cè)時CS2密封面接觸壓力最大，其余2個位置接觸壓力相等，CS1密封面接觸壓力主要集中于滑環(huán)內(nèi)圓中間，CS2密封面接觸壓力集中于外圓面及右側(cè)面。

圖14 不同溝槽位置時CS1密封面靜密封接觸壓力

圖15所示為不同溝槽位置CS1密封面的接觸壓力。從圖15(a)可看出，左、右行程接觸壓力出現(xiàn)波動變化，波動幅度較大；左、右行程接觸壓力變化規(guī)律不同，同溝槽位置右行程接觸壓力平均值與左行程基本不相等；左側(cè)位、右側(cè)位接觸壓力變化規(guī)律相同；所有溝槽位置接觸壓力均比流體壓力8 MPa大，密封可靠。從圖15(b)可知，溝槽位置不同接觸壓力平均值不同，溝槽位置相同左、右行程接觸壓力不同，溝槽位于中間時接觸壓力最大，位于右側(cè)時次之，位于左側(cè)時接觸壓力最小，但也大于流體壓力。

圖15 不同溝槽位置CS1密封面的接觸壓力

圖16所示為不同溝槽位置時CS2密封面的接觸壓力。從圖16(a)可知，左、右行程接觸壓力呈現(xiàn)波動變化，波動幅度較大；左、右行程接觸壓力變化規(guī)律不同，左行程接觸壓力比右行程??；溝槽位于右側(cè)時接觸壓力最大，位于左側(cè)時次之；溝槽位置相同右行程與左行程接觸壓力差距較大；無論溝槽處于什么位置，最大接觸壓力均大于流體壓力8 MPa，密封有效。從圖16(b)可知，不同溝槽位置接觸壓力平均值不相同，同溝槽位置左、右行程接觸壓力差距較大，溝槽位于右側(cè)時接觸壓力最大，位于左側(cè)時次之；左行程接觸壓力比右行程低，溝槽位于中間時接觸壓力仍大于流體壓力。

圖16 不同溝槽位置時CS2密封面的接觸壓力

4.4 溝槽寬度對組合圈密封特性影響

選擇溝槽形狀為等腰三角形，溝槽寬度分別取0.13、0.15、0.18和0.2 mm，其余參數(shù)與前文相同，對組合圈進(jìn)行有限元模擬。圖17所示為不同溝槽寬度時的靜密封應(yīng)力。可知，溝槽寬度增加CS1密封面接觸壓力略微增大，而CS2密封面基本不變，CS1密封面接觸壓力大于CS2；CS2密封面接觸壓力高于流體壓力8 MPa，可實現(xiàn)密封?；h(huán)von Mises應(yīng)力隨溝槽寬度增加而增大，而O形圈應(yīng)力幾乎不變，滑環(huán)應(yīng)力遠(yuǎn)大于O形圈。

圖17 不同溝槽寬度時的靜密封應(yīng)力

圖18所示為不同溝槽寬度時CS1密封面的接觸壓力。從圖18(a)可看出，左、右行程接觸壓力呈現(xiàn)波動變化，波動幅度較大；左、右行程接觸壓力變化規(guī)律不同，溝槽寬度不同，接觸壓力變化規(guī)律不同，溝槽寬度與接觸壓力平均值呈正比例關(guān)系；最大接觸壓力高于流體壓力8 MPa，動密封可靠。從圖18(b)可知，溝槽寬度增大，左、右行程接觸壓力平均值增加，呈非線性變化規(guī)律；接觸壓力變化率逐漸增大，接觸壓力差值呈現(xiàn)先增大后減小再增大趨勢，右行程接觸壓力高于左行程。綜上所述，CS1密封面接觸壓力隨溝槽寬度增大而增大，而靜密封狀態(tài)CS2密封面接觸壓力及O形圈應(yīng)力幾乎不變。

圖18 不同溝槽寬度CS1密封面的接觸壓力

5 結(jié)論

(1)高溫、高轉(zhuǎn)速和往復(fù)運動耦合作用下，組合圈接觸壓力大于O形圈及星形圈，其密封效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于O形圈及星形圈。

(2)溝槽形狀為等腰三角形時密封性能最佳。靜密封狀態(tài)下，溝槽形狀為等腰三角形時CS1和CS2密封面接觸壓力最大，半圓形次之；動密封狀態(tài)下，溝槽形狀為等腰三角形時CS1、CS2密封面左行程接觸壓力最大，半圓形次之，半圓形時右行程接觸壓力最大，等腰三角形次之。

(3)靜、動密封狀態(tài)下，CS1密封面接觸壓力隨溝槽數(shù)增多而增大，溝槽數(shù)目大于3時接觸壓力增長率較小，選擇溝槽數(shù)為3較為合理。

(4)靜密封狀態(tài)下，溝槽位置位于中間時CS1密封面接觸壓力最大，位于右側(cè)時次之，位于右側(cè)時CS2密封面接觸壓力最大，其余兩位置相等；動密封狀態(tài)下，溝槽位于中間時CS1密封面接觸壓力最大，位于右側(cè)時次之，而位于右側(cè)時CS2密封面接觸壓力最大，位于左側(cè)時次之。因此，溝槽位置于中間最合理。

(5)靜、動密封狀態(tài)下，CS1密封面接觸壓力隨溝槽寬度增大而增大，而靜密封狀態(tài)下CS2密封面接觸壓力及O形圈應(yīng)力幾乎不變。