旋沖載荷下傳動(dòng)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(dòng)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(yùn)而生。沖擊螺桿鉆具在傳遞扭矩的同時(shí)，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(yùn)動(dòng)耦合作用下傳動(dòng)軸總成密封特性及參數(shù)敏感性具有重要工程價(jià)值[3]。

圖1 沖擊螺桿鉆具傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yàn)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(yùn)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(jì)算。網(wǎng)格尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算時(shí)間越長。圖3(a)所示為不同網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線?？梢钥闯?，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(shí)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(jì)算，并與KIM等[15-16]的O形密封圈實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖3(b)所示。有限元計(jì)算誤差小于8%，表明選擇網(wǎng)格尺寸為0.45計(jì)算精度滿足要求。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)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(gè)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(gè)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(dòng)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?？芍切稳Ω邞?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(shí)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(dòng)密封特性分析

星形圈、O形圈和組合圈動(dòng)態(tài)密封仿真研究可以分為左行程和右行程分析。動(dòng)密封仿真運(yùn)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(yùn)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?，左行程和右行程星形圈與O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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(jì)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)左行程接觸壓力最大，半圓形其次；而溝槽形狀為半圓形時(shí)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(dòng)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(dòng)幅度最大，等腰三角形波動(dòng)幅度基本最小，波動(dòng)幅度越大，越容易產(chǎn)生泄漏；溝槽形狀為等腰三角形時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的靜密封應(yīng)力變化?？芍珻S1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。滑環(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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)CS1密封面接觸壓力最大，位于左側(cè)時(shí)最??；溝槽位于右側(cè)時(shí)CS2密封面接觸壓力最大，其余2個(gè)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(shí)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(dòng)變化，波動(dòng)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(shí)接觸壓力最大，位于右側(cè)時(shí)次之，位于左側(cè)時(shí)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(shí)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(dòng)變化，波動(dòng)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(shí)接觸壓力最大，位于左側(cè)時(shí)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(shí)接觸壓力最大，位于左側(cè)時(shí)次之；左行程接觸壓力比右行程低，溝槽位于中間時(shí)接觸壓力仍大于流體壓力。

圖16 不同溝槽位置時(shí)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(shí)的靜密封應(yīng)力?？芍?，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(shí)現(xiàn)密封。滑環(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(shí)的靜密封應(yīng)力

圖18所示為不同溝槽寬度時(shí)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(dòng)變化，波動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)密封性能最佳。靜密封狀態(tài)下，溝槽形狀為等腰三角形時(shí)CS1和CS2密封面接觸壓力最大，半圓形次之；動(dòng)密封狀態(tài)下，溝槽形狀為等腰三角形時(shí)CS1、CS2密封面左行程接觸壓力最大，半圓形次之，半圓形時(shí)右行程接觸壓力最大，等腰三角形次之。

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

(5)靜、動(dòng)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。