數(shù)字液力解碼器密封與摩擦特性試驗(yàn)研究

何東升，李若嵐，欒京生，熊浪，鄭嚴(yán)，錢韋吉

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 前言

智能完井技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際石油開(kāi)采中的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)將油藏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)相結(jié)合，為發(fā)展油藏油田經(jīng)營(yíng)管理開(kāi)辟了嶄新的道路[1]。某團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究的技術(shù)核心是通過(guò)直接液力控制井下流量控制閥(ICV)的開(kāi)度調(diào)控及采油動(dòng)作；但后期為了滿足多層合采的需求及解決井下液控管線過(guò)多的問(wèn)題，將采用數(shù)字液力解碼器控制井下ICV進(jìn)行層位選擇及開(kāi)度調(diào)控[2]。

如圖1所示，數(shù)字液力解碼器是一種由多個(gè)串、并聯(lián)的微型液缸-單向閥基本控制單元集成于一體的井下機(jī)械裝置，各個(gè)微型液缸的密封性能對(duì)解碼器識(shí)別液壓編碼信號(hào)和控制ICV動(dòng)作響應(yīng)至關(guān)重要。井下工具整體尺寸受到井身結(jié)構(gòu)制約，且工作于高溫、高壓的復(fù)雜環(huán)境中，因此需要對(duì)解碼器的密封性能和摩擦特性進(jìn)行分析。

圖1 數(shù)字液力解碼器三維圖

橡膠密封圈具有高彈性、低模量的特點(diǎn)[3]，且O形圈具有普適性。不同材質(zhì)的O形橡膠密封圈根據(jù)實(shí)際工況被廣泛應(yīng)用在石油、深海機(jī)械、軍工、航空航天等眾多領(lǐng)域[4-6]。國(guó)內(nèi)外涉及O形橡膠圈的文獻(xiàn)研究很多，為了探究橡膠O形圈真實(shí)的密封與摩擦特性，試驗(yàn)方法成為了一種行之有效的手段。朱啟惠等[7-8]在低壓氣體及高壓氣體工況下對(duì)O形圈的摩擦特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)探明介質(zhì)壓力和壓縮率對(duì)摩擦力的影響明顯，O形圈摩擦力存在遲滯現(xiàn)象。馬春紅等[9]進(jìn)行了O形圈的黏滯特性實(shí)驗(yàn)，分析了黏滯摩擦力受運(yùn)動(dòng)速度、介質(zhì)壓力等因素的影響規(guī)律。顧東升等[10]設(shè)計(jì)了測(cè)量接觸應(yīng)力和泄漏量的O形圈實(shí)驗(yàn)裝置。吳瓊等人[11-12]利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)O形圈的靜密封、微動(dòng)及往復(fù)密封進(jìn)行了比較深入的研究。

如圖2所示，數(shù)字液力解碼器內(nèi)部的微型液缸尺寸較小，本文作者在動(dòng)、靜密封結(jié)構(gòu)處均采用O形橡膠密封圈加擋圈的密封形式，再通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)一步研究介質(zhì)壓力、往復(fù)速度、壓縮率對(duì)解碼器密封性能及摩擦特性的影響。研究結(jié)果可為井下高壓液控設(shè)備的可靠性提供實(shí)際的工程價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主實(shí)驗(yàn)臺(tái)

O形圈往復(fù)密封試驗(yàn)臺(tái)架搭建參考《用于評(píng)估液壓往復(fù)密封應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，主試驗(yàn)臺(tái)采用垂直布置方式[13-15]。相較大多數(shù)的橫向布置，此方式可在一定程度上規(guī)避實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)固有力，且符合井下液控解碼器應(yīng)用的實(shí)際放置工況。

如圖3所示，以數(shù)字液力解碼器閥體本身為試驗(yàn)對(duì)象，其內(nèi)部的一個(gè)微型液缸為試驗(yàn)缸；試驗(yàn)用閥桿上端通過(guò)拉壓力傳感器與步進(jìn)電機(jī)的電動(dòng)推桿連接，下端則通過(guò)連接件與位移傳感器連接，安裝過(guò)程通過(guò)微調(diào)來(lái)保證試驗(yàn)裝置的垂直度及同軸度，微調(diào)結(jié)束后需要緊固相應(yīng)的夾具，防止各個(gè)傳感器、電動(dòng)推桿等的橫向移動(dòng)。

圖3 主實(shí)驗(yàn)裝置

圖4示出了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)作控制和數(shù)據(jù)采集流程。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及控制器可以對(duì)V2B2O-500N電動(dòng)推桿的啟停及速度進(jìn)行控制，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)閥桿以一定速度的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；O形圈與微型液缸之間的摩擦力可以通過(guò)HYLY-019拉壓力傳感器測(cè)量，其最大量程為500 N，測(cè)量精度為1.5 N；閥桿及O形圈的位移可通過(guò)KTRC-15 mm位移傳感器測(cè)量，其精度為0.01 mm；通過(guò)超高壓液壓站(70 MPa)向解碼器密封閥體勻速施加介質(zhì)油壓力，其介質(zhì)壓力可通過(guò)MIK-PX300壓力傳感器測(cè)量，其最大量程為60 MPa，精度為0.1 MPa。

圖4 控制采集流程

如圖5所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，利用ForceControl軟件編寫相關(guān)程序及圖形界面，對(duì)各個(gè)傳感器的拉壓力、位移和壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)繪，并對(duì)相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

圖5 數(shù)據(jù)測(cè)控存儲(chǔ)界面

1.2 試件及參數(shù)定義

圖6 試驗(yàn)閥桿、密封圈及量具

(1)

式中：d為O形圈截面直徑，mm；h為溝槽深度，mm。

1.3 系統(tǒng)誤差及固有力分析

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，試驗(yàn)用密封圈要定期更換，避免無(wú)關(guān)變量的影響；每組試驗(yàn)重復(fù)做5次，并對(duì)其結(jié)果做均值處理，這樣也可以避免一些偶然數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

在安裝密封臺(tái)架前，利用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)拉壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證傳感器的準(zhǔn)確性，然后進(jìn)行初始校零，排除傳感器本身的誤差。

最后考慮到垂直布置時(shí)，如圖7所示，閥桿重力始終向下和位移傳感器推力始終向上，且二者力的大小不可忽略。故需要在不加密封圈的時(shí)候進(jìn)行空載試驗(yàn)，測(cè)出系統(tǒng)在上拉和下壓過(guò)程中的固有力。上拉、下壓行程中實(shí)際摩擦力fu1、fu2的計(jì)算公式：

圖7 拉壓力傳感器示數(shù)與摩擦力關(guān)系

fu1=ft+fs-fg

(2)

fu2=fp+fg-fs

(3)

式中：ft為向上的拉力，N；fp為向下的壓力，N；fs為位移傳感器的推力，N；fg為閥桿重力，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦力-位移時(shí)變曲線

數(shù)字液力解碼器常與ICV被置于2 000 m左右深的井下油層處，需要地面超高壓液壓站通過(guò)3根長(zhǎng)的高壓油管控制其內(nèi)部動(dòng)作。圖8示出了在不同高壓密封往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)氟橡膠O形圈摩擦力和位移的時(shí)變曲線。O形圈運(yùn)動(dòng)會(huì)依次經(jīng)歷：a-微動(dòng)、b-滑動(dòng)、c-回彈、d-摩擦力釋放4個(gè)階段。實(shí)際上微動(dòng)階段在摩擦力未達(dá)到最大啟動(dòng)力前無(wú)明顯位移；達(dá)到最大啟動(dòng)力后，位移會(huì)出現(xiàn)線性增大，摩擦力會(huì)減小并趨于相對(duì)穩(wěn)定，但由于表面質(zhì)量摩擦力會(huì)在一定范圍波動(dòng)，即為滑動(dòng)階段；回彈階段閥桿達(dá)到最大位移時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，但電動(dòng)推桿的力不變，O形圈摩擦力會(huì)迅速釋放，但由于橡膠與微凸體接觸壓縮時(shí)會(huì)使力釋放不完全，即存在滯后摩擦力；最后由于電動(dòng)推桿的力卸載，摩擦力也會(huì)完全釋放。

圖8 氟橡膠O形圈摩擦力和位移時(shí)變曲線(v=0.166 mm/s、ε=23.25%)

從圖8可知：在高壓油液時(shí)，最大靜摩擦力明顯大于滑動(dòng)摩擦力，所以數(shù)字液力解碼器在工作時(shí)需要比較大的啟動(dòng)力，且當(dāng)啟動(dòng)力未達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)，數(shù)字液力解碼器的動(dòng)作響應(yīng)會(huì)存在一定的延遲現(xiàn)象。隨著介質(zhì)油壓力的增大，O形圈的滯后摩擦力呈明顯的梯度增加，且總的摩擦力也增大。由于橡膠與固體之間的摩擦力由黏附摩擦力和滯后摩擦力兩部分組成，在高壓油液條件下，較大的滯后摩擦力會(huì)使密封系統(tǒng)的隨動(dòng)性變差，黏滯特性對(duì)摩擦力的影響比較大。

圖9是氟橡膠O形圈摩擦力與位移的關(guān)系曲線，為了規(guī)避位移傳感器超量程使用，初始安裝先預(yù)壓12 mm再進(jìn)行上行程運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與圖8相似，也分為4個(gè)階段。當(dāng)閥桿位移運(yùn)動(dòng)至0時(shí)，回彈階段存在明顯的滯后摩擦力，進(jìn)行反向下行程運(yùn)動(dòng)，此時(shí)摩擦力釋放不完全，導(dǎo)致其下行程初始存在摩擦力。明顯可見(jiàn)，在高壓油液密封狀況下，上、下行程中最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，隨著介質(zhì)壓力的增加，摩擦力增大。滑動(dòng)摩擦力由于表面質(zhì)量處于小范圍波動(dòng)并趨于穩(wěn)定值。

圖9 氟橡膠O形圈摩擦力隨位移變化曲線(v=0.166 mm/s、ε=23.25%)

2.2 摩擦力-壓力曲線

圖10所示為氟橡膠O形圈在不同介質(zhì)油壓下的變化規(guī)律及其擬合曲線。隨著介質(zhì)油壓力的增加，最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在大壓差范圍內(nèi)，密封壓力從0增至16 MPa時(shí)，其最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力幾乎呈線性增加且增長(zhǎng)率分別約為5.44、3.61 N/MPa；密封壓力從16 MPa增至32 MPa時(shí)，其最大靜摩擦和滑動(dòng)摩擦力也呈線性增長(zhǎng)且增長(zhǎng)率分別約為1.07、1.06 N/MPa。

圖10 摩擦力隨介質(zhì)壓力的變化(v=0.166 mm/s、ε=23.25%)

明顯可知，摩擦力隨著介質(zhì)壓力增加而增大，過(guò)大的摩擦力可能導(dǎo)致O形橡膠密封圈發(fā)生過(guò)度磨損，從而導(dǎo)致數(shù)字液力解碼器密封處泄漏失效。在低壓0～16 MPa時(shí)，隨介質(zhì)油壓力增加，油膜厚度會(huì)減小并且黏壓作用會(huì)增加油的黏度，其最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力增長(zhǎng)率較大，且最大靜摩擦力的增長(zhǎng)率大于滑動(dòng)摩擦力的增長(zhǎng)率；在高壓16～32 MPa時(shí)，油膜厚度變化減小，摩擦力的增長(zhǎng)率顯著減小，其最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的增長(zhǎng)率幾乎相同。整體上高壓范圍內(nèi)摩擦力隨壓力的增長(zhǎng)率低于低壓時(shí)的增長(zhǎng)率。其線性擬合公式為

(4)

式中：Fsmax為最大靜摩擦力，N；Fh為滑動(dòng)摩擦力，N；p為介質(zhì)壓力，MPa。

2.3 摩擦力-速度曲線

橡膠與金屬的摩擦機(jī)制和特征不同于金屬之間的摩擦，通常由橡膠本身的黏彈特性所決定，其摩擦力F的計(jì)算也服從庫(kù)侖(Coulomb)定律：

F=μN(yùn)

(5)

式中：μ為摩擦因數(shù)，是一個(gè)與溫度和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的量；N為正壓力。

圖11示出了氟橡膠O形圈摩擦力與速度之間的關(guān)系，往復(fù)運(yùn)動(dòng)整體上為低速運(yùn)動(dòng)，控制在0.083～0.498 mm/s內(nèi)。其中圖(a)為0、4 MPa時(shí)摩擦力隨速度的變化規(guī)律，其符合文獻(xiàn)所述，在低油壓狀態(tài)時(shí)，摩擦力會(huì)隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度先增加，且增長(zhǎng)率會(huì)慢慢變小，然后滑動(dòng)摩擦力趨于一個(gè)穩(wěn)定值。然而，圖(b)示出了與之不同的變化趨勢(shì)，在高油壓狀態(tài)時(shí)，隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度的增加，滑動(dòng)摩擦力會(huì)逐漸減小，其減小的速率會(huì)逐漸變小，直至滑動(dòng)摩擦力趨于穩(wěn)定值。

圖11 摩擦力隨運(yùn)動(dòng)速度的變化

在低壓及小壓差的條件下，數(shù)字液力解碼器密封處油膜潤(rùn)滑不夠充分，膜厚也相對(duì)較小，在低速且速度緩慢增長(zhǎng)時(shí)，摩擦力會(huì)增加，增長(zhǎng)幅度及趨勢(shì)不明顯；在高壓大壓差的條件下，油膜能夠完全潤(rùn)滑，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，膜厚會(huì)逐漸變大，所以在高壓高速時(shí)，數(shù)字液力解碼器的密封部位容易導(dǎo)致泄漏，且摩擦力會(huì)相對(duì)減小，然后基本趨于穩(wěn)定。

2.4 摩擦力-初始?jí)嚎s率曲線

由于數(shù)字液力解碼器裝配公差及加工誤差的存在，密封結(jié)構(gòu)處設(shè)計(jì)的壓縮率往往并不是一個(gè)確定值，經(jīng)加工后測(cè)量計(jì)算，O形密封圈壓縮率分別為22.54%、23.25%、24.33%。如圖12所示，在同一介質(zhì)壓力下，隨著壓縮率的增大，滑動(dòng)摩擦力也增大。在安裝O形橡膠密封圈時(shí)，若初始?jí)嚎s率過(guò)小，則主密封面在抵抗液壓油瞬時(shí)沖擊時(shí)，容易造成數(shù)字液力解碼器密封泄漏；若初始?jí)嚎s率過(guò)大，主密封面處的接觸壓力會(huì)增大，摩擦力也隨之增大，同樣會(huì)造成解碼器系統(tǒng)需要更大的啟動(dòng)力及加速O形密封圈的過(guò)度磨損。在試驗(yàn)過(guò)程中，壓縮率為22.54%時(shí)，當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到32 MPa時(shí)，系統(tǒng)有輕微點(diǎn)滴狀泄漏；在壓縮率為23.25%時(shí)，未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的泄漏。因此通過(guò)試驗(yàn)確定壓縮率為23.25%時(shí)，壓縮率能夠滿足密封要求。

圖12 滑動(dòng)摩擦力與壓縮率的關(guān)系

3 結(jié)論

根據(jù)數(shù)字液力解碼器閥體本身的密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)垂直放置的O形橡膠圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)架，測(cè)試其密封性能和摩擦特性：

(1)試驗(yàn)證明在高壓工況下，數(shù)字液力解碼器需要較大的啟動(dòng)力，當(dāng)啟動(dòng)力未達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)，其動(dòng)作響應(yīng)會(huì)存在一定的延遲現(xiàn)象。同時(shí)較大的滯后摩擦力會(huì)使密封系統(tǒng)的隨動(dòng)性變差，黏滯特性對(duì)摩擦力的影響比較大。

(2)微型液缸內(nèi)部O形橡膠密封圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力隨介質(zhì)壓力增加均呈線性增加。在0～16 MPa 時(shí)，二者增長(zhǎng)率分別為5.44、3.61 N/MPa；在16～32 MPa時(shí)，二者增長(zhǎng)率分別為1.07、1.06 N/MPa，相對(duì)前一階段摩擦力隨壓力的變化較小。

(3)在低壓及小壓差時(shí)，由于密封處潤(rùn)滑不夠充分，摩擦力隨運(yùn)動(dòng)速度的增加而略微變大，然后趨于穩(wěn)定；在高壓及大壓差時(shí)，油膜完全潤(rùn)滑，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，油膜厚度增加，摩擦力減小然后趨于穩(wěn)定。所以在高壓高速的情況下，數(shù)字液力解碼器的密封處容易發(fā)生泄漏。

(4)初始?jí)嚎s率會(huì)影響數(shù)字液力解碼器的密封性能，初始?jí)嚎s率過(guò)小，主密封面在抵抗液壓油瞬時(shí)沖擊時(shí)容易發(fā)生泄漏；初始?jí)嚎s率過(guò)大，則會(huì)使橡膠密封圈過(guò)度磨損，影響其整體服役壽命。文中通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試初始?jí)嚎s率在23.25%時(shí)能夠滿足密封要求。