牙輪鉆頭單金屬密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

(西南石油大學機電工程學院 四川成都 611500)

牙輪鉆頭單金屬密封結(jié)構(gòu)于1991年由中國石油大學羅緯和國洪領[1]提出，因其具有耐高溫、耐磨損的特點而被廣泛應用。1998年美國貝克休斯公司研發(fā)出SEMS結(jié)構(gòu)[2]，2003年該公司在SEM的基礎上，開發(fā)出新一代的SEMS2結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示。

圖1 單金屬密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Sketch map of single metal seal structure

國內(nèi)外學者對單金屬密封結(jié)構(gòu)進行了許多研究，張寶生和陳家慶[4]介紹了單金屬浮動密封的應用特點、潤滑模型、計算機輔助工程(CAE)在理論研究中的應用、表面強化技術(shù)在單金屬浮動密封中的應用等；孫健等人[5]模擬裝配SEMS結(jié)構(gòu)并分析了其在不同環(huán)境下的應力變化特征；張曉東等[6]分析了SEMS2結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下密封面的應力特征；BURR[7]提出了彈簧補償功能的密封結(jié)構(gòu)；KOLTERMANN[8]開發(fā)出磁力密封結(jié)構(gòu)。

單金屬密封結(jié)構(gòu)動密封面的接觸應力不僅影響靜環(huán)和動環(huán)接觸面的磨損情況，同樣也影響密封面間潤滑油膜的形成。接觸應力過大會造成動密封面磨損加速，接觸應力較小會使?jié)櫥孤┎⑹广@井液侵入軸承腔。密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化會對動密封面接觸應力的大小產(chǎn)生影響[9]，而國內(nèi)外文獻缺少單金屬密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對動密封面接觸應力的影響規(guī)律的研究。因此，針對單金屬密封結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，本文作者研究不同的靜環(huán)斜面傾角、靜環(huán)楔入角和動密封面長度對動密封面接觸應力的影響。

1 單金屬密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

單金屬密封結(jié)構(gòu)的動密封面是由靜環(huán)和動環(huán)組成，其中動環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)由鉆頭的大小決定，因此研究單金屬密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對接觸應力的影響，即為研究靜環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。靜環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中，α為靜環(huán)斜面傾角，β為靜環(huán)楔入角，L為動密封面長度。而針對φ215.9 mm的牙輪鉆頭、內(nèi)徑為50 mm的單金屬密封結(jié)構(gòu)，靜環(huán)斜面的傾角取值范圍為α=13°～21°[10]；靜環(huán)楔入角取值范圍為β=1°～9°[10]；動密封面的長度取值范圍是2.5 mm≤L≤4.5 mm[12]。

圖2 金屬靜環(huán)示意圖Fig 2 Sketch map of metal static ring

2 有限元模型的建立

單金屬密封結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此用CAD建立二維模型，并導入ABAQUS建立有限元分析模型，如圖3所示。

圖3 有限元分析模型Fig 3 Finite element analysis model

在選擇材料時，橡膠支撐環(huán)及O形密封圈均采用丁腈橡膠，選取Mooney-Rivilin函數(shù)模型描述橡膠材料在變形時的特性。金屬材料選擇9CrW18Mn，其彈性模量為203 GPa，泊松比0.3[13]。邊界條件設置為對牙輪軸頸的Y方向約束，載荷步主要分為5步，如表1所示。

表1 有限元分析載荷步Table 1 Finite element analysis load step

其中，第一步是使結(jié)構(gòu)之間建立接觸，位移較小；第二步為使金屬靜環(huán)與橡膠支撐環(huán)接觸；接下來的載荷步開始壓縮橡膠支撐環(huán)，最終裝配完成后軸向位移是2.0 mm。為了便于比較，后面的分析均采用同樣的模型、材料、分析步和軸向位移。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸應力的影響分析

3.1 原始結(jié)構(gòu)接觸應力分析

研究的原始結(jié)構(gòu)單金屬密封結(jié)構(gòu)如表1所示。有限元分析得到的其動密封面的接觸應力云圖如圖4所示。可知：接觸應力最大值在動密封面的外側(cè)，其值為26.88 MPa，平均接觸應力為8.08 MPa。

圖4 動密封面接觸應力云圖Fig 4 Contact stress image of dynamic sealing surface

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對接觸應力的影響

為了研究靜環(huán)斜面傾角α、靜環(huán)楔入角β和動密封面長度L變化對動密封面接觸應力的影響，將參數(shù)分為5個水平進行有限元分析，即：α為13°、15°、17°、19°、21°；β為1°、3°、5°、7°、9°；L為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 mm。

3.2.1 靜環(huán)傾角的影響

在保持靜環(huán)楔入角β以及接觸長度L不變的情況下，改變金屬靜環(huán)傾角α的大小，得到動密封面沿接觸路徑的接觸應力分布曲線，如圖5所示。

圖5 不同金屬靜環(huán)傾角對動密封面接觸應力的影響Fig 5 Influence of different tilted angle of the roller shaft neck on contact stress of dynamic sealing surface

由金屬靜環(huán)傾角變化的曲線可知：5種靜環(huán)傾角下都呈現(xiàn)出動密封面外側(cè)接觸應力較大、內(nèi)側(cè)接觸應力較小、中間接觸應力變化較為平穩(wěn)的趨勢，并且都在距離外側(cè)0.5 mm處達到最大值。在靜環(huán)傾角從13°到21°的變化過程中，最大接觸應力逐漸增加，并且在0.5～3.3 mm的接觸長度上波動程度增加。

3.2.2 接觸長度的影響

在設定金屬靜環(huán)傾角α、靜環(huán)楔入角β不變的情況下，改變動密封面接觸長度進行了分析。圖6所示為不同動密封面接觸長度下接觸應力變化曲線。

當接觸線長度為2.5 mm時兩端接觸應力較高，中間較低；其余4種動密封面長度均是動密封面外側(cè)接觸應力達到較高，內(nèi)側(cè)較低并且中間分布較為均勻，在長度為3.0～4.5 mm時最大接觸應力呈上升趨勢，但變化不明顯。

3.2.3 靜環(huán)楔入角的影響

在設定金屬靜環(huán)傾角α以及接觸長度L不變的情況下，改變靜環(huán)楔入角β進行了分析。計算發(fā)現(xiàn)靜環(huán)楔入角β的變化對動密封面接觸應力的影響并不大，其中，楔入角為1°和9°時金屬靜環(huán)的接觸應力云圖如圖7所示，其接觸應力變化僅變化0.27 MPa，接觸應力的最大值仍然在動密封面的外側(cè)。

圖7 楔入角為1°和9°時金屬靜環(huán)的接觸應力云圖Fig 7 Metal static ring contract stress images when the wedge angle is 1°and 9°

4 單金屬密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

上述研究表明，單金屬密封結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的變化是影響動密封面接觸應力的關鍵，合理的尺寸優(yōu)化能夠增大接觸應力，提升密封的可靠性。為研究單金屬密封結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合，采用DOE實驗，分析不同參數(shù)對動密封面接觸應力影響的主次水平。

4.1 正交試驗設計及結(jié)果

表2所示為正交試驗的因素和水平表，即3因素5水平的正交試驗。

表2 因素和水平表Table 2 Factor and level

正交試驗需要25次試驗，利用ABAQUS分析得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下動密封面的最大接觸壓力，如表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著性分析

利用極差分析法，研究不同密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對動密封面接觸應力的影響。根據(jù)正交試驗結(jié)果，得到了各水平接觸應力的最大值、極差、3個因素的主次順序以及最佳參數(shù)組合，如表4所示。

表4 極差分析表Table 4 Range analysis

由極差分析結(jié)果可知：影響動密封面間接觸應力的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為靜環(huán)斜面角度α、接觸長度L、靜環(huán)楔入角β。即靜環(huán)斜面傾角對接觸應力影響較大，而靜環(huán)楔入角和接觸長度相對較小。該結(jié)果驗證了前面的規(guī)律性分析結(jié)果。

分析得到的最佳參數(shù)組合為α=21°，β=1°，L=4.5 mm，即為正交分析表中第21組試驗。與優(yōu)化前比較，優(yōu)化后的最大接觸應力由26.88 MPa上升至43.74 MPa，增幅為62.72%；平均接觸應力由8.05 MPa上升至9.42 MPa，增幅為17.02%。

5 結(jié)論

(1)靜環(huán)斜面傾角從13°到21°的變化過程中，最大接觸應力逐漸增加，且都出現(xiàn)在動密封面的外側(cè)0.5 mm處，動密封面中間的接觸應力分布較為均勻；動密封面接觸長度從2.5 mm到4.5 mm的變化過程中，接觸應力逐漸增大，但是增幅并不明顯；靜環(huán)楔入角從1°增至9°時，接觸應力呈減小趨勢，但變化幅度并不大，其最大值仍然分布在動密封面的外側(cè)。研究表明：靜環(huán)斜面傾角對接觸應力影響較大，而靜環(huán)楔入角和接觸長度相對較小。

(2)通過正交優(yōu)化分析，得到了影響動密封面間接觸應力的結(jié)構(gòu)參數(shù)主次順序依次為靜環(huán)斜面角度α、接觸長度L、靜環(huán)楔入角β，且最佳參數(shù)組合為α=21°，β=1°，L=4.5 mm。

(3)與原始結(jié)構(gòu)比較，優(yōu)化后最大接觸應力為43.74 MPa，增加62.72%，平均接觸應力為9.42 MPa，增加17.02%。