旋沖載荷下傳動軸組合密封溝槽敏感參數研究*

鄧 娟 陳凱林 石昌帥

(1.中國航發成都發動機有限公司 四川成都 610500；2.西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500)

石油鉆井是石油勘探開發的重要環節，普通螺桿鉆具大扭矩、高轉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，深井和超深井的數目逐漸增多，巖石硬度增加，機械鉆速降低[1]。為解決上述問題，沖擊螺桿鉆具應運而生。沖擊螺桿鉆具在傳遞扭矩的同時，可以產生高頻低幅軸向沖擊，能夠有效提高機械鉆速，如圖1所示[2]。對于沖擊螺桿鉆具，其沖擊部件密封結構的可靠性對保障鉆具工作性能尤其重要，因此研究高溫、高轉速和往復運動耦合作用下傳動軸總成密封特性及參數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構

國內學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構的密封特性[4]。錢文強等[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、介質壓力、密封間隙對其von Mises應力、接觸壓力的影響規律。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動密封性能，并對其橫截面形狀進行了優化。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、靜壓狀態、內行程及外行程的von Mises應力、接觸應力、剪切應力分布，得到相應影響規律。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式組合密封圈靜密封性能，得到介質壓力、壓縮率對其von Mise應力、接觸應力的影響規律。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、流體壓力、壓縮率對其接觸應力、von Mises應力的影響規律。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形密封圈接觸應力、剪切應力、von Mises應力的影響規律。然而以上研究主要集中于考慮轉動或往復運動等單一工況，對沖擊螺桿這種涉及高溫、高轉速和往復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、動密封狀態下接觸壓力分布和大小，根據主密封面接觸壓力判定方法得到最佳密封圈結構；根據該結構進行了溝槽參數敏感性分析，并討論了溝槽形狀、位置、數目和寬度等對組合圈密封特性影響規律。

1 熱老化密封圈的本構模型研究

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本構模型能準確描述氫化丁橡膠的力學行為，其公式如(1)所示。

(1)

式中：λ為應變；σ為應力，MPa；C10、C20和C30為Yeoh模型的參數，MPa。

將不同溫度橡膠拉伸試驗得到的應力-應變結果處理為Yeoh本構模型，各參數如表1所示。

表1 氫化丁腈Yeoh本構模型參數

2 有限元模型

組合圈仿真模型由槽、軸、滑環和O形圈組成，O形圈截面尺寸5.7 mm，摩擦因數為0.04，滑環及槽尺寸參考車氏密封TB4-IB120X5.7[12-14]。軸與滑環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

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

圖3 網格無關性驗證

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代需求而出現的一種新型密封圈，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

靜態密封是動態密封的前提，因此要分析影響密封性能的接觸壓力和Mises應力情況。圖4分別為星形圈、O形圈和組合圈靜密封von Mises應力分布。可知，星形圈高應力位于密封圈右側上、下角，高應力區密封圈容易失效，低應力位于密封圈中部，低應力區基本呈上下對稱；O形圈高應力集中于右側上下角，中部出現低應力區，基本呈上下對稱；組合圈高應力位于滑環中部和右側面，高應力區域容易發生失效。

圖4 靜密封von Mises應力分布

靜密封接觸壓力分布如圖5所示。靜密封后星形圈和O形圈接觸壓力區域發生轉移，密封圈有3處高接觸壓力區，高接觸壓力區位于密封圈外圓面、內圓面和右側面，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內圓中部，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。在靜密封狀態下O形圈和星形圈接觸壓力與介質壓力呈正比例函數關系，呈線性變化規律，且兩者差值較小；組合圈接觸壓力隨介質壓力的增大呈現增大變化趨勢，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后呈線性關系增長。無論多大介質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遠優于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密封一樣，左行程、右行程以往復速度為0.3 m/s和轉速為150 r/min進行仿真運算。

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。可以看出，左行程和右行程星形圈與O形圈存在3處高接觸壓力區，高接觸壓力區位于密封圈外圓面、內圓面及右側面，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，位于滑環內圓中部，組合圈接觸壓力遠大于其余2種密封圈，說明其密封性能優于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，組合圈接觸壓力遠大于O形圈和星形圈，說明組合圈密封性能優于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參數對密封圈密封特性及使用壽命的影響，為設計溝槽和使用有溝槽形狀密封圈提供幫助與指導。

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、半圓形等滑環槽形進行有限元模擬。模擬參數為：往復速度0.3 m/s、轉速150 r/min、壓縮量0.45 mm、滑環厚度0.5 mm、介質壓力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波動規律，溝槽形狀不同接觸壓力規律不同，左、右行程接觸壓力規律也不同，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波動變化規律，不同溝槽形狀的接觸壓力規律不同，左、右行程規律也不同；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，其余參數與前文相同，對組合圈進行有限元模擬。

圖13所示為不同溝槽數時的靜密封應力變化。可知，CS1密封面接觸壓力與溝槽數目呈正比例函數關系增長，CS2密封面變化較小，CS1密封面接觸壓力變化率大于CS2。滑環von Mises應力隨溝槽數目增加而增大，滑環槽數為0～3時von Mises應力增長率快于滑環槽數為3～5。溝槽數目增加接觸壓力會增大，說明選擇合適溝槽數目來提高密封性能是可行的，其中溝槽數為3較為合理。CS1接觸壓力遠高于CS2，滑環應力遠大于O形圈是密封材料導致的。

圖13 不同溝槽數時的靜密封應力

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，溝槽數為1，溝槽位置位于右側位、中間位及左側位，其余參數與前文相同，對組合圈進行有限元模擬。圖14所示為不同溝槽位置時靜密封應力圖。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，位于左側時最小；溝槽位于右側時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內圓中間，CS2密封面接觸壓力集中于外圓面及右側面。

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波動變化，波動幅度較大；左、右行程接觸壓力變化規律不同，同溝槽位置右行程接觸壓力平均值與左行程基本不相等；左側位、右側位接觸壓力變化規律相同；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，位于右側時次之，位于左側時接觸壓力最小，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波動變化，波動幅度較大；左、右行程接觸壓力變化規律不同，左行程接觸壓力比右行程小；溝槽位于右側時接觸壓力最大，位于左側時次之；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，溝槽位于右側時接觸壓力最大，位于左側時次之；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，其余參數與前文相同，對組合圈進行有限元模擬。圖17所示為不同溝槽寬度時的靜密封應力。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，可實現密封。滑環von Mises應力隨溝槽寬度增加而增大，而O形圈應力幾乎不變，滑環應力遠大于O形圈。

圖17 不同溝槽寬度時的靜密封應力

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波動變化，波動幅度較大；左、右行程接觸壓力變化規律不同，溝槽寬度不同，接觸壓力變化規律不同，溝槽寬度與接觸壓力平均值呈正比例關系；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，呈非線性變化規律；接觸壓力變化率逐漸增大，接觸壓力差值呈現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CS2密封面接觸壓力及O形圈應力幾乎不變。

圖18 不同溝槽寬度CS1密封面的接觸壓力

5 結論

(1)高溫、高轉速和往復運動耦合作用下，組合圈接觸壓力大于O形圈及星形圈，其密封效果遠遠優于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、動密封狀態下，CS1密封面接觸壓力隨溝槽數增多而增大，溝槽數目大于3時接觸壓力增長率較小，選擇溝槽數為3較為合理。

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

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