旋轉(zhuǎn)沖擊載荷下組合密封的敏感參數(shù)研究*

李渭亮 李林濤 程飛龍 石昌帥

(1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實驗室 新疆烏魯木齊 830011;3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500)

隨著石油鉆井深度不斷增加，受深部高研磨性地層、高硬度地層、高溫高轉(zhuǎn)速等因素的影響，常規(guī)螺桿鉆具面臨損壞嚴(yán)重、破巖效率低及鉆速慢等問題，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場鉆井提速需要，從而提出了可提高機(jī)械鉆速的沖擊螺桿鉆具[1]。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]。然而，隨著鉆探深度的增加，井底溫度不斷升高，在高溫、往復(fù)運(yùn)動耦合作用下沖擊螺桿鉆具傳動軸總成密封極易失效，限制了沖擊螺桿鉆具的推廣應(yīng)用[3]。因此研究高溫、高轉(zhuǎn)速和往復(fù)運(yùn)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。

BOWER[4]用實驗分析了外部載荷作用O形密封圈壓縮量的影響規(guī)律,得到壓縮量加大載荷速度變小。RODRIGUEZ和MARKOVITCH[5]分析各種影響參數(shù)對泄漏的影響規(guī)律。KIM[6]通過數(shù)值仿真方法分析了O形密封圈在V形槽中靜密封性能，得到其應(yīng)變、應(yīng)力情況。CUI等[7]通過Abaqus研究了二維軸對稱模型Y形密封圈靜密封，得到Mises應(yīng)力、應(yīng)變和接觸應(yīng)力規(guī)律，得出預(yù)壓縮狀態(tài)最大應(yīng)力位于上唇和下唇交界處，壓力增大，應(yīng)力增大，最大接觸壓力集中于Y形密封圈與往復(fù)桿和密封槽底部接觸區(qū)域。GU等[8]通過有限元方法研究了氣動滅火炮密封彈殼橡膠密封圈表面仿生凹坑靜密封性能，得到壓縮量2.5 mm時，橡膠密封圈的最大接觸壓力集中于密封圈兩側(cè)，仿生凹坑中間位置接觸壓力較小，密封邊緣等效應(yīng)力較大。BHAUMIK等[9]通過有限元方法研究U形密封圈靜密封性能，分析了速度和壓力對其密封性能的影響。NIKAS[10]使用數(shù)值仿真方法分析了二維軸對稱模型往復(fù)運(yùn)動密封圈潤滑和泄漏情況。MAZZA和BELFORTE[11]分析了二維軸對稱模型往復(fù)運(yùn)動密封圈摩擦力情況。AZZI等[12]分析了速度對往復(fù)運(yùn)動X形密封圈摩擦特性的影響。YOKOYAMA等[13]通過數(shù)值仿真方法研究了二維軸對稱模型O形密封圈靜密封特性。然而國內(nèi)外主要集中于普通螺桿鉆具研究，對沖擊螺桿及其密封研究較少。

本文作者對沖擊螺桿鉆具選擇不同的密封圈，基于主密封面接觸壓力，對影響組合圈密封特性的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，研究了摩擦因數(shù)、O形圈直徑、碳纖維含量和往復(fù)速度等參數(shù)對組合圈密封性能的影響規(guī)律。由于密封圈的系統(tǒng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和材料參數(shù)等數(shù)值較小，但與工具密封壓力的比值較大，因此稱為敏感性參數(shù)，通過該類參數(shù)的研究為沖擊螺桿鉆具密封圈的選型及使用提供指導(dǎo)和參考。

1 熱老化密封圈的本構(gòu)模型研究

為了獲得近似氫化丁腈密封圈在井下工作狀態(tài)的力學(xué)性能，并建立可靠的有限元模型，需要建立老化后的氫化丁腈試樣的本構(gòu)模型。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)和工作環(huán)境，設(shè)置25 ℃(室溫)、70 ℃、130 ℃3組老化溫度，對啞鈴狀的氫化丁腈橡膠試樣進(jìn)行老化處理。將老化后的試片以0.01 mm/s加載速度進(jìn)行單軸拉伸試驗，獲得橡膠試樣應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，試驗設(shè)備如圖2所示。

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[14]。

研究表明，Yeoh本構(gòu)模型能準(zhǔn)確描述氫化丁腈橡膠的力學(xué)行為，其公式如式(1)所示。

(1)

式中：λ為應(yīng)變(單位為1)；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 不同溫度下Yeoh本構(gòu)模型的參數(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)0.04，滑環(huán)及槽尺寸參考車氏密封TB4-IB120X5.7，軸與滑環(huán)作用形成的接觸面為主密封面，定義為CS1；O形密封圈與槽底面形成的接觸面為次密封面，定義為CS2，除橡膠以外參數(shù)見表2。

表2 密封結(jié)構(gòu)使用材料及力學(xué)參數(shù)

對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軸、槽彈性模量高于O形圈，對網(wǎng)格劃分要求不高，因此只研究O形圈的網(wǎng)格無關(guān)性，其有限元網(wǎng)格如圖3所示。

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)行仿真計算。網(wǎng)格尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)越多，計算時間越長。圖4(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)行后續(xù)計算，不僅加快了仿真效率，而且計算結(jié)果比較準(zhǔn)確。

根據(jù)KIM等[15-16]研究了O形密封圈的實驗結(jié)果，建立與其相同尺寸、壓縮率和邊界條件的三維有限元模型，并仿真計算得到不同壓力下的接觸壓力變化規(guī)律，如圖4所示。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果變化規(guī)律基本上相同，誤差小于8%，證明了文中所運(yùn)用的三維有限元模型仿真方法比較可靠。

3 靜密封和動密封特性研究

3.1 靜密封特性研究

靜態(tài)密封是動態(tài)密封的前提，靜態(tài)重點(diǎn)分析密封圈預(yù)壓縮和受流體壓力時的密封特性，而密封圈在使用過程會發(fā)生失效和泄漏，因此要分析影響密封性能的接觸壓力和失效的Mises應(yīng)力情況[17]。

組合圈預(yù)壓縮Mises應(yīng)力分布如圖5(a)所示，其O形圈高應(yīng)力位于中上部，呈左右對稱，而滑環(huán)高應(yīng)力位于中部和左、右下角，左下角略大于右下角是由于右側(cè)面槽擋住使右側(cè)滑環(huán)變形小于左側(cè)。組合圈預(yù)壓縮接觸壓力分布如圖5(b)所示，組合圈高接觸壓力區(qū)集中于滑環(huán)外圓面和內(nèi)圓左右下角。

組合圈靜密封Mises應(yīng)力分布如圖5(c)所示，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。靜密封接觸壓力如圖5(d)所示，高接觸壓力集中于滑環(huán)內(nèi)圓中部。

3.2 動密封特性研究

動態(tài)密封仿真研究分左行程和右行程分析，左行程、右行程以往復(fù)速度為0.3 m/s和轉(zhuǎn)速150 r/min進(jìn)行仿真計算。

圖6(a)和(b)所示分別為組合圈左行程與右行程Mises應(yīng)力分布，可見其高應(yīng)力集中于滑環(huán)中部和右側(cè)面。圖6(c)和(d)所示分別為組合圈左行程與右行程接觸壓力分布，可見左行程和右行程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)動方向相同；組合圈左行程和右行程接觸壓力分布相同，其高接觸壓力區(qū)位于滑環(huán)內(nèi)圓中部。

4 密封敏感參數(shù)研究

為了研究密封圈的系統(tǒng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和材料參數(shù)中與密封壓力比值較大的敏感參數(shù)對組合圈密封特性的影響，通過有限元方法模擬研究摩擦因數(shù)、O形圈直徑、碳纖維含量和往復(fù)速度等對Mises應(yīng)力、接觸壓力的分布和大小影響情況[18-19]。

4.1 摩擦因數(shù)的影響

摩擦因數(shù)是影響密封圈密封特性的主要參數(shù)，在有限元模擬中摩擦因數(shù)取值分別為0.01、0.02、0.03、0.04，其余參數(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、流體壓力10 MPa。

圖7所示為不同摩擦因數(shù)下CS1密封面接觸壓力模擬計算結(jié)果。由圖7(a)可知，左、右行程摩擦因數(shù)為0.01、0.02、0.03時，接觸壓力變化規(guī)律相近，摩擦因數(shù)為0.04時接觸壓力波動幅度較大；接觸壓力波動幅度基本隨著摩擦因數(shù)的增大而增大。由圖7(b)可得，左、右行程接觸壓力平均值隨著摩擦因數(shù)的增大而減小，說明摩擦因數(shù)增大密封性能減弱，但仍然大于流體壓力；接觸壓力與摩擦因數(shù)呈非線性關(guān)系變化。

圖8所示為不同摩擦因數(shù)下滑環(huán)Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖8(a)可知，左、右行程摩擦因數(shù)小于等于0.03時Mises應(yīng)力規(guī)律一致且波動程度較小，摩擦因數(shù)為0.04時Mises應(yīng)力呈現(xiàn)出大幅度波動；左行程應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的增加而增大，右行程應(yīng)力隨摩擦因數(shù)的增加而減小。由圖8(b)可知，左行程應(yīng)力平均值大于右行程，左行程應(yīng)力和摩擦因數(shù)呈正比例線性關(guān)系，右行程隨摩擦因數(shù)增大應(yīng)力線性減小。

圖9所示為不同摩擦因數(shù)下O形圈Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖9(a)可知，左、右行程在摩擦因數(shù)為0.01～0.03時的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，且基本保持穩(wěn)定；摩擦因數(shù)為0.04時應(yīng)力變化規(guī)律出現(xiàn)較大波動。由圖9(b)可知，左、右行程Mises應(yīng)力平均值隨摩擦因數(shù)的增大而增大，基本呈線性增長，在0.01～0.04摩擦因數(shù)范圍內(nèi)右行程應(yīng)力增長率較快，相同摩擦因數(shù)下右行程應(yīng)力高于左行程。

4.2 O形圈直徑的影響

O形圈在加工中可能出現(xiàn)直徑偏差，這也會對密封圈密封特性造成影響。在有限元模擬中O形圈直徑分別取5.5、5.6、5.7 mm，流體壓力取5 MPa，壓縮量取0.55 mm，其余參數(shù)與上節(jié)相同。

圖10所示是不同O形圈直徑下CS1密封面接觸壓力模擬計算結(jié)果。由圖10(a)可知，接觸壓力隨O形圈直徑增大而增大，不同O形圈直徑下接觸壓力變化規(guī)律基本相同，左行程接觸壓力平均值低于其右行程，總體動密封有效。由圖10(b)可知，接觸壓力平均值隨O形圈直徑變化規(guī)律均呈二次線性關(guān)系，而且密封圈直徑越大，接觸壓力變化率越大，整體上左行程接觸壓力低于右行程。

圖11所示為不同O形圈直徑下滑環(huán)Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖11(a)可知，左、右行程滑環(huán)應(yīng)力值隨O形圈直徑的增加而增大，Mises應(yīng)力幾乎無波動；左、右行程Mises應(yīng)力差值基本相等，左行程應(yīng)力略高于右行程。由圖11(b)可知，左、右行程Mises應(yīng)力平均值隨O形圈直徑增大而呈非線性增大，而應(yīng)力均值差值不隨密封圈直徑變化而變化；直徑為5.5～5.6 mm時應(yīng)力增長速度小于直徑為5.6～5.7 mm時，右行程應(yīng)力低于左行程。

圖12所示是不同O形圈直徑O形圈Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖12(a)可知，左、右行程O形圈直徑增大，O形圈應(yīng)力及應(yīng)力差值逐步增大，應(yīng)力幾乎無波動，左、右行程應(yīng)力差值基本相等，左行程應(yīng)力稍低于右行程。由圖12(b)可知，左、右行程Mises應(yīng)力平均值隨著密封圈直徑的增加而增大，呈現(xiàn)非線性增長，直徑為5.5～5.6 mm時應(yīng)力增長率小于直徑為5.6～5.7 mm時，右行程應(yīng)力略高于左行程。

4.3 PTFE中碳纖維含量的影響

基于王哲[20]的結(jié)論，向純聚四氟乙烯材料中添加不同含量碳纖維，得到其力學(xué)特性參數(shù)見表3。

將表3中參數(shù)導(dǎo)入有限元模型，取流體壓力為5 MPa，其余參數(shù)與上節(jié)相同，進(jìn)行有限元模擬分析。

表3 不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下聚四氟乙烯力學(xué)特性參數(shù)

圖13所示是不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下CS1密封面接觸壓力模擬計算結(jié)果。由圖13(a)可知，右行程接觸壓力呈大幅度波動變化，不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下接觸壓力變化規(guī)律相同；碳纖維含量增加接觸壓力及接觸壓力差值增大，最大接觸壓力大于流體壓力5 MPa，動密封有效。由圖13(b)可知，左、右行程接觸壓力平均值及差值隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增大，左行程接觸壓力一直大于右行程，同時右行程接觸壓力均高于流體壓力5 MPa，能實現(xiàn)密封。

圖14所示為不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下滑環(huán)Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖14(a)可知，左、右行程應(yīng)力呈波動變化，右行程波動幅度大于左行程；左、右行應(yīng)力變化規(guī)律并不一樣，但不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下應(yīng)力變化規(guī)律一樣，且隨碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加應(yīng)力值逐漸增加；不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下左行程應(yīng)力比右行程高。由圖14(b)可知，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，左、右行程Mises應(yīng)力平均值增大，然而應(yīng)力差值基本不隨碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變而變化，左、右行程應(yīng)力基本呈線性變化，左行程應(yīng)力大于右行程。

圖15所示為不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下O形圈Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖15(a)可知，左、右行程應(yīng)力呈波動規(guī)律變化，波動幅度不大；不同碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。由圖15(b)可知，隨碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，左、右行程Mises應(yīng)力平均值增大，而應(yīng)力差值隨碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小，右行程應(yīng)力高于左行程。

4.4 往復(fù)速度的影響

在有限元模擬中往復(fù)速度分別為0.1、0.2、0.3、0.4 m/s，其余參數(shù)和上一節(jié)相同。

圖16所示是不同往復(fù)速度下CS1密封面接觸壓力模擬計算結(jié)果。由圖16(a)可知，左、右行程接觸壓力呈波動狀態(tài)，不同往復(fù)速度下接觸壓力變化規(guī)律相同，最大接觸壓力均高于流體壓力8 MPa，動密封可靠。由圖16(b)可知，左行程接觸壓力平均值隨往復(fù)速度的增大基本呈現(xiàn)逐漸變小趨勢，而右行程接觸壓力則變大；右行程接觸壓力呈線性變化，左、右行程接觸壓力差值逐漸增大，右行程接觸壓力均高于左行程。

圖17所示為不同往復(fù)速度下滑環(huán)Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖17(a)可知，左、右行程應(yīng)力呈波動變化，不同往復(fù)速度下應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。由圖17(b)可知，隨著往復(fù)速度增大，左、右行程Mises應(yīng)力平均值變化規(guī)律相反，左行程增大而右行程減小；左、右行程應(yīng)力基本呈線性變化，應(yīng)力差值逐漸增大，左行程應(yīng)力高于右行程。

圖18所示為不同往復(fù)速度下O形圈Mises應(yīng)力模擬計算結(jié)果。由圖18(a)可知，左、右行程應(yīng)力是呈現(xiàn)波動變化，往復(fù)速度增大應(yīng)力基本呈增大趨勢。由圖18(b)可知，左、右行程Mises應(yīng)力平均值及差值隨著往復(fù)速度增加基本逐漸增大，呈非線性變化；左行程在0.2～0.3 m/s之間變化率最小，在0.3～0.4 m/s之間變化率最大，而右行程在0.2～0.3 m/s之間變化率最大，右行程應(yīng)力高于左行程。

5 結(jié)論

為了延長沖擊螺桿鉆具的使用壽命，研究高溫、高轉(zhuǎn)速和往復(fù)運(yùn)動耦合作用下傳動軸總成密封特性及參數(shù)敏感性，探討摩擦因數(shù)、O形圈直徑、碳纖維含量和往復(fù)速度等參數(shù)對組合圈密封性能的影響規(guī)律。得到結(jié)論如下：

(1)預(yù)壓縮狀態(tài)下，摩擦因數(shù)增大，CS1、CS2密封面接觸壓力及O形圈、滑環(huán)von Mises應(yīng)力增大；靜密封狀態(tài)下，摩擦因數(shù)增大，CS1及CS2接觸壓力減小，滑環(huán)von Mises應(yīng)力增大，對O形圈應(yīng)力影響較小；動密封狀態(tài)，左、右行程摩擦因數(shù)為0.01、0.02、0.03時，接觸壓力呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，波動幅度較小，摩擦因數(shù)為0.04時呈現(xiàn)異常變化規(guī)律且波動幅度較大，左、右行程接觸壓力均值隨著摩擦因數(shù)的增大而減小，說明密封性能減弱，摩擦因數(shù)增大左行程滑環(huán)von Mises應(yīng)力增大而右行程應(yīng)力減小，但左、右行程O形圈應(yīng)力都增大，因此綜上可得推薦摩擦因數(shù)小于0.04較為合理。

(2)預(yù)壓縮狀態(tài)，O形圈直徑增大CS1、CS2密封面接觸壓力及O形圈、滑環(huán)von Mises應(yīng)力增大；靜、動密封狀態(tài)CS1、CS2密封面接觸壓力及O形圈、滑環(huán)von Mises應(yīng)力隨O形圈直徑、彈性模量及碳纖維含量增大而增大。

(3)右行程CS1、CS2密封面接觸壓力平均值比左行程大，左行程接觸壓力均值隨往復(fù)速度的增大基本呈減小趨勢，而右行程則相反，左、右行程接觸壓力均值及應(yīng)力均值差值隨往復(fù)速度的增大而增大。