邓 娟 陈凯林 石昌帅
(1.中国航发成都发动机有限公司 四川成都 610500;2.西南石油大学机电工程学院 四川成都 610500)
石油钻井是石油勘探开发的重要环节,普通螺杆钻具大扭矩、高转速特性使其成为石油钻井普遍使用的井下工具。然而随着石油钻井深度增加,深井和超深井的数目逐渐增多,岩石硬度增加,机械钻速降低[1]。为解决上述问题,冲击螺杆钻具应运而生。冲击螺杆钻具在传递扭矩的同时,可以产生高频低幅轴向冲击,能够有效提高机械钻速,如图1所示[2]。对于冲击螺杆钻具,其冲击部件密封结构的可靠性对保障钻具工作性能尤其重要,因此研究高温、高转速和往复运动耦合作用下传动轴总成密封特性及参数敏感性具有重要工程价值[3]。
图1 冲击螺杆钻具传动轴总成密封结构
国内学者主要利用有限元分析软件来分析冲击螺杆钻具传动轴密封结构的密封特性[4]。钱文强等[5]使用Abaqus研究了二维轴对称模型下橡胶矩形密封圈静密封性能,得到挡圈、介质压力、密封间隙对其von Mises应力、接触压力的影响规律。韩传军等[6]使用Abaqus研究了二维轴对称模型下橡胶星形密封圈静密封性能和往复动密封性能,并对其横截面形状进行了优化。李丹[7]使用Ansys分析了二维轴对称模型下蕾形密封圈静密封和动密封性能,得到安装状态、静压状态、内行程及外行程的von Mises应力、接触应力、剪切应力分布,得到相应影响规律。白桂彩和申屠留芳[8]使用Abaqus研究了二维轴对称模型下双层套环式组合密封圈静密封性能,得到介质压力、压缩率对其von Mise应力、接触应力的影响规律。郭海丰等[9]使用Abaqus研究了二维轴对称模型下O形橡胶密封圈静密封性能,得到摩擦因数、流体压力、压缩率对其接触应力、von Mises应力的影响规律。莫丽和王军[10]使用Abaqus对比分析了二维轴对称模型下橡胶D形密封圈和O形密封圈静密封性能,得到工作压力、压缩率对D形密封圈和O形密封圈接触应力、剪切应力、von Mises应力的影响规律。然而以上研究主要集中于考虑转动或往复运动等单一工况,对冲击螺杆这种涉及高温、高转速和往复运动耦合作用下的密封性能研究较少。
本文作者对比了相同工况下星形圈、O形圈和组合圈密封特性,得到不同密封圈在静密封、动密封状态下接触压力分布和大小,根据主密封面接触压力判定方法得到最佳密封圈结构;根据该结构进行了沟槽参数敏感性分析,并讨论了沟槽形状、位置、数目和宽度等对组合圈密封特性影响规律。
文中以氢化丁腈橡胶O形密封圈为研究对象。不考虑橡胶材料蠕变、应力松弛,橡胶材料看作是一种各向同性、不可压缩的超弹性材料[11]。研究表明,Yeoh本构模型能准确描述氢化丁橡胶的力学行为,其公式如(1)所示。
(1)
式中:λ为应变;σ为应力,MPa;C10、C20和C30为Yeoh模型的参数,MPa。
将不同温度橡胶拉伸试验得到的应力-应变结果处理为Yeoh本构模型,各参数如表1所示。
表1 氢化丁腈Yeoh本构模型参数
组合圈仿真模型由槽、轴、滑环和O形圈组成,O形圈截面尺寸5.7 mm,摩擦因数为0.04,滑环及槽尺寸参考车氏密封TB4-IB120X5.7[12-14]。轴与滑环作用形成的接触面为主密封面,定义为CS1;O形密封圈与槽形成的接触面为次密封面,定义O形圈与槽底面形成的密封面为CS2。其有限元模型如图2所示。
图2 组合圈有限元模型
为分析网格尺寸大小对有限元模拟运算结果的影响,对O形圈划分网格尺寸分别为0.35、0.45、0.55、0.65、0.75进行仿真计算。网格尺寸越小,网格数越多,计算时间越长。图3(a)所示为不同网格无关性验证曲线。可以看出,网格尺寸为0.35和0.45,即网格数量为41 360和37 600时Mises差值较小。文中选择网格尺寸为0.45进行了后续计算,并与KIM等[15-16]的O形密封圈实验结果进行了比较,如图3(b)所示。有限元计算误差小于8%,表明选择网格尺寸为0.45计算精度满足要求。
图3 网格无关性验证
组合密封圈是由于O形圈等单个密封圈不能满足现代需求而出现的一种新型密封圈,相同沟槽尺寸组合圈密封性能和使用生命周期基本都优于单个密封圈。下文基于类似方法对比研究相同工况下组合圈、O形圈和星形圈3种密封圈的密封特性。
静态密封是动态密封的前提,因此要分析影响密封性能的接触压力和Mises应力情况。图4分别为星形圈、O形圈和组合圈静密封von Mises应力分布。可知,星形圈高应力位于密封圈右侧上、下角,高应力区密封圈容易失效,低应力位于密封圈中部,低应力区基本呈上下对称;O形圈高应力集中于右侧上下角,中部出现低应力区,基本呈上下对称;组合圈高应力位于滑环中部和右侧面,高应力区域容易发生失效。
图4 静密封von Mises应力分布
静密封接触压力分布如图5所示。静密封后星形圈和O形圈接触压力区域发生转移,密封圈有3处高接触压力区,高接触压力区位于密封圈外圆面、内圆面和右侧面,O形圈接触压力高于星形圈;组合圈高接触压力集中于滑环内圆中部,组合圈接触压力高于其余2种密封圈是由于密封材料原因,其普遍使用的密封材料为聚四氟乙烯。
图5 静密封接触压力分布
图6所示为不同压力下静密封接触压力变化曲线。在静密封状态下O形圈和星形圈接触压力与介质压力呈正比例函数关系,呈线性变化规律,且两者差值较小;组合圈接触压力随介质压力的增大呈现增大变化趋势,0~4 MPa时接触压力增长速度较慢,4 MPa后接触压力增长速度快于其余2种密封圈。组合圈接触压力大于其余2种密封圈,压力增大接触压力差值先减小后增大,4 MPa前呈非线性变化而4 MPa后呈线性关系增长。无论多大介质压力组合圈接触压力均比其余2种密封圈高,证明组合圈密封效果远远优于O形圈及星形圈。
图6 不同压力下静密封接触压力变化
星形圈、O形圈和组合圈动态密封仿真研究可以分为左行程和右行程分析。动密封仿真运算与静态密封一样,左行程、右行程以往复速度为0.3 m/s和转速为150 r/min进行仿真运算。
图7和图8所示为星形圈、O形圈和组合圈左行程与右行程接触压力分布。可以看出,左行程和右行程星形圈与O形圈存在3处高接触压力区,高接触压力区位于密封圈外圆面、内圆面及右侧面,右行程接触压力高于左行程可能是由于流体压力方向与运动方向相同;组合圈左行程和右行程接触压力分布相同,有1处高接触压力区,位于滑环内圆中部,组合圈接触压力远大于其余2种密封圈,说明其密封性能优于O形圈和星形圈。
图7 左行程接触压力分布
图8 右行程接触压力分布
图9所示为不同压力下左、右行程接触压力变化曲线。左行程O形圈及星形圈接触压力极大值、极小值及平均值随压力的升高而增大,呈线性关系,两者极大值、极小值及平均值基本相等;组合圈极大值、极小值和平均值随压力整体呈增大趋势,呈非线性关系,组合圈极大值、极小值和平均值均大于其余2种密封圈。由此可说明左、右行程组合圈密封效果优于O形圈和星形圈。
图9 不同压力下接触压力变化
综上所述,无论静密封还是动密封,组合圈接触压力远大于O形圈和星形圈,说明组合圈密封性能优于O形圈及星形圈。
在密封圈上制作沟槽,可以使钻井液中的杂质存储于沟槽和形成油膜,并且在不影响密封使用寿命情况下沟槽还有助于提高密封性能。下文将讨论沟槽相关参数对密封圈密封特性及使用寿命的影响,为设计沟槽和使用有沟槽形状密封圈提供帮助与指导。
文中分别对矩形、等腰梯形、等腰三角形、半圆形等滑环槽形进行有限元模拟。模拟参数为:往复速度0.3 m/s、转速150 r/min、压缩量0.45 mm、滑环厚度0.5 mm、介质压力7 MPa、弹性模量960 MPa、泊松比0.45、上沟槽宽度0.3 mm、下沟槽宽度0.6 mm、沟槽深度0.3 mm。
图10所示为不同沟槽形状静密封应力分布。可以看出,沟槽形状不相同则CS1密封面接触压力不同,沟槽形状为等腰三角形时CS1密封面接触压力最大,半圆形次之;CS1密封面接触压力大于流体压力7 MPa,密封有效,且CS1高接触压力存在于内圆沟槽边缘附近。
图10 不同沟槽形状CS1密封面静密封接触压力分布
图11所示为不同沟槽形状CS1密封面的接触压力。从图11(a)可看出,左、右行程接触压力出现波动规律,沟槽形状不同接触压力规律不同,左、右行程接触压力规律也不同,左行程接触压力平均值整体比右行程高;沟槽形状为等腰三角形时左行程接触压力均值最大,半圆形次之;沟槽形状为半圆形时右行程接触压力均值最大,等腰三角形次之;然而无论哪种形状沟槽其接触压力都大于流体压力7 MPa,动密封有效。从图11(b)可看出,左、右行程同形状沟槽产生接触压力均值差别不大,左行程基本上大于右行程;沟槽形状为等腰三角形时左行程接触压力最大,半圆形其次;而沟槽形状为半圆形时右行程接触压力最大,等腰三角形次之。
图11 不同沟槽形状CS1密封面的接触压力
图12所示为不同沟槽形状CS2密封面的接触压力。从图12(a)可以看出,左、右行程CS2密封面接触压力出现波动变化规律,不同沟槽形状的接触压力规律不同,左、右行程规律也不同;半圆形沟槽的接触压力波动幅度最大,等腰三角形波动幅度基本最小,波动幅度越大,越容易产生泄漏;沟槽形状为等腰三角形时左行程接触压力平均值最大,半圆形次之;沟槽形状为半圆形时右行程接触压力均值最大,等腰三角形次之,但两者接触压力差值较小,左行程接触压力值低于右行程。所有沟槽形状的接触压力值都大于流体压力7 MPa,密封有效。从图12(b)可以看出,不同沟槽形状左、右行程接触压力平均值不同,同形状沟槽左、右行程接触压力差值较大;沟槽形状为等腰三角形时左行程接触压力最大,半圆形次之,而右行程则是半圆形接触压力最大,等腰三角形次之,右行程接触压力远高于左行程。综上所述,沟槽形状为等腰三角形时密封性能最佳。
图12 不同沟槽形状CS2密封面的接触压力
选择沟槽形状为等腰三角形,沟槽数分别取1、3、5、7,取流体压力为8 MPa、沟槽宽度为0.15 mm、沟槽深度为0.1 mm、沟槽间隔宽度为0.4 mm,其余参数与前文相同,对组合圈进行有限元模拟。
图13所示为不同沟槽数时的静密封应力变化。可知,CS1密封面接触压力与沟槽数目呈正比例函数关系增长,CS2密封面变化较小,CS1密封面接触压力变化率大于CS2。滑环von Mises应力随沟槽数目增加而增大,滑环槽数为0~3时von Mises应力增长率快于滑环槽数为3~5。沟槽数目增加接触压力会增大,说明选择合适沟槽数目来提高密封性能是可行的,其中沟槽数为3较为合理。CS1接触压力远高于CS2,滑环应力远大于O形圈是密封材料导致的。
图13 不同沟槽数时的静密封应力
选择沟槽形状为等腰三角形,沟槽数为1,沟槽位置位于右侧位、中间位及左侧位,其余参数与前文相同,对组合圈进行有限元模拟。图14所示为不同沟槽位置时静密封应力图。可知,沟槽位置不同接触压力也不同,沟槽位于中间时CS1密封面接触压力最大,位于左侧时最小;沟槽位于右侧时CS2密封面接触压力最大,其余2个位置接触压力相等,CS1密封面接触压力主要集中于滑环内圆中间,CS2密封面接触压力集中于外圆面及右侧面。
图14 不同沟槽位置时CS1密封面静密封接触压力
图15所示为不同沟槽位置CS1密封面的接触压力。从图15(a)可看出,左、右行程接触压力出现波动变化,波动幅度较大;左、右行程接触压力变化规律不同,同沟槽位置右行程接触压力平均值与左行程基本不相等;左侧位、右侧位接触压力变化规律相同;所有沟槽位置接触压力均比流体压力8 MPa大,密封可靠。从图15(b)可知,沟槽位置不同接触压力平均值不同,沟槽位置相同左、右行程接触压力不同,沟槽位于中间时接触压力最大,位于右侧时次之,位于左侧时接触压力最小,但也大于流体压力。
图15 不同沟槽位置CS1密封面的接触压力
图16所示为不同沟槽位置时CS2密封面的接触压力。从图16(a)可知,左、右行程接触压力呈现波动变化,波动幅度较大;左、右行程接触压力变化规律不同,左行程接触压力比右行程小;沟槽位于右侧时接触压力最大,位于左侧时次之;沟槽位置相同右行程与左行程接触压力差距较大;无论沟槽处于什么位置,最大接触压力均大于流体压力8 MPa,密封有效。从图16(b)可知,不同沟槽位置接触压力平均值不相同,同沟槽位置左、右行程接触压力差距较大,沟槽位于右侧时接触压力最大,位于左侧时次之;左行程接触压力比右行程低,沟槽位于中间时接触压力仍大于流体压力。
图16 不同沟槽位置时CS2密封面的接触压力
选择沟槽形状为等腰三角形,沟槽宽度分别取0.13、0.15、0.18和0.2 mm,其余参数与前文相同,对组合圈进行有限元模拟。图17所示为不同沟槽宽度时的静密封应力。可知,沟槽宽度增加CS1密封面接触压力略微增大,而CS2密封面基本不变,CS1密封面接触压力大于CS2;CS2密封面接触压力高于流体压力8 MPa,可实现密封。滑环von Mises应力随沟槽宽度增加而增大,而O形圈应力几乎不变,滑环应力远大于O形圈。
图17 不同沟槽宽度时的静密封应力
图18所示为不同沟槽宽度时CS1密封面的接触压力。从图18(a)可看出,左、右行程接触压力呈现波动变化,波动幅度较大;左、右行程接触压力变化规律不同,沟槽宽度不同,接触压力变化规律不同,沟槽宽度与接触压力平均值呈正比例关系;最大接触压力高于流体压力8 MPa,动密封可靠。从图18(b)可知,沟槽宽度增大,左、右行程接触压力平均值增加,呈非线性变化规律;接触压力变化率逐渐增大,接触压力差值呈现先增大后减小再增大趋势,右行程接触压力高于左行程。综上所述,CS1密封面接触压力随沟槽宽度增大而增大,而静密封状态CS2密封面接触压力及O形圈应力几乎不变。
图18 不同沟槽宽度CS1密封面的接触压力
(1)高温、高转速和往复运动耦合作用下,组合圈接触压力大于O形圈及星形圈,其密封效果远远优于O形圈及星形圈。
(2)沟槽形状为等腰三角形时密封性能最佳。静密封状态下,沟槽形状为等腰三角形时CS1和CS2密封面接触压力最大,半圆形次之;动密封状态下,沟槽形状为等腰三角形时CS1、CS2密封面左行程接触压力最大,半圆形次之,半圆形时右行程接触压力最大,等腰三角形次之。
(3)静、动密封状态下,CS1密封面接触压力随沟槽数增多而增大,沟槽数目大于3时接触压力增长率较小,选择沟槽数为3较为合理。
(4)静密封状态下,沟槽位置位于中间时CS1密封面接触压力最大,位于右侧时次之,位于右侧时CS2密封面接触压力最大,其余两位置相等;动密封状态下,沟槽位于中间时CS1密封面接触压力最大,位于右侧时次之,而位于右侧时CS2密封面接触压力最大,位于左侧时次之。因此,沟槽位置于中间最合理。
(5)静、动密封状态下,CS1密封面接触压力随沟槽宽度增大而增大,而静密封状态下CS2密封面接触压力及O形圈应力几乎不变。