沈桓宇

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 南充637000）

1 新型密封圈結(jié)構(gòu)

隨著石油鉆井越來越深，石油鉆井設(shè)備中密封圈在鉆井過程高溫高壓的環(huán)境影響下，存在著密封性差、接觸應(yīng)力低、密封圈容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)等問題，導(dǎo)致密封性能不能完全滿足鉆井設(shè)備的工作需要[1-2]。為此，通過對(duì)密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種帶有支撐結(jié)構(gòu)的新型密封圈，有效提高了密封圈密封性能。

新型密封圈結(jié)構(gòu)如圖1所示，外徑59 mm、內(nèi)徑45 mm、底寬3 mm、兩斜面斜度1∶2.5、兩斜面唇厚1.15 mm、兩斜面唇高5 mm、中間厚度2.4 mm、中間部分高度6 mm。該密封圈中間部分有支撐作用，當(dāng)密封圈受到徑向較大壓縮或主軸偏斜時(shí)能夠頂住兩唇，增大其穩(wěn)定性，能有效防止密封圈發(fā)生翻轉(zhuǎn)。新型密封圈的有效密封壓力等于預(yù)壓力和流體壓力的總和，同時(shí)，可以有效地將流體壓力施加到唇部從而提高接觸應(yīng)力。

圖1 新型密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

2 新型密封圈有限元分析

新型密封圈進(jìn)行初始裝配，并施加壓縮2 mm的位移載荷，使其產(chǎn)生預(yù)壓力，得到新型密封圈與殼體、軸接觸面的接觸應(yīng)力云圖，如圖2所示。

圖2 接觸應(yīng)力云圖

根據(jù)密封圈密封的工作原理，在位移載荷作用下，密封圈產(chǎn)生徑向壓縮，旁邊軸和外殼之間的部分環(huán)形空間因此被填滿，密封圈與外殼之間產(chǎn)生的接觸應(yīng)力起到密封作用[3-4]。由圖2可知，新型密封圈與外殼、軸之間的接觸應(yīng)力分布呈現(xiàn)“U”形分布，最大接觸應(yīng)力位于密封圈兩側(cè)。

影響新型密封圈密封性能的因素有很多，包括壓縮位移、壓差和橡膠硬度等，研究不同因素對(duì)新型密封圈密封性能的影響規(guī)律具有重要意義。采用控制變量的方法，在保證其他參數(shù)相同的條件下，研究不同因素對(duì)新型密封圈與接觸面間接觸應(yīng)力大小的影響[5-8]。

3 壓縮位移對(duì)新型密封圈的影響

在內(nèi)外壓差為0.5 MPa、橡膠硬度為85 HA的情況下，對(duì)其施加壓縮位移分別為1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.7 mm、2.0 mm、2.3 mm。不同壓縮位移下新型密封圈與接觸面間的最大接觸應(yīng)力曲線，如圖3所示，由圖3可知，當(dāng)壓縮位移量在1.6 mm~1.8 mm之間時(shí)，接觸應(yīng)力最大值相對(duì)較小，影響新型密封圈密封性能。不同壓縮位移下密封圈與外殼接觸面的接觸應(yīng)力沿接觸路徑分布曲線呈凸形，如圖4所示，表現(xiàn)為接觸應(yīng)力逐漸增大到最大值后又逐漸下降。

圖3 不同壓縮位移下密封面最大接觸應(yīng)力曲線

圖4 不同壓縮位移下接觸面接觸應(yīng)力分布曲線

4 壓差對(duì)新型密封圈的影響

在壓縮位移為2 mm、橡膠硬度為85 HA的情況下，對(duì)新型密封圈施加大小分別為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa的壓差。經(jīng)仿真分析得到，不同壓差下新型密封圈與接觸面間的最大接觸應(yīng)力曲線，如圖5所示；不同壓差下密封圈與外殼接觸面的接觸應(yīng)力沿接觸路徑分布曲線，如圖6所示。

圖5 不同壓差下密封面最大接觸應(yīng)力曲線

圖6 不同內(nèi)外壓差下沿路徑接觸應(yīng)力分布曲線

由圖5、圖6可知，密封圈內(nèi)外的壓差由0.2 MPa逐漸增加的時(shí)候，密封接觸面的最大接觸應(yīng)力呈線性增加；密封圈兩端，接觸面的接觸應(yīng)力較小，接觸面的接觸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在密封圈中下部。在密封的情況下，與密封介質(zhì)的每個(gè)接觸點(diǎn)處的壓力都等于介質(zhì)的壓力，當(dāng)壓差增加后，唇環(huán)底部軸向壓縮，在槽邊的阻擋下，唇環(huán)底部沿周向方向被壓縮，故使得密封圈與殼體接觸表面擴(kuò)大，接觸應(yīng)力增加。

5 硬度對(duì)新型密封圈的影響

在密封圈壓差為0.5 MPa、壓縮位移為2 mm的情況下，取密封圈橡膠硬度分別為70 HA、75 HA、80 HA、85 HA。經(jīng)仿真分析得到，不同橡膠硬度下新型密封圈與接觸面間的最大接觸應(yīng)力曲線，如圖7所示；不同橡膠硬度下密封圈與外殼接觸面的接觸應(yīng)力沿接觸路徑分布曲線，如圖8所示。

圖7 不同橡膠硬度下密封面最大接觸應(yīng)力曲線

圖8 不同橡膠硬度下沿路徑接觸應(yīng)力分布曲線

由圖7、圖8可知，隨著橡膠硬度的增大，密封圈與外殼接觸面最大接觸應(yīng)力值逐漸增大。在密封圈的兩端，接觸應(yīng)力較??；在密封圈的中下部，接觸應(yīng)力較大且出現(xiàn)峰值。在一定硬度范圍內(nèi)，最大接觸應(yīng)力值隨橡膠硬度的增加而增加，這是因?yàn)殡S著硬度的增加，密封圈接觸得更加緊密，接觸面積增加，接觸應(yīng)力變大。

6 結(jié)論

通過有限元軟件對(duì)新型密封圈的密封性能進(jìn)行分析，并研究了不同因素對(duì)新型密封圈密封性能的影響，得到以下結(jié)果：

1）隨著壓縮位移量的增加，新型密封圈密封面最大接觸應(yīng)力先減小后增大，當(dāng)壓縮位移量在1.6 mm~1.8 mm之間時(shí)，接觸應(yīng)力最大值相對(duì)較小，不利于新型密封圈的密封。

2）隨著密封圈壓差、橡膠硬度的增加，新型密封圈接觸面最大接觸應(yīng)力也隨之增加。因此，選擇合適的壓差和密封圈硬度對(duì)獲得可靠的密封性能非常重要。