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        牙輪鉆頭單金屬密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

        2019-02-20 09:20:52
        潤滑與密封 2019年2期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        (西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(xué)羅緯和國洪領(lǐng)[1]提出,因其具有耐高溫、耐磨損的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)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(chǔ)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(xué)者對(duì)單金屬密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多研究,張寶生和陳家慶[4]介紹了單金屬浮動(dòng)密封的應(yīng)用特點(diǎn)、潤滑模型、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)在理論研究中的應(yīng)用、表面強(qiáng)化技術(shù)在單金屬浮動(dòng)密封中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力特征;BURR[7]提出了彈簧補(bǔ)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(dòng)密封面的接觸應(yīng)力不僅影響靜環(huán)和動(dòng)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(yīng)力過大會(huì)造成動(dòng)密封面磨損加速,接觸應(yīng)力較小會(huì)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(huì)對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)力的大小產(chǎn)生影響[9],而國內(nèi)外文獻(xiàn)缺少單金屬密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律的研究。因此,針對(duì)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(dòng)密封面長度對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)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(dòng)密封面是由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成,其中動(dòng)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(duì)接觸應(yīng)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(dòng)密封面長度。而針對(duì)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(dòng)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(duì)稱結(jié)構(gòu),因此用CAD建立二維模型,并導(dǎo)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(shí),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(shí)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(shè)置為對(duì)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?jí)嚎s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(duì)接觸應(yīng)力的影響分析

        3.1 原始結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)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(dòng)密封面的接觸應(yīng)力云圖如圖4所示??芍航佑|應(yīng)力最大值在動(dòng)密封面的外側(cè),其值為26.88 MPa,平均接觸應(yīng)力為8.08 MPa。

        圖4 動(dòng)密封面接觸應(yīng)力云圖Fig 4 Contact stress image of dynamic sealing surface

        3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)接觸應(yīng)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(dòng)密封面長度L變化對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)力的影響,將參數(shù)分為5個(gè)水平進(jìn)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(dòng)密封面沿接觸路徑的接觸應(yīng)力分布曲線,如圖5所示。

        圖5 不同金屬靜環(huán)傾角對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)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(dòng)密封面外側(cè)接觸應(yīng)力較大、內(nèi)側(cè)接觸應(yīng)力較小、中間接觸應(yīng)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(dá)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(yīng)力逐漸增加,并且在0.5~3.3 mm的接觸長度上波動(dòng)程度增加。

        3.2.2 接觸長度的影響

        在設(shè)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(dòng)密封面接觸長度進(jìn)行了分析。圖6所示為不同動(dòng)密封面接觸長度下接觸應(yīng)力變化曲線。

        當(dāng)接觸線長度為2.5 mm時(shí)兩端接觸應(yīng)力較高,中間較低;其余4種動(dòng)密封面長度均是動(dòng)密封面外側(cè)接觸應(yīng)力達(dá)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(shí)最大接觸應(yīng)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(shè)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(jìn)行了分析。計(jì)算發(fā)現(xiàn)靜環(huán)楔入角β的變化對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)力的影響并不大,其中,楔入角為1°和9°時(shí)金屬靜環(huán)的接觸應(yīng)力云圖如圖7所示,其接觸應(yīng)力變化僅變化0.27 MPa,接觸應(yīng)力的最大值仍然在動(dòng)密封面的外側(cè)。

        圖7 楔入角為1°和9°時(shí)金屬靜環(huán)的接觸應(yīng)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(dòng)密封面接觸應(yīng)力的關(guān)鍵,合理的尺寸優(yōu)化能夠增大接觸應(yīng)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(shí)驗(yàn),分析不同參數(shù)對(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)力影響的主次水平。

        4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

        表2所示為正交試驗(yàn)的因素和水平表,即3因素5水平的正交試驗(yàn)。

        表2 因素和水平表Table 2 Factor and level

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

        表3 正交試驗(yàn)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(duì)動(dòng)密封面接觸應(yīng)力的影響。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,得到了各水平接觸應(yīng)力的最大值、極差、3個(gè)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(dòng)密封面間接觸應(yīng)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(duì)接觸應(yīng)力影響較大,而靜環(huán)楔入角和接觸長度相對(duì)較小。該結(jié)果驗(yàn)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(yàn)。與優(yōu)化前比較,優(yōu)化后的最大接觸應(yīng)力由26.88 MPa上升至43.74 MPa,增幅為62.72%;平均接觸應(yīng)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(yīng)力逐漸增加,且都出現(xiàn)在動(dòng)密封面的外側(cè)0.5 mm處,動(dòng)密封面中間的接觸應(yīng)力分布較為均勻;動(dòng)密封面接觸長度從2.5 mm到4.5 mm的變化過程中,接觸應(yīng)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(shí),接觸應(yīng)力呈減小趨勢,但變化幅度并不大,其最大值仍然分布在動(dòng)密封面的外側(cè)。研究表明:靜環(huán)斜面傾角對(duì)接觸應(yīng)力影響較大,而靜環(huán)楔入角和接觸長度相對(duì)較小。

        (2)通過正交優(yōu)化分析,得到了影響動(dòng)密封面間接觸應(yīng)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(yīng)力為43.74 MPa,增加62.72%,平均接觸應(yīng)力為9.42 MPa,增加17.02%。

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