何東升，李若嵐，欒京生，熊浪，鄭嚴，錢韋吉

(西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500)

0 前言

智能完井技術(shù)是近年來國際石油開采中的一項高新技術(shù)，該技術(shù)將油藏實時監(jiān)測與控制技術(shù)相結(jié)合，為發(fā)展油藏油田經(jīng)營管理開辟了嶄新的道路[1]。某團隊開始研究的技術(shù)核心是通過直接液力控制井下流量控制閥(ICV)的開度調(diào)控及采油動作；但后期為了滿足多層合采的需求及解決井下液控管線過多的問題，將采用數(shù)字液力解碼器控制井下ICV進行層位選擇及開度調(diào)控[2]。

如圖1所示，數(shù)字液力解碼器是一種由多個串、并聯(lián)的微型液缸-單向閥基本控制單元集成于一體的井下機械裝置，各個微型液缸的密封性能對解碼器識別液壓編碼信號和控制ICV動作響應至關(guān)重要。井下工具整體尺寸受到井身結(jié)構(gòu)制約，且工作于高溫、高壓的復雜環(huán)境中，因此需要對解碼器的密封性能和摩擦特性進行分析。

圖1 數(shù)字液力解碼器三維圖

橡膠密封圈具有高彈性、低模量的特點[3]，且O形圈具有普適性。不同材質(zhì)的O形橡膠密封圈根據(jù)實際工況被廣泛應用在石油、深海機械、軍工、航空航天等眾多領(lǐng)域[4-6]。國內(nèi)外涉及O形橡膠圈的文獻研究很多，為了探究橡膠O形圈真實的密封與摩擦特性，試驗方法成為了一種行之有效的手段。朱啟惠等[7-8]在低壓氣體及高壓氣體工況下對O形圈的摩擦特性進行了試驗研究，試驗探明介質(zhì)壓力和壓縮率對摩擦力的影響明顯，O形圈摩擦力存在遲滯現(xiàn)象。馬春紅等[9]進行了O形圈的黏滯特性實驗，分析了黏滯摩擦力受運動速度、介質(zhì)壓力等因素的影響規(guī)律。顧東升等[10]設(shè)計了測量接觸應力和泄漏量的O形圈實驗裝置。吳瓊等人[11-12]利用實驗臺架對O形圈的靜密封、微動及往復密封進行了比較深入的研究。

如圖2所示，數(shù)字液力解碼器內(nèi)部的微型液缸尺寸較小，本文作者在動、靜密封結(jié)構(gòu)處均采用O形橡膠密封圈加擋圈的密封形式，再通過試驗方法進一步研究介質(zhì)壓力、往復速度、壓縮率對解碼器密封性能及摩擦特性的影響。研究結(jié)果可為井下高壓液控設(shè)備的可靠性提供實際的工程價值。

1 實驗部分

1.1 主實驗臺

O形圈往復密封試驗臺架搭建參考《用于評估液壓往復密封應用的標準試驗方法》，主試驗臺采用垂直布置方式[13-15]。相較大多數(shù)的橫向布置，此方式可在一定程度上規(guī)避實驗裝置的系統(tǒng)固有力，且符合井下液控解碼器應用的實際放置工況。

如圖3所示，以數(shù)字液力解碼器閥體本身為試驗對象，其內(nèi)部的一個微型液缸為試驗缸；試驗用閥桿上端通過拉壓力傳感器與步進電機的電動推桿連接，下端則通過連接件與位移傳感器連接，安裝過程通過微調(diào)來保證試驗裝置的垂直度及同軸度，微調(diào)結(jié)束后需要緊固相應的夾具，防止各個傳感器、電動推桿等的橫向移動。

圖3 主實驗裝置

圖4示出了整個實驗的動作控制和數(shù)據(jù)采集流程。通過步進電機及控制器可以對V2B2O-500N電動推桿的啟停及速度進行控制，由此來實現(xiàn)閥桿以一定速度的往復運動；O形圈與微型液缸之間的摩擦力可以通過HYLY-019拉壓力傳感器測量，其最大量程為500 N，測量精度為1.5 N；閥桿及O形圈的位移可通過KTRC-15 mm位移傳感器測量，其精度為0.01 mm；通過超高壓液壓站(70 MPa)向解碼器密封閥體勻速施加介質(zhì)油壓力，其介質(zhì)壓力可通過MIK-PX300壓力傳感器測量，其最大量程為60 MPa，精度為0.1 MPa。

圖4 控制采集流程

如圖5所示，根據(jù)實驗需求，利用ForceControl軟件編寫相關(guān)程序及圖形界面，對各個傳感器的拉壓力、位移和壓力的實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和測繪，并對相應的歷史數(shù)據(jù)進行存儲，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

圖5 數(shù)據(jù)測控存儲界面

1.2 試件及參數(shù)定義

圖6 試驗閥桿、密封圈及量具

(1)

式中：d為O形圈截面直徑，mm；h為溝槽深度，mm。

1.3 系統(tǒng)誤差及固有力分析

在設(shè)計試驗方案時，試驗用密封圈要定期更換，避免無關(guān)變量的影響；每組試驗重復做5次，并對其結(jié)果做均值處理，這樣也可以避免一些偶然數(shù)據(jù)對試驗結(jié)果的影響。

在安裝密封臺架前，利用標準砝碼對拉壓力傳感器進行測試，驗證傳感器的準確性，然后進行初始校零，排除傳感器本身的誤差。

最后考慮到垂直布置時，如圖7所示，閥桿重力始終向下和位移傳感器推力始終向上，且二者力的大小不可忽略。故需要在不加密封圈的時候進行空載試驗，測出系統(tǒng)在上拉和下壓過程中的固有力。上拉、下壓行程中實際摩擦力fu1、fu2的計算公式：

圖7 拉壓力傳感器示數(shù)與摩擦力關(guān)系

fu1=ft+fs-fg

(2)

fu2=fp+fg-fs

(3)

式中：ft為向上的拉力，N；fp為向下的壓力，N；fs為位移傳感器的推力，N；fg為閥桿重力，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦力-位移時變曲線

數(shù)字液力解碼器常與ICV被置于2 000 m左右深的井下油層處，需要地面超高壓液壓站通過3根長的高壓油管控制其內(nèi)部動作。圖8示出了在不同高壓密封往復運動時氟橡膠O形圈摩擦力和位移的時變曲線。O形圈運動會依次經(jīng)歷：a-微動、b-滑動、c-回彈、d-摩擦力釋放4個階段。實際上微動階段在摩擦力未達到最大啟動力前無明顯位移；達到最大啟動力后，位移會出現(xiàn)線性增大，摩擦力會減小并趨于相對穩(wěn)定，但由于表面質(zhì)量摩擦力會在一定范圍波動，即為滑動階段；回彈階段閥桿達到最大位移時停止運動，但電動推桿的力不變，O形圈摩擦力會迅速釋放，但由于橡膠與微凸體接觸壓縮時會使力釋放不完全，即存在滯后摩擦力；最后由于電動推桿的力卸載，摩擦力也會完全釋放。

圖8 氟橡膠O形圈摩擦力和位移時變曲線(v=0.166 mm/s、ε=23.25%)

從圖8可知：在高壓油液時，最大靜摩擦力明顯大于滑動摩擦力，所以數(shù)字液力解碼器在工作時需要比較大的啟動力，且當啟動力未達到最大靜摩擦力時，數(shù)字液力解碼器的動作響應會存在一定的延遲現(xiàn)象。隨著介質(zhì)油壓力的增大，O形圈的滯后摩擦力呈明顯的梯度增加，且總的摩擦力也增大。由于橡膠與固體之間的摩擦力由黏附摩擦力和滯后摩擦力兩部分組成，在高壓油液條件下，較大的滯后摩擦力會使密封系統(tǒng)的隨動性變差，黏滯特性對摩擦力的影響比較大。

圖9是氟橡膠O形圈摩擦力與位移的關(guān)系曲線，為了規(guī)避位移傳感器超量程使用，初始安裝先預壓12 mm再進行上行程運動，其運動規(guī)律與圖8相似，也分為4個階段。當閥桿位移運動至0時，回彈階段存在明顯的滯后摩擦力，進行反向下行程運動，此時摩擦力釋放不完全，導致其下行程初始存在摩擦力。明顯可見，在高壓油液密封狀況下，上、下行程中最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，隨著介質(zhì)壓力的增加，摩擦力增大?；瑒幽Σ亮τ捎诒砻尜|(zhì)量處于小范圍波動并趨于穩(wěn)定值。

圖9 氟橡膠O形圈摩擦力隨位移變化曲線(v=0.166 mm/s、ε=23.25%)

2.2 摩擦力-壓力曲線

圖10所示為氟橡膠O形圈在不同介質(zhì)油壓下的變化規(guī)律及其擬合曲線。隨著介質(zhì)油壓力的增加，最大靜摩擦力和滑動摩擦力均呈現(xiàn)增大的趨勢，在大壓差范圍內(nèi)，密封壓力從0增至16 MPa時，其最大靜摩擦力和滑動摩擦力幾乎呈線性增加且增長率分別約為5.44、3.61 N/MPa；密封壓力從16 MPa增至32 MPa時，其最大靜摩擦和滑動摩擦力也呈線性增長且增長率分別約為1.07、1.06 N/MPa。

圖10 摩擦力隨介質(zhì)壓力的變化(v=0.166 mm/s、ε=23.25%)

明顯可知，摩擦力隨著介質(zhì)壓力增加而增大，過大的摩擦力可能導致O形橡膠密封圈發(fā)生過度磨損，從而導致數(shù)字液力解碼器密封處泄漏失效。在低壓0～16 MPa時，隨介質(zhì)油壓力增加，油膜厚度會減小并且黏壓作用會增加油的黏度，其最大靜摩擦力和滑動摩擦力增長率較大，且最大靜摩擦力的增長率大于滑動摩擦力的增長率；在高壓16～32 MPa時，油膜厚度變化減小，摩擦力的增長率顯著減小，其最大靜摩擦力和滑動摩擦力的增長率幾乎相同。整體上高壓范圍內(nèi)摩擦力隨壓力的增長率低于低壓時的增長率。其線性擬合公式為

(4)

式中：Fsmax為最大靜摩擦力，N；Fh為滑動摩擦力，N；p為介質(zhì)壓力，MPa。

2.3 摩擦力-速度曲線

橡膠與金屬的摩擦機制和特征不同于金屬之間的摩擦，通常由橡膠本身的黏彈特性所決定，其摩擦力F的計算也服從庫侖(Coulomb)定律：

F=μN

(5)

式中：μ為摩擦因數(shù)，是一個與溫度和運動速度有關(guān)的量；N為正壓力。

圖11示出了氟橡膠O形圈摩擦力與速度之間的關(guān)系，往復運動整體上為低速運動，控制在0.083～0.498 mm/s內(nèi)。其中圖(a)為0、4 MPa時摩擦力隨速度的變化規(guī)律，其符合文獻所述，在低油壓狀態(tài)時，摩擦力會隨著往復運動速度先增加，且增長率會慢慢變小，然后滑動摩擦力趨于一個穩(wěn)定值。然而，圖(b)示出了與之不同的變化趨勢，在高油壓狀態(tài)時，隨著往復運動速度的增加，滑動摩擦力會逐漸減小，其減小的速率會逐漸變小，直至滑動摩擦力趨于穩(wěn)定值。

圖11 摩擦力隨運動速度的變化

在低壓及小壓差的條件下，數(shù)字液力解碼器密封處油膜潤滑不夠充分，膜厚也相對較小，在低速且速度緩慢增長時，摩擦力會增加，增長幅度及趨勢不明顯；在高壓大壓差的條件下，油膜能夠完全潤滑，隨著運動速度的增加，膜厚會逐漸變大，所以在高壓高速時，數(shù)字液力解碼器的密封部位容易導致泄漏，且摩擦力會相對減小，然后基本趨于穩(wěn)定。

2.4 摩擦力-初始壓縮率曲線

由于數(shù)字液力解碼器裝配公差及加工誤差的存在，密封結(jié)構(gòu)處設(shè)計的壓縮率往往并不是一個確定值，經(jīng)加工后測量計算，O形密封圈壓縮率分別為22.54%、23.25%、24.33%。如圖12所示，在同一介質(zhì)壓力下，隨著壓縮率的增大，滑動摩擦力也增大。在安裝O形橡膠密封圈時，若初始壓縮率過小，則主密封面在抵抗液壓油瞬時沖擊時，容易造成數(shù)字液力解碼器密封泄漏；若初始壓縮率過大，主密封面處的接觸壓力會增大，摩擦力也隨之增大，同樣會造成解碼器系統(tǒng)需要更大的啟動力及加速O形密封圈的過度磨損。在試驗過程中，壓縮率為22.54%時，當介質(zhì)壓力達到32 MPa時，系統(tǒng)有輕微點滴狀泄漏；在壓縮率為23.25%時，未出現(xiàn)肉眼可見的泄漏。因此通過試驗確定壓縮率為23.25%時，壓縮率能夠滿足密封要求。

圖12 滑動摩擦力與壓縮率的關(guān)系

3 結(jié)論

根據(jù)數(shù)字液力解碼器閥體本身的密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個垂直放置的O形橡膠圈往復運動的試驗臺架，測試其密封性能和摩擦特性：

(1)試驗證明在高壓工況下，數(shù)字液力解碼器需要較大的啟動力，當啟動力未達到最大靜摩擦力時，其動作響應會存在一定的延遲現(xiàn)象。同時較大的滯后摩擦力會使密封系統(tǒng)的隨動性變差，黏滯特性對摩擦力的影響比較大。

(2)微型液缸內(nèi)部O形橡膠密封圈往復運動時，最大靜摩擦力和滑動摩擦力隨介質(zhì)壓力增加均呈線性增加。在0～16 MPa 時，二者增長率分別為5.44、3.61 N/MPa；在16～32 MPa時，二者增長率分別為1.07、1.06 N/MPa，相對前一階段摩擦力隨壓力的變化較小。

(3)在低壓及小壓差時，由于密封處潤滑不夠充分，摩擦力隨運動速度的增加而略微變大，然后趨于穩(wěn)定；在高壓及大壓差時，油膜完全潤滑，隨著運動速度的增加，油膜厚度增加，摩擦力減小然后趨于穩(wěn)定。所以在高壓高速的情況下，數(shù)字液力解碼器的密封處容易發(fā)生泄漏。

(4)初始壓縮率會影響數(shù)字液力解碼器的密封性能，初始壓縮率過小，主密封面在抵抗液壓油瞬時沖擊時容易發(fā)生泄漏；初始壓縮率過大，則會使橡膠密封圈過度磨損，影響其整體服役壽命。文中通過試驗測試初始壓縮率在23.25%時能夠滿足密封要求。