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旋转尾管悬挂器轴承的密封性能分析与优化

发布时间:2018-04-21 13:18

  本文选题:轴承 + 密封圈 ; 参考:《中国地质大学(北京)》2017年硕士论文


【摘要】:轴承是深井钻探旋转尾管悬挂器中起关键作用的零部件,密封件则是悬挂器轴承不可或缺的重要构成部分。如果密封失效致使外界液体侵入,则会使轴承的安全性和工作稳定性降低进而影响固井。因此本文运用有限元的方法对该轴承需用的O形和Y形两种密封元件进行了分析与研究,并对Y形密封件进行了结构优化。首先,分析了两种密封圈各自的密封机理、沟槽等有关设计要求、结构形式与使用场合,通过参数化建模的方法,建立了二维轴对称有限元分析模型,确定了相关的材料参数、结构单元类型、接触单元类型与设置、边界条件和加载方式。其次,利用ANSYS建立了参数化的O形密封圈二维分析模型,通过对压缩率、介质压力、密封间隙等因素的数值模拟,分析了它们对O形密封圈的力学性能和密封性能的影响规律。结果表明O形密封圈满足密封性能,且其最佳压缩率是20%。然后,借助ANSYS软件研究了介质压力、过盈量对Y形密封圈力学及密封性能影响。利用ANSYS-PDS概率设计模块,利用命令流语句提取出Y形密封圈在介质压力下的接触应力最大值和等效应力最大值并以此作为概率设计系统的响应量计算出Y形密封圈的可靠度。通过概率设计结果的后处理得到Y形密封圈灵敏度的条状图和饼状图,分析得到共同影响Y形密封圈力学和密封性能的灵敏度显著的几何参数b1、cc,为下一步针对性的优化提供依据。最后,选用ANSYS命令流零阶优化的方法,通过编程提取Y形密封圈一定安全范围内的最大接触应力为边界条件;编程提取Y形密封圈最大等效应力,然后使其最小值为目标函数。通过优化前后的对比发现,密封圈最大等效应力明显减少约30%,最大接触应力在能够保证密封性能的安全范围内降低约10%,证实了零阶优化方法和优化后Y形密封圈力学和密封性能的合理性。本文采用概率统计与ANSYS分析技术相结合的方法,能很好地分析不同参数因素对密封性能的影响,在工程实践中具有很好的指导意义。
[Abstract]:Bearing is the key part of the rotary tail pipe hanger in deep well drilling, and the seal is an indispensable part of the suspension bearing. If the sealing failure causes the external liquid to be invaded, the safety and stability of the bearing will be reduced and the cementing is reduced. Therefore, this paper applies the finite element method to the bearing. Two kinds of sealing components, O and Y, are analyzed and studied, and the structure of Y seals is optimized. First, the sealing mechanism of the two seals, the design requirements of the grooves and other related design requirements, the structure form and the application situation, and the two-dimensional axisymmetric finite element analysis model are established by the parameterized modeling method. Related material parameters, structural unit type, contact element type and setting, boundary condition and loading mode. Secondly, a parameterized two-dimensional analysis model of O shaped seal is established by ANSYS. Through numerical simulation of the compression rate, medium pressure, seal gap and other factors, the mechanical properties and sealing properties of the O ring seal are analyzed. The results show that the O shaped seal meets the sealing performance, and the optimum compression rate is 20%., and the influence of the medium pressure and the interference amount on the mechanical and sealing properties of the Y seal ring is studied with the aid of ANSYS software. The contact stress of the Y shaped seal ring under the medium pressure is extracted by the ANSYS-PDS probability design module. The maximum value and the maximum equivalent stress value are used as the response of the probability design system to calculate the reliability of the Y - shaped seal. Through the post-processing of the probabilistic design results, the bar and pie chart of the sensitivity of the Y - shaped seal are obtained, and the geometric parameters, B1, CC, which are sensitive to the mechanical and sealing properties of the Y - shaped seals, are obtained. In order to provide the basis for the optimization of the next step, the method of zero order optimization of ANSYS command flow is selected, and the maximum contact stress in a certain safety range of the Y shaped seal is extracted by programming. The maximum equivalent stress of the Y ring is extracted by programming, and the minimum value is the objective function. The maximum equivalent stress of the sealing ring is obviously reduced by about 30%, the maximum contact stress is reduced by about 10% in the safety range that can guarantee the sealing performance, which confirms the zero order optimization method and the rationality of the mechanical and seal performance of the Y shaped seal after the optimization. In this paper, the combination of probability statistics and ANSYS analysis technique can be used to analyze the different parameters well. The influence of factors on sealing performance has good guiding significance in engineering practice.

【学位授予单位】:中国地质大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TE925.2

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本文编号:1782596

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