新型牙轮钻头轴承密封结构研究

发布时间：2020-03-29 05:26

【摘要】：牙轮钻头轴承密封结构起到阻止钻井液进入轴承腔、防止润滑脂泄露的作用,但随着深井、超深井以及难钻地层的不断开发,因密封失效而导致钻头失效的比例增加,因此需要提升牙轮钻头轴承密封结构的密封性能来满足高转速、高钻压的钻井需求。单金属密封结构作为常用的轴承密封结构之一,具有轴向尺寸较小、密封结构较简单、静密封面较少的特点,且适用于高温、高压和振动较强的工况。因此,本文主要针对现有单金属密封结构存在对中性差、动密封面接触应力分布不均匀的缺点,设计出新型密封结构来提升单金属密封结构密封性能,并且对影响单金属密封结构的参数进行研究。主要研究工作如下:(1)根据牙轮钻头轴承密封结构的实际工作情况,分析O型密封结构、双金属密封结构、单金属密封结构、弹簧补偿功能结构、磁力密封结构的结构特点,并且分析了这五种密封结构的失效形式;在确定单金属密封结构为本文分析结构后,分析了单金属密封结构的密封机理,给出单金属密封结构的失效判定准则,然后分析单金属密封结构安装过程中轴向位移与接触应力的力学关系。(2)利用有限元分析法,对单金属密封结构的Mises应力和接触应力进行研究,为了使结果与后文比较,建立了包含网格、材料、接触设置和边界条件的有限元分析规范以及评价方法。(3)研究了单金属密封结构不同轴向安装位移、不同工况、不同摩擦系数、动密封面接触长度、静环斜面倾角、静环高度、楔入角的变化对动密封面接触应力的影响规律。(4)选择静环斜面倾角、静环高度和动密封面的接触长度为优化对象,利用正交实验法来优化单金属密封结构的结构参数,并且开展了密封结构的敏感性研究,最终得到了单金属密封结构的最优结构参数组合。(5)针对现有单金属密封结构存在对中性差、接触应力小且接触应力分布呈外侧高、内侧低的缺点,在前文的优化结果基础上,设计出新型密封结构。分析对比了不同弧形长度和球头-锥面角度对动密封面接触应力的影响,并且得到最佳的弧形长度和球头-锥面角度的组合。(6)对新型密封结构的密封比压和泄漏量进行了验证,发现新型密封结构的密封比压符合使用要求,并且泄漏量小于出原始密封结构。最后研究了 O型橡胶圈和橡胶支撑环硬度的变化对新型密封结构动密封面接触应力的影响。通过本文的研究,证明了新型牙轮钻头轴承密封结构具有良好的密封性能。
【图文】：

机械工程学,密封圈,公司,唇形密封圈

封都是有效途径［１５］。逡逑２００９年，李生、孔繁军针对现有的牙轮钻头所使用橡胶的性能容易受温度逡逑影响等不足之处，提出了一种具有长期预紧力的磁力密封结构，，如图１－３。这个逡逑结构的优点是放在密封槽内的唇形密封圈为骨架形，能够在钻头振动时维持在牙逡逑轮轴颈上运动，骨架的材料为磁性材料，通过耐热强磁铁的磁力保持了，使骨架逡逑与密封环具有良好的接触［１６］。逡逑１－牙轮轴颈；２－唇形密封圈；３－密封环；４－耐热强磁铁；５？牙轮逡逑图１－３新型密封结构逡逑４逡逑

新型密封

成多重密封［１４］。逡逑１逡逑图１－２唇型密封圈逡逑２００８年，北京石油化工学院机械工程学院张宝生通过研究Ｈｕｇｈｅｓ公司逡逑ＳＥＭＳ和ＳＥＭＳ２的结构，提出了采用ＣＡＥ技术优化密封端面、建立混合润滑状逡逑态下单金属浮动密封的设计理论、通过表面强化提高摩擦副性能对研发单金属密逡逑封都是有效途径［１５］。逡逑２００９年，李生、孔繁军针对现有的牙轮钻头所使用橡胶的性能容易受温度逡逑影响等不足之处，提出了一种具有长期预紧力的磁力密封结构，如图１－３。这个逡逑结构的优点是放在密封槽内的唇形密封圈为骨架形，能够在钻头振动时维持在牙逡逑轮轴颈上运动，骨架的材料为磁性材料，通过耐热强磁铁的磁力保持了，使骨架逡逑与密封环具有良好的接触［１６］。逡逑１－牙轮轴颈；２－唇形密封圈；３－密封环；４－耐热强磁铁；５？牙轮逡逑图１－３新型密封结构逡逑４逡逑
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE921.1

【参考文献】