高温高压下旋转导向系统动密封性能

旋转导向钻井系统是在钻井过程中,实时进行钻头导向的一种钻井系统,导向钻井系统偏置机构中的动密封对整体系统的可靠性有极大的影响。结合旋转导向钻井系统的实际工况,考虑井下高温高压、动密封双侧承压和橡胶应力松弛对密封的影响,利用有限元软件中的流体渗透加载方式对滑环组合式密封进行密封性能分析,并分析环境压力、井下温度和O形圈压缩率对组合密封主密封面接触压力和Mises应力的影响。结果表明:随着介质压力的增大,虽然密封两侧的压差不变,密封系统的最大接触压力仍在增大,同时密封内侧的压力比外侧要大得多;应力松弛作用对初期阶段组合密封的性能影响比较大;温度对动密封接触压力的影响小于环境压力;较高的压缩率可以增加组合密封主密封面的接触长度,一定程度上可以降低最大接触压力,从而减缓密封面磨损。     

单金属密封总装设计和润滑理论分析

针对钻井领域的单金属密封端面比压难以控制的问题,结合涡轮钻具支承节结构进行了动密封的总装式设计;初步建立SEMS2单金属密封的计算模型,推导出了SEMS2单金属密封环的轴向载荷公式;考虑润滑油的的挤压效应项,提出SEMS2单金属密封面的油膜压力方程和泄漏率公式;通过有限元软件对SEMS2单金属密封的装配过程进行了应力分析,在此基础上对不同环境压力下密封面的应力特征进行了仿真分析,结果显示低压工况下密封面呈收敛状态,有利于润滑油膜的形成;高压工况下,动环接触面上从内到外的应力逐渐降低,不利于形成润滑油膜。     

基于响应曲面法的双Y形密封圈接触压力分析及优化设计

为改善双Y形密封圈在井底高温、高压工况下的密封性能,建立双Y形密封圈的二维轴对称模型,采用有限元分析软件ANSYS分析初始压缩量、润滑油压力以及润滑油与泥浆压差对双Y形密封圈密封面处接触压力的影响。结果表明:密封面处的最大接触压力随着润滑油压力的增加而增加,在不同润滑油压力下,最大接触压力始终大于润滑油压力,能够形成良好密封;随着初始压缩量的增加,最大接触压力逐渐减小,因此在保证形成良好密封的前提下,适当减小初始压缩量可以提高密封性能;随着压差的增加,最大接触应力先增加后减小最后趋于平缓。基于响应曲面法,以获得接触面最大接触压力为优化目标,对双Y形密封圈进行优化设计,得到其最佳优化组合方案。     

密封面宽度对大潜深船舶尾轴机械密封性能的影响

以水下航行器尾轴机械密封为研究对象,应用有限元方法对不同潜深下、不同密封面宽度的机械密封的性能进行分析对比,探究在大潜深、低转速特殊工况下机械密封面宽度对密封性能的影响。结果表明,当密封面宽度一定时,随着潜深的增加,密封面的最高温度、最大接触压力和轴向应力均随着潜深的增加呈线性上升;当潜深深度一定时,密封面宽度越大,动静环的最高温度越高,最大接触压力和最大轴向应力增加也越快;在相同的工况条件下,泄漏量随着密封面宽度的减小而减少。由此可见,在大潜深、低转速特殊工况下,选择较小的密封宽度有利于降低最高温度,降低最大的轴向应力和接触压力,减少泄漏量。     

旋冲载荷下传动轴组合密封沟槽敏感参数研究*

随着勘探深度的增加,地层压力升高和岩石硬度增加,螺杆钻具经常发生横向涡动、纵向跳动、扭向振动及黏滑现象,限制了冲击螺杆钻具的推广应用。为研究高温、高转速和往复运动耦合作用下传动轴总成密封特性及参数敏感性具,对比相同工况下星形圈、O形圈和组合圈密封特性,得到不同密封圈在静密封、动密封状态下接触压力分布,根据主密封面接触压力判定方法得到最佳密封圈结构。根据该结构研究沟槽敏感参数,并讨论沟槽形状、位置、数目和宽度等对组合圈密封特性的影响。结果表明:组合圈密封效果远远优于O形圈及星形圈;沟槽形状采用等腰三角形、沟槽数目为3时密封性能最优,沟槽位置于中间最合理;静、动密封状态下,主密封面接触压力随沟槽宽度增大而增大,而静密封状态下次接触面接触压力及O形圈应力几乎不变。     

航空发动机石墨圆周密封接触特性分析

基于结构受力分析,利用ANSYS分析某型在役航空发动机石墨圆周密封的接触特性,研究不同工况参数对密封环最高温度、最大变形、最大应力及接触压力作用规律。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布比较均匀,密封环接头处应力最大,这与应用时接头处磨损较重的实际情况相符;辅助密封面和密封跑道应力分布均匀,密封座端面应力沿径向呈梯度分布,最大应力位于密封座靠近密封跑道边缘处;随滑动速度的增大,密封环主密封面最高温度增大,而最大变形、最大应力和接触压力表现为先减小后增大;石墨密封环主密封面最高温度、最大变形、最大应力和接触压力随密封压差增大而增大。     

牙轮钻头用单金属密封热流固耦合模型与性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性，构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系，建立了牙轮钻头单金属密封热流固耦合数学模型，并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形态、温升变化及密封性能的影响规律。研究结果表明：随钻井深度和环境压力的增大，单金属密封端面间隙逐渐由收敛型演化为发散型，膜厚及温升极值点由外径侧向内径侧迁移，其临界转折点为环境压力p0=11 MPa附近；高压工况下，密封端面内径侧接触压力递增，不利于润滑油膜的形成；密封系统的泄漏率和摩擦力随钻头转速增大均有所增大，但在低压工况下可通过合理增大钻头转速来提高钻井效率。     

基于压力渗透载荷的蕾形密封特性分析及参数优化

为改善蕾形密封的密封性能,考虑介质压力渗透效应,利用有限元分析软件ANSYS研究安装工况及介质压力作用下蕾形密封的密封特性,以及运动速度、摩擦因数、几何参数对动密封性能的影响。研究表明:介质压力作用时,蕾形密封密封面接触压力主要由支撑部承担,密封圈不会被挤入密封间隙,具有较好的抗磨损、抗挤出特性;动密封工况下,外行程比内行程产生的接触压力更大,外行程接触压力随摩擦因数增大而增大,内行程则相反,运动速度对动密封性能影响较小。根据几何参数对密封性能的影响对其进行响应面优化,在满足密封要求的前提下降低了活塞杆表面的最大等效应力,降低了活塞杆因表面疲劳磨损而发生密封失效的风险。     

基于流固耦合的橡胶O形圈老化对密封性能的影响研究

橡胶O形圈在高温受压的环境下易发生老化并产生泄漏,而最大接触压力和永久压缩变形不足以判定密封系统的密封性能。为了更加精准研究橡胶O形圈在高温受压情况下的老化对密封性能的影响,通过实验获取橡胶O形圈老化后的泄漏率和性能数据,构建有限元仿真模型,获取不同老化时间下的密封面接触压力,结合流固耦合模型计算出理论泄漏率。通过对比不同老化时间后的橡胶O形圈的实验泄漏率和密封面接触压力评估其密封性能。对比数值模型得到的结果和实验结果,发现理论模型与实际情况一致性较好,验证了该理论模型可为橡胶O形圈的老化行为分析、预测提供指导。     

Y形活塞杆密封动静态性能分析及结构优化

为提高液压缸活塞杆用Y形密封的可靠性,研究其在动、静密封状态下的密封特性。通过有限元分析,研究Y形密封在不同工况下的受力、变形及主密封面接触压力分布规律。根据液压往复密封原理,研究不同介质压力下活塞杆密封在往复行程中的泄漏量的变化趋势。结果表明：Y形密封在安装工况下抵抗压力冲击的能力较弱;随着介质压力增大,Y形密封在静密封状态下的密封性能指数、动密封状态下的净泵回量均有所下降,防止泄漏的能力降低;高压工况下,Y形密封抗挤出能力降低,根部被挤入密封间隙,将出现咬伤现象导致密封系统失效。针对Y形密封工作过程中出现的咬伤问题,使用根部倒角的方法进行结构优化;利用中心设计方法建立以单个往复行程中的泄漏量为目标函数的响应面模型,对Y形密封进行结构优化。优化后的Y形密封在动、静密封状态下的密封性能得到提高,磨损速度、被咬伤的风险降低,提高了Y形密封的可靠性。     

Y形组合密封的密封性能研究

应用ABAQUS软件建立YO组合密封的有限元模型,分别比较Y形组合密封与Y形密封、聚氨酯和丁腈橡胶2种材料的Y形组合密封,在密封区域的静态接触压力和Mises应力分布,分析O形圈截面直径对2种材料Y形组合密封性能的影响规律。结果表明：Y形组合密封在密封区域的接触压力和Mises应力均大于相同规格、材料的Y形圈,且外行程时Y形组合密封接触压力增大更明显,应力分布更均匀,验证了Y形组合密封的双重密封和改善根部抗撕裂的特性;在O形圈截面直径相同的情况下,聚氨酯组合密封外行程与内行程的最大接触压力差值远远高于丁腈橡胶组合密封,而丁腈橡胶组合密封Mises应力分布更均匀;随着O形圈截面直径的增大,聚氨酯组合密封的最大接触压力呈现先增大后减小的趋势,丁腈橡胶组合密封呈现逐渐减小的趋势,但两者的Mises应力均呈现逐渐增大的趋势,且丁腈橡胶组合密封增大更显著。研究结果为不同工作条件下密封件的选择提供了参考依据。     

新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究

提出一种密封入口周向均匀设置有涡流槽的新型密封结构,建立了传统迷宫密封与新型涡流槽密封泄漏特性及动力特性求解模型,在实验验证数值计算方法准确性的基础上,通过比较分析了传统迷宫密封与新型涡流槽密封在不同进出口压比、预旋比工况下的泄漏特性与动力特性,研究了新型涡流槽结构对密封泄漏特性及动力特性的影响机理。研究结果表明：随着涡流槽数量的增加,涡流槽密封的泄漏量逐渐降低;在同一压比下,不同涡流槽数新型密封的泄漏量之间差值随着压比的增大而增大。当压比为6时,64涡流槽的新型密封较传统迷宫密封,泄漏量下降了3.37%;在高预旋比的工况下,不同涡流槽数量密封的切向气流力均与转子涡动方向相反,起到抑制转子涡动的作用,且随着涡流槽数量的增加,切向气流力也随着增大;随着转子涡动频率的增大,三种不同涡流槽数量密封的交叉刚度先减小到负值然后增大到正值。涡流槽密封的有效阻尼均高于传统迷宫密封,新型涡流槽密封可以提高转子系统的稳定性。     

工作参数对接触式机械密封端面接触特性的影响

为研究和掌握接触式机械密封端面接触特性,通过模拟计算分析了工作参数对其特性的影响.结果表明,在密封端面间真实接触面积中,弹性变形微凸体接触面积所占比例最大,塑性变形微凸体接触面积所占比例最小;随着弹簧比压的增大,弹性接触面积比近似呈线性增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比近似呈线性减小;随着密封介质压力的增大,弹性接...     

基于实际间隙的全回转推进器桨毂动密封性能研究

全回转推进器桨毂动密封采用O形密封,其实际间隙的改变直接导致压缩率变化,从而对密封性能产生影响。从设计角度和工作角度对桨毂密封端面的实际间隙进行分析,研究服役过程中的装配误差、实际工况和摩擦磨损导致的间隙变化规律以及相互耦合。基于该实际间隙,在ABAQUS软件中建立桨毂动密封有限元模型,分析不同压缩率和介质压力下动密封的密封性能,如Mises应力、润滑脂油膜厚度和压力等,揭示了不同间隙下桨毂动密封性能的变化规律。结果表明:随着压缩率增大,最大Von-Mises应力和最大油膜压力增加,最小油膜厚度略微减小,最大Von-Mises应力由O形密封圈与桨叶法兰主接触区和桨毂体侧壁渐渐向主接触区过渡;随着介质压力增大,最大Von-Mises应力和最大油膜压力增加,最小油膜厚度略微减小,最大Von-Mises应力由O形密封圈与桨叶法兰主接触区和桨毂体底部逐渐向法兰低压接触区过渡;最大油膜压力始终大于油压值,动密封不会发生失效;通过适当增加装配间隙和介质压力有利于密封圈在自密封作用下获得更好的密封性能。     

A Transient Dynamic Analysis of Mechanical Seals Including Asperity Contact and Face Deformation

Face seals are typically designed to be in contact at standstill. However, as speed and pressure build up, the seal faces deform from their factory flat conditions because of viscous and dry friction heating, as well as mechanical and centrifugal effects. It is imperative that such deformations form a converging gap for radial flow to ensure stable operation and to promote favorable dynamic tracking between stator and rotor. A numerical simulation is presented for the transient response of a face seal that is subjected to forcing misalignments while speeds and pressures are ramped up and down. Asperity contact forces and transient face deformation caused by viscous heating are included. A new closed-form solution is obtained for the elastoplastic contact model, which allows seamless transition between contacting and noncontacting modes of operation. The model is then used to calculate face contact forces that occur predominantly during startup and shutdown. The viscous heating model shows that the time-dependent deformation (coning) is hereditary and that it lags behind the instantaneous heat generation. The dynamic analysis provides a numerical solution for the seal motion in axial and angular modes. The eventual build up of hydrostatic pressure and coning during startup generates opening forces and moments that separate the seal faces, resulting in noncontacting operation. The reverse occurs during shutdown; however, because of the thermal time constant a seal may continue to leak even after it returns to standstill. The analysis and simulation results compare very well with a closed-form solution that predicts a critical speed of separation of contacting seals.     

基于三维接触的滑环式旋转组合密封性能主控因素分析

密封圈二维有限元分析中,常将密封圈接触面上最大接触压力推广到整个接触面上,针对这种不够精确的方法,提出了一种基于三维仿真模型的有效接触压力高精度计算方法。建立组合密封圈的三维模型,模拟实际工况,对影响其动密封特性的轴往复运动速度、轴转速、介质压力、O形圈压缩量、滑环厚度、滑环动接触面开槽进行了研究,并利用有效接触压力计算方法分析了动接触面上有效接触压力的分布情况。结果表明：滑环开槽、滑环厚度、O形圈压缩量以及介质压力对组合密封圈有效接触压力影响较大,内轴往复速度以及转速达到一定值后对有效接触压力影响较大。研究结果为滑环式组合密封圈的优化设计提供了参考。     

一种套管悬挂器金属密封结构设计与研究

针对高温高压下悬挂器橡胶密封件的失效问题,采用316L软金属,设计线型、正弦、椭圆、抛物线4种不同的密封结构,采用ANSYS软件分析套管悬重及不同顶丝压力下的接触压力和接触宽度的变化规律。结果表明:随顶丝压力的增加,线型密封各接触面处的平均接触压力增幅较小,正弦和抛物线型密封各接触面处的平均接触压力起伏式增加,椭圆密封各接触面处的平均接触压力平稳增加,表明采用椭圆型接触面有利于密封的稳定。实验结果表明,该全金属多级等锥椭圆曲面密封结构可靠,能满足油田井口装置140 MPa极限工况的密封要求。     

高压环境下弹簧蓄能密封件密封特性分析

为研究弹簧蓄能密封件在高压环境下的密封性能，构建密封件等效二维轴对称模型，利用ANSYS软件仿真分析高压环境下弹簧蓄能密封的过盈量、唇口角度对其性能的影响；同时进行相同结构下无弹簧蓄能密封的仿真分析，研究弹簧对高压环境下蓄能密封性能的影响。结果表明：在高压环境下，V形弹簧会使峰值接触压力接近油压侧，提高了密封性能；峰值接触应力随过盈量的增加呈现先降低后增加的趋势，随着唇口角度的增加逐渐减小。随油压升高，弹簧蓄能密封峰值接触应力降低，但峰值接触应力仍大于油压，因此在高压环境下弹簧蓄能密封在保持良好密封性能的前提下，能有效地降低接触面摩擦磨损，表明其在高压环境下有着优异的密封性能与寿命。