旋转控制头密封胶芯力学行为和失效分析

针对欠平衡钻井中旋转控制头的密封胶芯经常失效的问题,根据旋转控制头的工作原理以及胶芯的材料特点,分析胶芯在几种典型工作状态下的受力与变形规律,以及胶芯失效的形式和原因。结果表明：胶芯的主要失效形式为胶芯侧面拉压疲劳开裂、顶部剪切疲劳开裂、底部疲劳膨胀开裂,以及胶芯内锥面与内圆柱面交界处橡胶的脱落和胶芯内表面划伤、形成沟槽等;胶芯失效主要是由铁芯与橡胶连接部位的应力集中、起下钻中胶芯所受变应力的反复作用、胶芯与钻具间的摩擦力等方面引起的。提出在结构设计、材料选取、操作使用过程中合理地控制上述因素,以改善胶芯性能,提高其使用寿命和可靠性。     

旋转控制头润滑冷却系统热力学分析

根据煤层气专用旋转控制头润滑冷却系统要求,结合现有成熟旋转控制头润滑冷却技术,设计出无外挂冷却润滑泵站式结构。为保证该结构满足旋转控制头密封系统、轴承组的润滑冷却要求,利用有限元分析软件和室内实验对旋转控制头润滑冷却系统进行热力学分析。结果表明:该润滑冷却系统满足设计要求,其中上扶正轴承温度最高,最高温度可达71.9℃,动密封组件最高温度达60℃。此外,偏心距、密封压力、转速对润滑冷却系统影响较大,系统温度与上述三个因素近似成线性变化。     

铍铜管固定短芯头拉拔外模半锥角的优化

借助大型非线性有限元Marc软件,应用二维轴对称弹塑性有限元法分析了铍铜管固定短芯头拉拔过程中外模半锥角对轴向应力、拉拔力、摩擦力和轴向残余应力的影响;在此基础上并对外模半锥角进行了优化.结果表明:外模半锥角对铍铜管的轴向应力分布影响不大,而对拉拔力影响显著;随外模半锥角增大,内外表面的摩擦力均减小;当外模半锥角为14°或12°时,拉拔力很小,同时内外表面的轴向残余应力较小,而且内外表面残余应力差也较小,拉拔后的铍铜管精度和质量都较高;从多因素考虑,选择外模半锥角为12°较14°更合理,并且拉拔试验结果与模拟结果基本吻合.     

中间旋转环式机械密封结构优化研究

借助ANSYS分析影响中间旋转环式机械密封性能的关键结构参数,结果表明,静环和动环的伸出长度对密封性能的影响很小,中间环厚度和密封面宽度对密封性能的影响较大,且中间环厚度及密封面宽度对密封性能的影响是相互独立的;中间环厚度增大时,最高温度和最大等效应力减小,但最大接触压力和泄漏量增大;密封面宽度增大时,最高温度、最大等效应力和泄漏量增加,但最大接触压力减小。对密封环结构进行优化,得出最佳的动静环伸出长度、中间环厚度和密封面宽度,优化后机械密封的最高温度、最大等效应力、最大接触压力下降,对机械密封的运转更为有利。     

基于实验的旋转控制头胶芯密封面寿命优化

欠平衡钻井起下钻过程中,旋转控制头胶芯受到交替循环载荷易发生疲劳失效。首先对旋转控制头的密封原理进行分析,得出了动态密封过程中胶芯的受力情况。然后对胶芯材料进行拉伸试验,确立了变形过程中Yeoh本构模型。再应用Abaqus软件建立了胶芯动态密封有限元模型,进行了起下钻过程中胶芯密封过程的模拟以及影响胶芯密封面疲劳寿命的因素进行了优化分析。对胶芯内径进行了优化,对不同外径钻杆应搭配的胶芯内径尺寸进行优化,得到了常用钻杆最优的钻杆胶芯组合。还对不同井口压力作用下钻杆下放和上提速度进行了优化,井压越大越容易造成胶芯疲劳失效,得出了不同压力条件下钻杆的安全下放和上提速度。最后按照中国标准在中国国家石油工业井控设备质量监督检验中心进行了室内密封试验以及现场应用试验证实了有限元优化的可靠性,对提高胶芯使用寿命和油田作业安全具有重要现实意义。     

基于灰色神经网络的旋转控制头深沟球轴承温度预测

由于井口、转盘、天车的中心偏差,旋转控制头深沟球轴承受到较大的侧向载荷,同时,由于摩擦扭矩的作用,深沟球轴承会产生大量的热,容易导致轴承温度过高而失效,降低旋转控制头现场生产安全性能。为了优选、及时更换润滑冷却介质,提高深沟球轴承使用寿命及旋转控制头整体工作性能,将深沟球轴承温度变化作为研究重点,以室内试验测得数据为样本,运用灰色神经网络方法,建立数学模型对深沟球轴承温度进行预测,并与BP神经网络预测结果作对比。结果表明:灰色神经网络模型预测精度高、稳定性好,且所需样本数据少,对深沟球轴承温度预测及旋转控制头冷却润滑系统设计具有重要的应用价值。     

蒸压釜Y形橡胶密封圈有限元分析及结构优化

采用有限元方法分析蒸压釜Y形橡胶密封圈在预安装、预压紧及工作状态下的变形与应力分布特性,结果表明蒸压釜密封槽密封腔的密封主要依靠Y形圈唇尖部位完成,同时该部位也最易损坏。分析蒸压釜Y形密封圈结构参数与密封圈应力变化之间规律,得到对Y形密封圈密封性能影响较大的结构参数,并通过正交试验方法对Y型密封圈进行结构优化。通过优化,在保证接触面可靠的接触压力的条件下降低了Von mises应力,且Von mises应力最大值位置由原来的密封唇尖转移到密封唇内侧,有效降低密封唇唇尖部位发生损坏的可能性;同时唇夹角的增大与Y形圈长度的减小可以达到节省材料的目的。因此,通过对Y形密封圈的优化达到了延长使用寿命、节省材料的目的。     

动态压力下旋转动密封结构有限元分析

利用大型有限元分析软件ABAQUS建立O形密封圈的三维有限元模型,在内轴转速为766r/min、逐步增加水压到2MPa的条件下,分析了动密封结构的Mises应力、接触压力和摩擦面升温幅度的变化情况。结果表明:随着水压的逐步增加,Mises应力逐渐增大,应力集中现象出现在内轴与密封圈的接触区域;接触压力也随着水压的增加而增大,且接触压力大于水压,能起到密封作用;摩擦面的升温幅度也随水压的增加而升高。根据分析结果对磨损面的磨损情况进行了预测,并与试验结果进行了对比,二者所得结果基本一致。     

压裂酸化封隔器胶筒结构密封性能分析与优化

封隔器是压裂酸化过程中的重要工具之一,而胶筒是封隔器的核心零部件,胶筒的好坏直接决定了封隔器的工作性能。针对压裂酸化用某Y344型封隔器利用有限元技术开展密封结构性能分析与优化研究,获得了胶筒对套管的接触压力分布规律,考虑接触压力与面积两个因素建立了结构密封性能评价方法,分析了胶筒长度与组数变化对密封性能的影响,为封隔器产品开发与使用提供了理论基础。     

基于三维离散元法的沥青混凝土切削过程数值分析

采用试验机对沥青混凝土进行单轴压缩实验,测得沥青混凝土的弹性模量和抗压强度。以沥青混凝土的胶浆理论为基础结合颗粒流软件内置的本构模型建立PFC3D中三维的切削模型并进行虚拟实验校核模型参数。在不同的切削速度、切入角、切削深度和进给速度的切削条件下采用单因素和正交试验法研究刀具受到的切削力。从正交试验分析得出了一组切削力较小的最优刀具参数,此时切削速度v_c=5 m/s、切入角γ_0=45°、切削深度a_p=5 mm、进给速度v_f=1.32 m/min。     

D形橡胶密封圈的有限元分析及改进

采用ABAQUS软件分析介质压力、预压缩率对D形橡胶密封圈的变形、接触应力、米塞斯应力和剪切应力的影响,并和近似尺寸的O形圈进行对比。通过分析发现:相比于O形圈,D形圈内部米塞斯应力作用范围更小,而其接触面宽度更大;不同介质压力下D形圈能获得更好的密封性能,但压力较低时其寿命将小于O形圈;在较小预压缩率下D形圈更易获得良好的密封效果,且寿命也更长;高预压缩率下D形圈仍能获得更好的密封效果,但更容易出现老化;在圆弧与矩形连接处添加圆角凸台,结构优化后可有效降低D形圈内部的米塞斯应力以及剪切应力,使其具有更长的使用寿命。     

X形变截面橡胶密封圈应力有限元分析

总结了X形变截面橡胶密封圈的特点,基于有限元分析理论,借助软件ANSYS对X形变截面橡胶密封圈进行有限元分析。建立了X形变截面橡胶密封圈有限元模形,比较了X形变截面和X形橡胶密封圈最大综合等效应力情况。结果显示:X形变截面密封圈的应力集中部位主要集中在组合面尖角处,特别是内尖角处更易损坏。在同等条件下,此类X形变截面密封圈比X形密封圈最大等效压力值都大。在压缩率一定条件下,其最大Von M ises应力随油压而增加。在油压一定条件下,最大Von M ises应力并不总随压缩率而增加。     

O形橡胶密封圈应力与接触压力的有限元分析

利用大型有限元软件ANSYS对O形橡胶密封圈在不同压缩率和油压下的变形与受力情况进行了分析研究,得出了相应情况下范.米塞斯(Von M ises)应力分布及接触压力与最大接触压力的变化关系。结果表明:随着油压的增加,范.米塞斯(Von M ises)应力相应增加,且应力峰区也相应改变,说明O形圈可能出现裂纹的位置是随着油压而变化的;O形橡胶密封圈与轴之间的最大接触压力随着压缩率、油压的增加而增加,在不同油压作用下,最大接触压力始终大于油压,满足O形圈的密封条件。     

螺旋槽丝锥的结构优化及有限元分析

针对丝锥在设计制造时存在的问题,在丝锥物理模型的基础上计算了切削力和丝锥侧面与工件挤压产生的摩擦力,建立了二者产生的扭矩与轴向力的预测模型。以攻丝扭矩模型中的最小扭矩为目标对丝锥几何结构参数进行优化,并运用DEFORM软件对优化后的三维模型进行仿真分析,验证了优化方法的正确性。     

封隔器胶筒接触应力的有限元分析

通过实测封隔器胶筒所用橡胶材料的应力应变数据，在ANSYS有限元分析软件中用超弹性本构模型对实验数据进行拟合，通过比较选择了能更精确描述封隔器胶筒的应力应变关系的Yeoh模型，进而对封隔器压缩式胶筒的接触应力进行了数值模拟，得到接触应力沿轴向的分布情况。     

连续油管防喷盒密封胶筒的结构优化

针对连续油管防喷盒密封胶筒存在的胶筒端部应力集中和磨损严重的问题,将胶筒内表面的几何形状优化为鼓型,并采用双胶筒来代替原密封结构中的等直径胶筒。采用有限元技术分析结构优化后胶筒的应力分布和密封性能。结果表明,防喷盒密封胶筒结构优化后,接触应力沿着胶筒内表面分布更加均匀,消除了胶筒在工作时端部受力集中的缺陷,同时胶筒密封性能提高了约30％。     

Yx形液压密封圈的有限元分析及结构优化

应用超弹性理论和非线性理论,采用有限元方法对Yx形液压密封圈的性能进行模拟,分析其失效的位置和模式,研究参数对密封性能的影响,提出结构优化模型。结果表明:Yx形密封圈工作时最大应力出现在上下唇交汇处,变形最大区域发生在Yx形开口靠近内唇处,其根部有较大的接触压力,并且可能发生咬伤现象;介质压力增大时,剪应力和最大接触压力明显增加;最大变形随初始压缩率的增加而线性增大,最大剪应力在压缩率为20%时达到最大;槽口圆角半径对Yx形密封圈密封性能的影响很小;摩擦因数增大时,最大剪切应力明显增加,但最大变形和最大接触压力都有减小的趋势。结构尺寸优化后,密封性能增强,接触宽度明显减小,密封圈根部摩擦和磨损得到改善,可以提高密封圈的使用寿命。     

柴油机缸盖结构有限元模态分析和模态测试

利用有限元分析软件ANSYS对造型十分复杂的某发动机缸盖结构建立了有限元模型,而后进行了自由模态分析计算,得到了该缸盖结构的低阶振动模态频率与模态振型.为验证模态分析模型的正确性,对该缸盖结构进行了模态试验测试,用锤击法对缸盖结构进行振动激励,利用测试软件获取缸盖结构的低阶振动模态频率与振型.通过有限元模态分析与模态测试结果的对比,验证了有限元模态分析模型与结果合理性,为该类型发动机缸盖结构设计与优化提供了参考依据.     

真空电子束焊机箱体有限元分析与结构优化

采用有限元法对某型号真空电子束焊机箱体高真空状态下最恶劣工况点进行了静力学分析,对比实测数据与仿真数据,指出了箱体的设计缺陷,改进了箱体结构,其受力与变形均得到了改善,有限元分析结果为真空电子束焊机箱体的结构设计与装备制造提供了理论依据与技术支持.