【摘要】：牙輪鉆頭軸承密封結(jié)構(gòu)起到阻止鉆井液進入軸承腔、防止?jié)櫥孤兜淖饔?但隨著深井、超深井以及難鉆地層的不斷開發(fā),因密封失效而導(dǎo)致鉆頭失效的比例增加,因此需要提升牙輪鉆頭軸承密封結(jié)構(gòu)的密封性能來滿足高轉(zhuǎn)速、高鉆壓的鉆井需求。單金屬密封結(jié)構(gòu)作為常用的軸承密封結(jié)構(gòu)之一,具有軸向尺寸較小、密封結(jié)構(gòu)較簡單、靜密封面較少的特點,且適用于高溫、高壓和振動較強的工況。因此,本文主要針對現(xiàn)有單金屬密封結(jié)構(gòu)存在對中性差、動密封面接觸應(yīng)力分布不均勻的缺點,設(shè)計出新型密封結(jié)構(gòu)來提升單金屬密封結(jié)構(gòu)密封性能,并且對影響單金屬密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行研究。主要研究工作如下:(1)根據(jù)牙輪鉆頭軸承密封結(jié)構(gòu)的實際工作情況,分析O型密封結(jié)構(gòu)、雙金屬密封結(jié)構(gòu)、單金屬密封結(jié)構(gòu)、彈簧補償功能結(jié)構(gòu)、磁力密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點,并且分析了這五種密封結(jié)構(gòu)的失效形式;在確定單金屬密封結(jié)構(gòu)為本文分析結(jié)構(gòu)后,分析了單金屬密封結(jié)構(gòu)的密封機理,給出單金屬密封結(jié)構(gòu)的失效判定準(zhǔn)則,然后分析單金屬密封結(jié)構(gòu)安裝過程中軸向位移與接觸應(yīng)力的力學(xué)關(guān)系。(2)利用有限元分析法,對單金屬密封結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力進行研究,為了使結(jié)果與后文比較,建立了包含網(wǎng)格、材料、接觸設(shè)置和邊界條件的有限元分析規(guī)范以及評價方法。(3)研究了單金屬密封結(jié)構(gòu)不同軸向安裝位移、不同工況、不同摩擦系數(shù)、動密封面接觸長度、靜環(huán)斜面傾角、靜環(huán)高度、楔入角的變化對動密封面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。(4)選擇靜環(huán)斜面傾角、靜環(huán)高度和動密封面的接觸長度為優(yōu)化對象,利用正交實驗法來優(yōu)化單金屬密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),并且開展了密封結(jié)構(gòu)的敏感性研究,最終得到了單金屬密封結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。(5)針對現(xiàn)有單金屬密封結(jié)構(gòu)存在對中性差、接觸應(yīng)力小且接觸應(yīng)力分布呈外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低的缺點,在前文的優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上,設(shè)計出新型密封結(jié)構(gòu)。分析對比了不同弧形長度和球頭-錐面角度對動密封面接觸應(yīng)力的影響,并且得到最佳的弧形長度和球頭-錐面角度的組合。(6)對新型密封結(jié)構(gòu)的密封比壓和泄漏量進行了驗證,發(fā)現(xiàn)新型密封結(jié)構(gòu)的密封比壓符合使用要求,并且泄漏量小于出原始密封結(jié)構(gòu)。最后研究了 O型橡膠圈和橡膠支撐環(huán)硬度的變化對新型密封結(jié)構(gòu)動密封面接觸應(yīng)力的影響。通過本文的研究,證明了新型牙輪鉆頭軸承密封結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能。
【圖文】：

封都是有效途徑［１５］。逡逑２００９年，李生、孔繁軍針對現(xiàn)有的牙輪鉆頭所使用橡膠的性能容易受溫度逡逑影響等不足之處，提出了一種具有長期預(yù)緊力的磁力密封結(jié)構(gòu)，，如圖１－３。這個逡逑結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是放在密封槽內(nèi)的唇形密封圈為骨架形，能夠在鉆頭振動時維持在牙逡逑輪軸頸上運動，骨架的材料為磁性材料，通過耐熱強磁鐵的磁力保持了，使骨架逡逑與密封環(huán)具有良好的接觸［１６］。逡逑１－牙輪軸頸；２－唇形密封圈；３－密封環(huán)；４－耐熱強磁鐵；５？牙輪逡逑圖１－３新型密封結(jié)構(gòu)逡逑４逡逑

成多重密封［１４］。逡逑１逡逑圖１－２唇型密封圈逡逑２００８年，北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院張寶生通過研究Ｈｕｇｈｅｓ公司逡逑ＳＥＭＳ和ＳＥＭＳ２的結(jié)構(gòu)，提出了采用ＣＡＥ技術(shù)優(yōu)化密封端面、建立混合潤滑狀逡逑態(tài)下單金屬浮動密封的設(shè)計理論、通過表面強化提高摩擦副性能對研發(fā)單金屬密逡逑封都是有效途徑［１５］。逡逑２００９年，李生、孔繁軍針對現(xiàn)有的牙輪鉆頭所使用橡膠的性能容易受溫度逡逑影響等不足之處，提出了一種具有長期預(yù)緊力的磁力密封結(jié)構(gòu)，如圖１－３。這個逡逑結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是放在密封槽內(nèi)的唇形密封圈為骨架形，能夠在鉆頭振動時維持在牙逡逑輪軸頸上運動，骨架的材料為磁性材料，通過耐熱強磁鐵的磁力保持了，使骨架逡逑與密封環(huán)具有良好的接觸［１６］。逡逑１－牙輪軸頸；２－唇形密封圈；３－密封環(huán)；４－耐熱強磁鐵；５？牙輪逡逑圖１－３新型密封結(jié)構(gòu)逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE921.1

【參考文獻】

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本文編號：2605517