液压抽油系统哑铃型密封圈设计与分析

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2013年2月润滑与密封Feb．2013第38卷第2期LUBRICATIONENGINEERINGVo1．38No．2DOI：10．3969／j．issn．0254—0150．2013．02．020液压抽油系统哑铃型密封圈设计与分析朱拾东张建军刘猛师峻峰赵瑞东(中国石油勘探开发研究院北京100083)摘要：在以水作为动力液介质的液压抽油系统中，常规的O型密封圈及其他密封圈都不能满足高、低压流体之间不串通的密封要求。设计了一种新型的哑铃型密封结构，并分析其密封机制；利用有限元软件分析在液体压力作用下密封圈的接触变形、接触密封界面上的接触应力分布。结果表明，设计的哑铃型密封结构可以满足要求液压抽油系统16MPa压差的密封要求。关键词：哑铃型密封圈；密封原理；接触应力；液压泵中图分类号：TtM2文献标识码：A文章编号：0254—0150(2013)2—087—4DesignandAnalysisofDumbbell-shapedSealRingofHydraulicOilPumpingSystemZhuShidongZhangJianjunLiuMengShiJunfengZhaoRuidong(ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development，Beijing100083，China)Abstract：Inthehydraulicoilpumpingsystemwithwateraspowerfluid，theconventionalO—ringandothersealingtingscannotmeetthesealingrequirementsofnotcollusionforhighandlowpressurefluid．Anewtypeofdumbbell—shapedsealringwasdesignedanditssealingmechanismwasanalyzed．Thecontactdeformationandthecontactstressdistributiononthecontactsealinginterfaceundertheactionoftheliquidpressurewereanalyzedbyfiniteelementanalysissoftware．Theresultsshowthatthedesigneddumbbell-shapedsealingstructurecanmeetthesealingrequirementsof16MPadifferentialpressureofthehydraulicoilpumpingsystem．Keywords：dumbbell—shapedsealring；sealingprinciple；contactstress；hydraulicpump目前常规液压泵在高压与低压之间的静密封一般的孔，如采用常规的橡胶O型圈以及现有的其他密采用O型橡胶密封圈，在中高压时为防止密封圈挤封结构，在下泵的过程中，0型圈在过孔时会受到损出，一般采用O型密封圈与塑料挡圈组合的密封结坏，当泵芯座封时，密封圈不能生效，不能满足液压构。挡圈的形式大多为矩形挡圈，在国外新型的△抽油系统的要求。型挡圈已广泛地应用于中高、压密封⋯。水力活塞泵针对以水作为动力液的液压抽油系统中现有的密主要以油作为动力液，密封结构主要采用组合聚四氟封结构存在的问题，设计了一种哑铃型密封结构，研究乙烯矩形密封圈，其密封带长度在15mm以上，了该密封结构的密封原理，利用有限元软件分析了该密在结构上需设计高压流道，工作时需引入高压流体才封结构在座封和液体作用下的接触变形和应力分布。能完成密封。这种密封方式影响了活塞泵的整体长I哑铃型密封结构及工作原理度，因此水力活塞泵在斜井中的应用受到一定的限该液压抽油泵由工作筒与泵芯组成，图1示出了制。然而在以水作为动力液的液压抽油系统中，一工作筒、泵芯以及密封结构的简图，最外层的是工作方面系统工作环境恶劣，一般在井下1000m工作，筒，内部是带有密封槽的泵芯，泵芯从工作筒向下，工作温度达到80～i00℃；另一方面液压抽油泵由泵需经过工作筒上的通孔，现有的密封方式过孑L之后，芯和工作筒组成，泵芯和工作筒内部有高压低压流会有一定的破坏甚至失效。新设计的密封结构中，密道，在下泵过程中，泵芯上的密封圈需通过工作筒上封槽内装有矩形挡圈和哑铃型密封圈，泵芯直径为59mm，工作筒的内径为59．4mm，密封槽长度为11mm，深度为3．8mm，挡圈厚度为2mm，密封槽的基金项目：中石油勘探与生产公司项目(101002~1)．收稿日期：2012—08—16各边线倒圆角为R0．3mm，孔内边线倒圆角为R0．5作者简介：朱拾东(1986一)，硕士研究生，从事新型无杆人工mm。通过内孔倒圆角，密封结构一侧采用挡板的形举升设计与研究．E—mail：zhushidongok@163．com．式，能解决过孔破坏的问题。 润滑与密封第38卷／『l<哑铃型圈图1哑铃型密封结构图Fig1Dumbbell—shapedsealstructure挡圈采用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯是一种高性能solidworks中的simulation软件进行有限元计算分析。密封材料，其具有化学性稳定性好，电绝缘性高，非首先利用solidworks建立了密封结构的三维实体模型，黏着性和自润滑性好以及摩擦因数低等特性。哑铃型如图3所示，模型由泵芯、工作筒、挡圈、哑铃型圈密封圈材料采用氢化丁腈橡胶(HNBR)。氢化丁腈组成，模型进行了简化处理。橡胶(HNBR)与传统的丁腈橡胶(NBR)相比，其分子结构中含有少量或不含碳碳双键(C—c)，不仅具有NBR的耐油、耐磨、耐低温等性能，而且还具有更优异的耐热氧老化、耐臭氧、耐化学介质、良工好的动态性能等，是目前最具发展潜力的橡胶品种之一二ll型圈，在许多方面已取代了氟橡胶等特种橡胶，广泛地应用于各行各业。图3密封结构三维实体模型图2是哑铃型密封圈的密封原理图，挡圈在安装Fig3Three—dimensionalsolidmodelofthesealstructure时有一定的预压缩量，可认为内壁紧贴密封槽内壁，外壁与工作筒之间有一定的间隙。哑铃圈在安装时，2．2Mooney—Rivlin模型参数确定也有一定的预压缩量，与内壁之间没有间隙，与工作确定弹性材料的非线性特性是困难的，但由于应筒之间存在一定的间隙6。哑铃圈与右侧密封槽之变能密度用于大弹性变形的几种类本构理论的发展，间认为存在一定的间隙6：。挡圈左侧为低压区，右侧已经应用于超弹性材料。对于此类密封圈，可以用为高压区。在液体的压力作用下，产生缝隙流，如图Mooney—Rivlin模型来求解。2所示。缝隙流动往往是层流，缝隙中的液体压力沿流动方向呈线性分布。由于高压区和低压区的存w(i，，2)：∑c(，一3)(，2—3)(1)在，密封圈两侧存在压差卸，在流体压差的作用下，式中：W为应变能密度；Co~为Mooney—Rivlin系数；密封圈右侧压力大于左侧压力，密封圈压缩，6增，．，为第1、第2Green应变不变量。大，而6减少，最终6为0，密封圈紧贴工作筒，，1=A+A+A(2)实现了高压区与低压区的分隔，完成密封。12=(AA2)+(A2A3)+(A3A)(3)对于大多数橡胶而言，多采用2参数的Mooney—低Rivlin模型，即式(1)变为：压W=C10(，。一3)+C01(12—3)(4)区式中：c。和C0为Mooney—Rivlin系数，均为正定常数。C。和C。可以有多种方法确定，可以利用橡胶的图2哑铃型密封结构密封示意图硬度、剪切试验的应力一应变曲线、儋州拉伸试验曲Fig2Sketchofthedumbbell—shapedsealstructure线、经验公式等，在此利用经验公式进行确定。2模型的建立C=0．25C。(5)2．1密封结构实体模型6(Clo+Co)=E(6)为了进一步揭示哑铃型密封圈的密封作用，采用这样就确定了Mooney—Rivlin模型中的两参数 润滑与密封第38卷图7为哑铃型圈径向位移图，最大位移为算例名称：asm3图解类型：非线性位移位移l图解步长：11时间：0．571875s参考几何体：基准轴10．20／＼，／0．00目。0·20|．0．40≈|．O．60|—0．80-1．O0165ll627#60l557l542#88节一H／(ram)一1．50578，0．292727图7密封圈径向位移Fig7Sealingringradialdisplacement4结论ChenXiankan，WanRenpu，ZhouChifeng，eta1．Application为了解决常规密封方式不能过孔的问题，设计了analysisofhydraulicpistonpumpathome[J]．OilDrilling＆9n9m¨I0冁．站0黼瓣¨尥蚰■卵■，j，j1J1J新型的哑铃型密封方式；建立了该密封结构的三维实ProductionTechnology，2011，33(5)：121—124．盛敬超．液压流体力学[M]．北京：机械工业出版社，1987．体模型，分析了该密封结构的密封原理，并且建立了谭晶，杨卫民，丁玉梅，等．矩形橡胶密封圈的有限元分析该密封结构的轴对称非线性有限元模型；通过模拟分[J]．润滑与密封，2007，32(2)：36—39．析，得到了哑铃型密封圈以及挡圈的VonMises应力TanJing，YangWeimin，DingYumei，eta1．Finiteelementanal—分布和径向位移分布图。通过与0型密封圈失效准ysisofrectangularrubberseals[J]．LubricationEngineering，则进行对比表明，该密封方式能满足密封要求，该结2007，32(2)：36—39．构可以广泛应用于油田的高压设备之中，也可以应用王伟，邓涛，赵树高．橡胶Mooney—Rivlin模型中材料常数的于其他工程机械及插装阀等液压缸设备，具有很好的确定[J]．特种橡胶制品，2004，25(4)：8—10．应用前景。WangWei，DengTao，ZhaoShugao．Thedeterminationofmate—参考文献rialconstantsintherubberMooney-Rivlinmodel[J]．Special【1】揭亮，张秋翔，蔡纪宁，等．新型辅助密封圈的有限元分析PurposeRuberProducts，2004，25(4)：8—10．[J]．润滑与密封，2009，34(2)：38—40．胡殿印，王荣桥，任全彬，等．橡胶O型圈密封结构的有限JieLiang，ZhangQiuxiang，CaiJining，eta1．Finiteelement元分析[J]．北京航空航天大学学报，2005，31(2)：255—analysisofanewtypeauxiliarysealring[J]．LubricationEngi—260．neering，2009，34(2)：38—40．【2】罗英俊，万仁溥．采油技术手册：第三册[M]．北京：石油工HuDianyin，WangRongqiao，RenQuanbin，eta1．Finiteele—业出版社，2004．mentanalysisofO—ringsealstructure[J]．JournalofBeijing【3】陈宪侃，万仁溥，周赤烽，等．国内外水力活塞泵应用分析UniversityofAeronauticsandAstronautics，2005，31(2)：255—[J]．石油钻采工艺，2011，33(5)：121—124．260．(上接第52页)comb—facingontheflowthroughasteppedlabyrinthseal[J]．ASMEJ．Eng．GasTurbinePower，2000，124：140—146．【12】SuryanarayananS，MorrisonGL．Efectoftoothheight，toothwidthandshaftdiameteroncarry—overcoeficientoflabyrinth【15】晏鑫，李军，宋立明．蜂窝面迷宫密封内流动和总温升特性的研究[J]．西安交通大学学报，2008，42(7)：823—869．seals[C]／／ProceedingsofASMETurboExpo2009：PowerforYanXin，LiJun，SongLiming．Studyonflowandtotaltemper—Land，SeaandAir，June8—12，2009，Orlando，Florida，USA．atureincreaseofhoneycomblabyrinthseals[J]．JournalofNewYork：ASME，2009．xi’anJiaotongUniversity，2008，42(7)：823—869．【l3】SuryanarayananS，MorrisonGL．Labyrinthsealdischargeco—【l6】晏鑫，李军，丰镇平．预旋对蜂窝密封和迷宫密封内流动传eficientforrectangularcavities[C]／／Proceedingsofthe热特性影响[J]．航空动力学报，2009，24(4)：772—776．ASME2009FluidsEngineeringDivisionSummerMeeting，YanXin，LiJun，FengZhenping．InfluenceofinletpreswirlonAugust2—6，2009，Vail，Colorado，USA．NewYork：ASME，dischargeandheattransfercharacteristicsofhoneycomband2009．smoothlabyrinthsealslJ1．JournalofAerospacePower，2009，【l4】SchrammV，WiilenborgK，KimSeta1．Influenceofahoney-24(4)：772—776．