井下纠斜液压缸密封性能研究.pdf
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1、井下纠斜液压缸密封性能研究液压气动与密封/2 0 2 4年第3期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.006摘要:为提高纠斜液压缸的密封性能,设计了两种组合密封圈,研究其在不同液压油压力及液压油与泥浆压差下的等效应力、接触应力和摩擦力,并进行模拟实验。结果表明:随着钻探深度的增加,YR和WR形密封圈的最大等效应力、最大接触应力和摩擦力逐渐增大,但YR形密封圈的数值相对较小,接触应力分布相对均匀;压力补偿油箱内外压差对密封圈的性能影响较小,设计使用中可忽略;YR形密封圈的密封性能相对较好。关键词:井下;纠斜液压缸;组合密封圈;密封性能中图分类号:TB42;TH
2、137Sealing Performance of Hydraulic Cylinder for Weep Well Deviation Correction(1.School of Mechanical Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Suzhou Manfury Advanced Materials Co.,Ltd.,Suzhou 215515,China)Abstract:To enhance the sealing performance of the hydrauli
3、c cylinder,there are design two types of combined sealing rings.These rings wereexamined under various hydraulic oil pressures and pressure differences between the hydraulic oil and mud,and simulation experiments wereconducted.The findings indicate that as the drilling depth increases,the WR and YR
4、seals experience a gradual rise in maximum equivalentstress,maximum contact stress,and friction.However,the YR seals demonstrate relatively smaller values,along with a more uniformdistribution of contact stress.The impact of pressure difference between the internal and external compartments of the p
5、ressure compensationtank on the seal rings performance is negligible and can be disregarded during design and usage.Overall,the YR sealing ring exhibitscomparatively superior sealing performance.Key words:deep well;rectifying hydraulic cylinder;combined seal ring;performance of sealing0引言自动垂直钻井系统(Ve
6、rtical Drilling System,VD S)是一种自动检测并调整钻头方位角和倾斜角,能够确保井眼轨迹按照设计方向钻探的机-电-液集成装置。纠斜液压缸是自动垂直钻井系统的核心执行机构,通过活塞杆伸缩驱动推力块,作用于井壁,纠斜装置从井壁获得反作用力,来调整钻头的姿态,从而实现井眼轨迹控制。井下工况复杂,存在高压、高温、强震和强污染,纠斜液压缸活塞杆外伸端密封直接与泥浆接触,工程实践中常因该密封失效,进而引起自动垂直钻井系统失控 2-4。因此,研究提升纠斜液压缸活塞收稿日期:2 0 2 3-0 6-12基金项目:国家自然科学基金(5117 538 6)作者简介:汤思航(19 9 8-)
7、,男,江西上饶人,硕士研究生,研究方向为井下液控导向。30汤思航,潘玉迅?,胡(1.武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430 0 8 1;2.苏州美福瑞新材料科技有限公司,江苏苏州2 15515)文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 30-0 6TANG Si-hang,PAN Yu-xun,HU Lei,TANG Ying-da,CHEN Xin-yuan磊?,唐颖达,陈新元杆外伸端的密封性能具有重要意义。文献 5-9 介绍了常规工况下的液压密封性能分析方法。贺秋云等研究了高温、高压环境下,材料对密封性能的影响 10 ;杜宸宇等建立了弹性金属密
8、封环力学特性数值模型,研究发现U形和W形环具有良好的回弹性能。吴义博等通过密封圈的结构优化,提高了井下密封性能 2 。侯勇俊等通过有限元模型和流-固耦合方法研究了活塞皮碗的受力情况,并探讨了过盈量和唇角尺寸对密封性能的影响 13。张晓东等分析了钻探深度对双Y形圈密封性能的影响 14。彭永洪等研究了井下密封圈失效的原因,并给出改进措施 15。参考上述文献,结合多次下井实验结果的分析,新设计了两种组合密封圈,并对其进行密封性能的分析、实验对比。1YR 和WR形密封圈的结构尺寸由于纠斜液压系统是嵌入式安装在空心钻杆的圆Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024筒壁内,
9、空间狭小,纠斜液压缸轴向尺寸受限,前端盖存在着各种复杂的非线性问题 16 。Mooney-Rivlin 模厚度只允许10 mm,活塞杆处无法设计复杂的密封系型是目前采用的最多的橡胶材料模型,应变能函数形统。纠斜液压缸局部结构如图1所示(p。为供油压力,式如下所示:PI为回油压力),活塞、活塞杆两处安装有密封,其中活W=Cio(I-3)+Cor(I2-3)塞杆处密封槽设计宽度为5mm。式中,W一一应变能密度28.81,l一一第一,第二张量不变量23.522YR形密封圈缸筒碟簧、活塞格莱圈缸底、图1纠斜液压缸局部结构简图根据活塞杆密封槽的最大空间,设计了YR 和WR形密封圈尺寸如图2 和图3所示。
10、21.8780.40.4图2 YR形密封圈21.853St00.6图3WR形密封圈2YR形密封圈有限元分析模型2.1几何模型本研究根据纠斜液压缸的实际结构建立Y形圈、防尘圈、密封槽和活塞杆的二维轴对称模型,如图4所示。2.2材料仿真模型及参数选择Y形圈为丁腈橡胶(NBR),实际应用中,橡胶材料(1)Clo,Coi材料的Mooney-Rivlin系数,分别为4.4349 MPa 和 2.6 52 9 MPa17防尘圈采用聚四氟乙烯(PTFE),活塞杆和密封槽Pi防尘圈Y形圈。Poll21.2429.4采用42 CrMo。相关参数如表1所示。防尘圈一活塞杆图4YR形密封圈二维轴对称模型1.5表1容
11、密封圈及边界材料的力学性能参数2.1材料541.581.98Y形圈密封槽弹性模量E/MPa泊松比从42CrMo(活塞杆和密封槽)2.12 105聚四氟乙烯(防尘圈)227丁橡胶(Y形圈)7.82.3边界条件确定实际工作中,YR形密封圈受到内部液压油压力Pi作用,同时受到外部泥浆压力P2作用。纠斜系统中的压力补偿油箱在工作过程中会产生微小压力波动,导致系统内部液压油和外部泥浆会产生压差,压差的大3340.280.420.499小会随着钻探深度的而增大。当钻探深度达到本研究设计目标井深30 0 0 m时,压差Ap可达到1MPa左右。在对边界条件进行定义时,加载分为二步进行:第一步,固定密封槽,活塞
12、杆往X轴正方向移动,给YR形密封圈一定的压缩量,模拟密封圈的初始安装状态;第二步,在装配完成的基础上,再对YR形密封圈施加内部液压油压力pi以及外部泥浆压力P2。在仿真软件中采用流体压力渗透法加载压力载荷,由暴露于流体中的起始点开始加载(箭头指向的位置为起始点如图4所示),并向两边不断渗透递进,该方式能够真实地模拟实际工作中流体加载的过程 19 31液压气动与密封/2 0 2 4年第3期YR形密封圈仿真分析3等效应力决定密封圈结构完整性,接触应力决定摩擦力的大小和密封性能。下面对于密封圈的等效应力、接触应力p和摩擦力进行具体分析。3.1等效应力与液压油压力及压差的关系图5为YR 形密封圈在不同
13、液压油压力下液压油和泥浆之间的压差为 MPa 时的等效应力云图。不同液压油压力及液压油与泥浆压差下YR形密封圈的最大等效应力,如图6 所示。图中表明:YR形密封圈的最大等效应力区域会随着液压油压力的增大而发生改变;随着液压油压力的增大,YR形密封圈的最大等效应力逐渐增大;随着液压油与泥浆压差的增大,YR形密封圈的最大等效应力会有略微增大。80.058最大71.17962.30153.42344.54435.66626.78817.9099.03090.15254量小(a)20 MPa图5YR形密封圈等效应力云图120-1 MPa0MPa1 MPa100F8060图6 不同液压油压力及压差下的最
14、大等效应力3.2接触应力与液压油压力及压差的关系图7 为YR形密封圈在不同液压油压力下液压油和泥浆之间的压差为OMPa时沿轴向接触面处接触应力的云图。不同液压油压力及液压油与泥浆压差下YR形密封圈的最大接触应力如图8 所示,接触应力沿轴向的分布如图9 和图10 所示。图中表明:YR形密封圈接触面处的最大接触应力随着液压油压力的增大而增大,并且始终满足接触面处的最大接触应力始终大于内部液压油压力;随着液压油与泥浆压差的增大,YR形密封圈的最大接触应力和接触应力分布会有略微改变。3297.291最大86.48175.67164.86154.05143.2432.4321.6210.810小(a)2
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