牙轮钻头径向非对称扁平密封性能研究

为了提高HAR橡胶密封圈寿命,提出一种新的径向非对称扁平密封结构。相比传统对称截面扁平密封圈,径向非对称截面的密封接触面积更小,因而减小了内圈动密封面旋转产生的热量以及磨损。通过试验对比氢化丁腈橡胶(HNBR)与丁腈橡胶(NBR)的性能,选择出合适的橡胶密封圈材料;分别建立径向非对称扁平密封圈与传统对称截面扁平密封圈的有限元模型,对比2种结构的密封性能;在不同的环境压力和温度下对径向非对称扁平密封圈的密封性能进行评价,并在现场进行应用验证。仿真结果表明:径向非对称扁平密封圈接触应力更大,密封性能更优;同时,其Mises应力明显低于传统对称截面扁平密封圈,证明径向非对称扁平密封更适合长期稳定工作。现场应用结果同样验证:在高温高压工况下,径向非对称扁平密封圈密封性能可靠,具有较高的实用价值。

扁平橡胶密封结构对比及有限元分析

对扁平密封结构设计进行核算、材料性能测试及结构有限元分析,并与常用O形密封圈进行对比。结果表明:扁平橡胶密封圈内径设计值可适当调整,其截面压缩率和总的压缩量较O形圈要小;其侧向稳定结构设计在牙轮轴向串动和有压差时,能防止在密封侧面在牙轮串动和压差存在时完全贴合于沟槽侧面,保持密封圈处于较合适的位置;有限元分析表明,在轴承内外压差的作用下扁平密封径向密封力增加迅速,在0.5 MPa时其径向密封力值与常用O形密封相当。扁平密封相比O形密封结构性能更加稳定,相同钻井工况下使用寿命更长。