液压抽油系统哑铃型密封圈设计与分析.pdf

2 0 1 3年 2月 第 3 8卷 第 2期 润滑与密封 L UBRI CAT I ON ENGI NEERI NG F e b． 2 01 3 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 2 0 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 1 0 0 0 8 3 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 1 6 MP a 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 T t M2 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 3 2 0 8 7 4 De s i g n a n d An a l y s i s o f Dumb be l l - s h a pe d Se a l Ri n g o f Hy dr a ul i c Oi l Pu mp i ng S y s t e m Z h u S h i d o n g Z h a n g J ia n j u n L i u Me n g S h i J u n f e n g Z h a o R u id o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n D e v e l o p m e n t ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e h y d r a u l i c o i l p u mp i n g s y s t e m wi t h wa t e r a s p o we r fl u i d， t h e c o n v e n t i o n a l O rin g a n d o t h e r s e a l i n g tin g s c a n n o t me e t t h e s e a l i n g r e q u i r e me n t s o f n o t c o l l u s i o n f o r h i g h a n d l o w p r e s s u r e fl u i d． A n e w t y p e o f d u mb b e l l s h a p e d s e al rin g wa s d e s i g n e d a n d i t s s e ali n g me c h a n i s m wa s a n a l y z e d ． T h e c o n t a c t d e f o r ma t i o n an d t h e c o n t a c t s t r e s s d i s t rib u t i o n o n t h e c o n t a c t s e ali n g i n t e r f a c e u n d e r t h e a c t i o n o f t h e l i q u i d p r e s s u r e we r e a n a l y z e d b y f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i gn e d d u mb b e l l - s h a p e d s e ali n g s t r u c t u r e c a n me e t t h e s e a l i n g r e q u i r e me n t s o f 1 6 MP a d i f f e r e n t i al p r e s s u r e o f t h e h y d r a u l i c o i l p u mp i n g s y s t e m． Ke y wo r d s d u mb b e l l s h a p e d s e a l rin g； s e a l i n g p rin c i p l e； c o n t a c t s t r e s s ； h y d r a u l i c p u mp 目前常规液压泵在高压与低压之间的静密封一般 采用 O型橡胶密封圈，在中高压时为防止密封圈挤 出，一般采用 O型密封圈与塑料挡圈组合的密封结 构。挡圈的形式大多为矩形挡圈，在 国外新型的 △ 型挡圈 已广泛地应用于 中高 、压密封 ⋯。水力活塞泵 主要以油作为动力液 ，密封结构主要采用组合聚四氟 乙烯矩形密封 圈 ，其 密封带长度在 1 5 m m以上 ， 在结构上需设计高压流道 ，工作时需引入高压流体才 能完成密 封。这 种密 封 方式 影 响 了活塞 泵 的整 体 长 度，因此水力活塞泵在斜井 中的应用受到一定 的限 制 。然而在以水作为动力液的液压抽油系统中，一 方面系统工作环境恶劣 ，一般在井下 1 0 0 0 m工作 ， 工作 温度达到 8 0～ i 0 0℃ ；另一方 面液压抽油泵 由泵 芯和工作筒组成，泵芯和工作筒 内部有高压低压流 道，在下泵过程中，泵芯上的密封圈需通过工作筒上 基金项目中石油勘探与生产公司项 目 1 0 1 0 0 2 1 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 1 6 作者简介朱拾东 1 9 8 6 一 ，硕士研究生 ，从事新型无杆人工 举升设计与研究．E m a i l z h u s h i d o n g o k 1 6 3 ． c o m． 的孔 ，如采用常规的橡胶 O型圈以及现有的其他密 封结构，在下泵的过程中，0型圈在过孔时会受到损 坏，当泵芯座封时，密封圈不能生效，不能满足液压 抽油系统的要求。 针对以水作为动力液的液压抽油系统中现有的密 封结构存在的问题，设计了一种哑铃型密封结构，研究 了该密封结构的密封原理，利用有限元软件分析了该密 封结构在座封和液体作用下的接触变形和应力分布。 I 哑铃型密封结构及工作原理 该液压抽油泵由工作筒与泵芯组成，图1 示出了 工作筒、泵芯以及密封结构的简图，最外层的是工作 筒 ，内部是带有密封槽的泵芯 ，泵芯从工作筒向下， 需经过工作筒上的通孔 ，现有 的密封方式过孑 L 之后， 会有一定的破坏甚至失效。新设计的密封结构中，密 封槽 内装有 矩形 挡 圈 和哑铃 型 密封 圈 ，泵芯 直径 为 5 9 m m，工作筒的内径为 5 9 ． 4 m m，密封槽长度为 1 1 m m，深度为 3 ． 8 m m，挡圈厚度为 2 m m，密封槽的 各边线倒圆角为 R 0 ． 3 m m，孔内边线倒圆角为 R 0 ． 5 m m。通过内孔倒圆角 ，密封结构一侧采用挡板的形 式 ，能解决过孔破坏的问题。 润滑与密封 第3 8卷 ／ 『 l 图 1 哑铃型密封结构图 Fi g 1 Dumb b e l l s h a p e d s e a l s t r u c t u r e 挡圈采用聚四氟乙烯 ，聚四氟乙烯是一种高性能 密封材料 ，其具有化学性稳定性好 ，电绝缘性高，非 黏着性和自润滑性好以及摩擦因数低等特性。哑铃型 密封圈材料采用氢化丁腈橡胶 H N B R 。氢化丁腈 橡胶 H N B R与传统的丁腈橡胶 N B R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 N B R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 好的动态性能等 ，是目前最具发展潜力的橡胶品种之 一 ，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2是哑铃型密封圈的密封原理 图 ，挡圈在安装 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， 也有一定的预压缩量 ，与内壁之间没有间隙，与工作 筒之间存在一定的间隙6 。哑铃圈与右侧密封槽之 间认为存在一定的间隙6 。挡圈左侧为低压区，右侧 为高压区。在液体的压力作用下，产生缝隙流，如图 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 在，密封圈两侧存在压差 卸 ，在流体压差的作用下 ， 密封圈右侧压力大于左侧压力，密封圈压缩，6 增 大，而 6 减少 ，最终 6 为 0 ，密封圈紧贴工作筒 ， 实现了高压区与低压区的分隔，完成密封。 低 压 区 图 2 哑铃型密封结构密封示意图 F i g 2 S k e t c h o f t h e d umb b e l l s h a p e d s e a l s t r uc t u r e 2 模型 的建立 2 ． 1 密封 结构 实体模型 为了进一步揭示哑铃型密封圈的密封作用，采用 哑 铃 型圈 s o l i d w o r k s 中的 s i m u l a t i o n软 件进行 有 限元计 算分 析 。 首先利用s o l i d w o r k s 建立了密封结构的三维实体模型， 如图3所示，模型由泵芯、工作筒 、挡圈 、哑铃型圈 组成，模型进行了简化处理。 工 二 ll 型圈 图 3 密封结构三维实体模型 F i g 3 Th r e e d i me n s i o na l s o l i d mo d e l o f t h e s e al s t r u c t u r e 2 ． 2 M o o n e y R i v l i n 模 型参数确定 确定弹性材料的非线性特性是困难的，但由于应 变能密度用于大弹性变形的几种类本构理论的发展， 已经应 用 于超 弹性材 料。对 于此 类密 封 圈 ，可 以用 M o o n e y R i v l i n 模型来求解。 w i ， ， 2 ∑c ， 一 3 ， 2 3 1 式中W为应变能密度；C o 为 Mo o n e yR i v l i n系数； ， ． ， 为第 1 、第 2 G r e e n应变不变量。 ， 1 A A A 2 1 2 A A 2 A 2 A 3 A 3 A 3 对于大多数橡胶而言，多采用 2参数的 Mo o n e y R i v l i n 模 型 ，即式 1 变为 W C 1 0 ， 。 一3 C 0 1 1 2 3 4 式 中c 。 和 C 0 为 M o o n e yR i v l i n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 硬度 、剪切试验的应力 一 应变曲线 、儋州拉伸试验曲 线、经验公式等，在此利用经验公式进行确定 。 C 0 ． 2 5 C 。 5 6 C l o C o E 6 这样就确定 了 Mo o n e yR i v l i n模型中的两参数 润滑与密封 第 3 8 卷 图 7为 哑 铃 型 圈 径 向 位 移 图 ，最 大 位 移 为 0 ． 2 0 0 ． 0 0 目 。 0 2 0 ．0 ． 4 0 ≈ ．O ． 6 0 0 ． 8 0 -1 ． O0 图7 密封圈径向位移 Fi g 7 S e a l i n g r i n g r a di a l d i s p l a c e me n t 4结论 为了解决常规密封方式不能过孔的问题，设计了 新型的哑铃型密封方式； 建立了该密封结构的三维实 体模型，分析了该密封结构的密封原理，并且建立了 该密封结构的轴对称非线性有限元模型； 通过模拟分 析，得到了哑铃型密封圈以及挡圈的V o n M i s e s 应力 分布和径向位移分布图。通过与 0型密封圈失效准 则进行对比表明，该密封方式能满足密封要求，该结 构可以广泛应用于油田的高压设备之中，也可以应用 于其他工程机械及插装阀等液压缸设备 ，具有很好的 应用前景。 参考文献 【 1 】揭亮， 张秋翔 ， 蔡纪 宁， 等． 新 型辅助密封圈的有 限元分析 [ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 9 ， 3 4 2 3 8 4 0 ． J i e L i a n g ， Z h a n g Q i u x i a n g ， C a i J i n i n g ， e t a 1 ．F i n it e e l e me n t a n a l y s i s o f a n e w t y p e a u x il i a r y s e a l r i n g [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 2 3 8 4 0 ． 【 2 】罗英俊 ， 万仁溥． 采油技术手册 第三册[ M] ． 北京 石油工 业 出版社， 2 0 0 4 ． 【 3 】陈宪侃 ， 万仁溥 ， 周赤烽 ， 等． 国内外水力活塞泵应用分析 [ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 1 1 ， 3 3 5 1 2 1 1 2 4 ． 算例 名称 a s m3 图解 类 型 非线 性位移位 移l 图解步 长 1 1 时 间 0 ． 5 7 1 8 7 5 s 参 考几 何 体 基 准 轴 1 ／ ＼ ， ／ | | | 1 65 l l 6 2 7 6 0 l 5 5 7 l 5 4 2 8 8 节 一H ／ ram 一1 ． 505 78 ，0． 292 72 7 Ch e n Xi a n k a n，Wa n Re n p u， Zh o u Ch i f e n g，e t a 1 ．Ap p l i c a t i o n a n a l y s i s o f h y d r a u l i c p i s t o n p u m p a t h o m e [ J ] ． O i l D ri l l i n g＆ P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 3 3 5 1 2 1 1 2 4 ． 盛敬超． 液压流体力学[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． 谭晶， 杨卫民， 丁玉梅 ， 等． 矩形橡胶密封圈的有限元分析 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 7 ， 3 2 2 3 6 3 9 ． T a n J i n g ， Ya n g We i mi n ， D i n g Y u m e i ， e t a 1 ． F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f r e c t a n g u l a r r u b b e r s e a l s [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7， 3 2 2 3 63 9 ． 王伟 ， 邓涛， 赵树高． 橡胶 M o o n e y R i v l i n模型中材料常数的 确定 [ J ] ． 特种橡胶制品， 2 0 0 4 ， 2 5 4 8 1 0 ． Wa n g We i ， De n g T a o， Zh a o S h u g a o ． T h e d e t e r mi n a t i o n o f ma t e r i a l c o n s t a n t s i n t h e rub b e r M o o n e y - R i v l i n m o d e l [ J ] ． S p e c i a l P u r p o s e R u b e r P r o d u c t s ， 2 0 0 4， 2 5 4 81 0 ． 胡殿印， 王荣桥， 任全彬 ， 等． 橡胶 O型圈密封结构的有限 元分析 [ J ] ． 北京航 空航 天大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 1 2 2 5 5 2 6 0． Hu D i a n y i n ， Wa n g Ro n g q i a o ， R e n Q u a n b i n ， e t a 1 ．F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f O ri n g s e a l s t ruc t u r e [ J ] ． J o u r n a l o f B e ij i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ， 2 0 0 5 ， 3 1 2 2 5 5 2 6 0． 上接第5 2页 【 1 2 】S u r y a n a r a y a n a n S ， M o r r i s o n G L ． E ff e c t o f t o o t h h e i g h t ， t o o t h wi d t h a nd s h a f t d i a me t e r o n c a r r y o v e r c o e ffic i e n t o f l a b y rin t h s e a l s [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f A S M E T u r b o E x p o 2 0 0 9 P o w e r f o r L a n d ， S e a a n d Ai r ， J u n e 81 2， 2 0 0 9， O r l a n d o ， F l o ri d a ， U S A． Ne w Yo r k AS ME， 2 0 0 9． 【 l 3 】S u r y a n a r a y a n a n S ， M o r r i s o n G L ． Lab y ri n t h s e a l d i s c h a r g e c o e ffic i e n t fo r r e c t a n g u l a r c a v i t i e s[ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e AS ME 2 0 0 9 F l ui d s E n g i n e e rin g Di v i s i o n S u mme r Me e t i n g， Au g us t 26， 2 0 0 9， Va i l ， Co l o r a d o， USA．Ne w Yo r k AS ME， 2 0 0 9． 【 l 4 】S c h r a m m V， Wi i l e n b o r g K， K i m S e t a 1 ． I n f l u e n c e o f a h o n e y - c o m b f a c i n g o n t h e fl o w t h r o u g h a s t e p p e d l a b y ri n t h s e a l [ J ] ． A S ME J ． E n g ． G a s T u r b i n e P o w e r ， 2 0 0 0， 1 2 4 1 4 01 4 6 ． 【 1 5 】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 ， 2 0 0 8 ， 4 2 7 8 2 3 8 6 9 ． Ya n Xi n， L i J u n ， S o n g L i mi n g ． S t u d y o n fl o w a n d t o t a l t e m p e r a t u r e i n c r e a s e o f h o n e y c o m b l a b y r i n t h s e a l s [ J ] ． J o u r n a l o f x i ’ a n J i a o t o n g U n i v e rsi t y ， 2 0 0 8 ， 4 2 7 8 2 38 6 9 ． 【 l 6 】晏鑫， 李军， 丰镇平． 预旋对蜂窝密封和迷宫密封内流动传 热特性影响[ J ] ． 航空动力学报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 4 7 7 2 7 7 6 ． Ya n Xi n， L i J u n， F e n g Z h e n p in g ． I n fl u e n c e o f i n l e t p r e s w i r l o n d i s c ha r g e a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e ris t i c s o f h o n e y c o mb a n d s m o o t h l a b y ri n t h s e a l s l J 1 ． J o u r n a l o f A e r o s p a c e P o w e r ， 2 0 0 9 ， 2 4 4 7 7 2 7 7 6 ． n m 0 站 尥 蚰 卵 9 9 I冁 ． 0黼瓣 ■■ ， j， j 1 J 1 J