高速牙轮钻头密封研究

摘要

该文设计采用端面-径向组合密封结构,即在一只钻头中同时布置端面和径向密封,采用非线性有限元方法对密封结构进行分析和优化.碟形密封圈属于端面密封元件,依造一定的轴向压缩量进行密封,由于端面内压力分布、温度分布不均,端面内的摩擦状况也不是处处相同.为改善碟形圈外径与牙轮的摩擦工况,更好地防止泥浆等有害物质的侵入,可将其外径略向上弯曲,弯边的长度及开口数可由实际工况的模拟来确定.改进的碟形密封圈不但具有端面密封能力,而且将具有一定的径向密封和擦拭功能.最常用的钻头轴承密封圈是单个O形圈,主要以丁腈橡胶制作.它与低速密封轴承钻头已基本匹配,但其失效不可避免.为此,普通矩形槽密封被尝试着改为具有一定弧度的弧形槽,当径向密封作用的O形圈被置于设计合理的弧形槽内,其受力、变形和摩擦状况均得到改善,有助于密封寿命的提高.有限元法对结构的分析和设计具有指导意义.通过矩形槽和弧形槽的对比研究发现,矩形槽O形圈在密封过程中出现两个高应力区,磨损发生在内径、外径两个表面上,弧形槽O形圈的高应力区仅出现在牙爪轴邻近的局部区域内,应力分布较前者更为均匀,磨损进发生在内径表面上,其受力变形状况的改善将使密封寿命进一步提高.该文的研究表明,在制约钻头寿命的轴承密封润滑系统中,采用端面-径向组合密封结构能够在一定程度上适应牙轮钻头转速提高的发展趋势.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1牙轮钻头轴承系统密封研究的必要性

1.2密封的基本原理

1.3轴承密封的研究方向

第二章橡胶的摩擦学特征

2.1橡胶的工程特点

2.2橡胶的摩擦

2.2.1摩擦的二项表达式

2.2.2影响摩擦系数的几个主要因素

2.3橡胶的磨损

2.3.1磨料磨损

2.3.2疲劳磨损

2.3.3卷筒形成磨损

2.3.4影响橡胶磨损的因素

2.4小结

第三章回转动密封的密封机理

3.1表面张力理论

3.2边界润滑理论

3.3泵吸作用

3.4流体动压润滑理论

3.5高-焦耳效应

3.6波度理论

3.7空化理论

3.8其它理论

第四章碟形密封圈的设计

4.1碟形弹簧

4.1.1新型碟形密封的结构特点

4.1.2碟形弹簧的计算公式

4.1.3 12 1/4″软地层牙轮钻头碟形弹簧的参数计算和疲劳校核

4.1.4碟形弹簧的技术要求

4.2碟形圈密封的摩擦特性

4.3碟形圈密封端面接触压力的计算

4.3.1碟形圈尺寸的确定

4.3.2端面接触力的计算

4.4碟形圈密封的性能要求

第五章O形密封圈的设计

5.1钻头轴承O形圈的一般工况

5.2 O形圈用作压缩密封的基本作用

5.3 O形圈的密封性能

5.3.1泄露量

5.3.3使用寿命

5.4 O形圈的压力平衡问题

5.5 12 1/4″软地层牙轮钻头O形圈密封参数的设计

5.5.1密封参数的计算

5.5.2对轴承径向密封设计进行重新评估核算

第六章有限元应力程序MARC对密封的分析

6.1 MARC程序介绍

6.1.1 MARC的特点

6.1.2弹塑性分析

6.1.3接触分析

6.1.4 MENTAT

6.2 MARC程序对碟形圈的有限元分析

6.3 MARC程序对O形圈的有限元分析

6.4 12 1/4″硬地高速牙轮钻头弧形密封槽相关尺寸的设计

6.5 12 1/4″高速牙轮钻头双密封组件设计

6.6小结

结论与建议

参考文献

致谢

声明

附图