采用ANSYS軟件建立單金屬密封的分析模型，分析在低壓和高壓情況下，丁晴橡膠O型圈硬度、橡膠支撐環(huán)硬度和動環(huán)傾斜面斜度3種關(guān)鍵參數(shù)對動靜環(huán)端面接觸應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：單金屬密封的密封面接觸應(yīng)力在低壓工況下由內(nèi)向外逐漸增大，在高壓工況下則呈現(xiàn)出邊緣突變、中間平緩的分布狀況；O 型圈硬度和橡膠支撐環(huán)硬度較小時，動靜環(huán)接觸應(yīng)力分布越平緩，有利于降低密封端面的磨損，提高密封工作壽命；動環(huán)傾斜面斜度越大，密封端面接觸應(yīng)力越小且應(yīng)力分布越平緩，可有效提高密封性能。

　　隨著淺層油氣資源的日益減少，油氣勘探開發(fā)正朝著深部底層和深水海洋地層進行。在深井和超深井環(huán)境下，各種井下工具承受著外部高壓鉆井液的作用，旋轉(zhuǎn)動密封的工作壽命則直接影響著鉆井工具的工作壽命。單金屬密封作為一種具有耐高溫、耐磨損和抗振動性能的旋轉(zhuǎn)動密封，廣泛地應(yīng)用于石油、礦山、航空等領(lǐng)域。1998 年，Baker Huges 公司推出一種應(yīng)用于牙輪鉆頭的單金屬密封SMES，如圖1所示。2003 年，該公司針對SMES 密封進行改進，開發(fā)出新一代單金屬密封SMES2，如圖2 所示。

圖1 SEMS單金屬密封結(jié)構(gòu)圖

圖2 SEMS2單金屬密封結(jié)構(gòu)圖

　　國內(nèi)外學(xué)者對單金屬密封進行了大量研究。Xiong 和Richard針對牙輪鉆頭單金屬密封的機制進行了研究。羅緯和何其翔針對SEMS單金屬密封進行了實驗研究; 張寶生等采用加單側(cè)壓差情況下對SEMS單金屬密封機制進行了有限元分析; 孫健采用有限元方法對SEMS單金屬密封在不同工作壓力的應(yīng)力進行了分析；張寶生等通過有限元分析對SEMS2 單金屬浮動密封的結(jié)構(gòu)進行了改進；張毅等人采用有限元對SEMS2 單金屬密封在雙側(cè)充壓情況和不同工作壓力下進行了熱力學(xué)分析；張曉東等對SEMS2 單金屬密封進行了總裝設(shè)計和潤滑理論分析。

　　單金屬密封的動靜環(huán)表面接觸應(yīng)力直接影響著單金屬密封動靜環(huán)端面間潤滑油膜的形成和端面磨損，如果動靜環(huán)端面內(nèi)側(cè)至外側(cè)接觸應(yīng)力變化量很大，則會加劇端面間的磨損，使得單金屬密封過早失效。而在雙側(cè)充壓下，橡膠硬度和動環(huán)傾斜面斜度對動靜環(huán)端面接觸應(yīng)力的影響沒有相關(guān)人研究報道。針對SEMS2 單金屬密封動靜環(huán)端面內(nèi)側(cè)至外側(cè)接觸應(yīng)力變化量很大的問題，本文作者分析對端面接觸應(yīng)力影響程度高的3 種關(guān)鍵參數(shù)———O型橡膠密封圈硬度、橡膠支撐環(huán)硬度和金屬動環(huán)傾斜面角度，并進行有限元分析模擬。

1、SEMS2 單金屬密封有限元模型及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

　　1.1、材料模型

　　選取內(nèi)徑為70mm 的SMES2單金屬密封，O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環(huán)材料均為丁晴橡膠。由于橡膠為高度非線性材料，假設(shè)橡膠材料具有確定的彈性模量和泊松比；橡膠的拉伸與壓縮蠕變性質(zhì)相同; 蠕變不引起體積變化。選取近似不可壓縮彈性材料的Mooney-Rivilin 模型描述超彈性材料在大變形情況下的特性，其表達(dá)式為

　　式中：W 為應(yīng)變能密度；I1和I2為第一、二應(yīng)變張量不變量；C1和C2為Mooney-Rivilin 模型中的材料參數(shù)。

　　1.2、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

　　SEMS2 單金屬密封主要由靜環(huán)、動環(huán)、O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環(huán)組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。其中：α 為單金屬密封動環(huán)傾斜面角度。

　　由于動靜環(huán)界面處的接觸應(yīng)力受到O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環(huán)硬度以及動環(huán)傾斜面角度的影響較大，則選取O 型橡膠密封圈和橡膠支撐環(huán)的邵氏硬度值所對應(yīng)的材料參數(shù)值如表1 所示; 同時，單金屬密封動環(huán)的傾斜面角度α 的變化值分別選取:56°、60°、64°、68°和72°。

表1 不同硬度下橡膠的材料參數(shù)

　　1.3、有限元模型和載荷步

　　在有限元軟件ANSYS 中建立單金屬密封的二維軸對稱有限元模型。單金屬密封的彈性模量為2.1 ×10⁵MPa，泊松比為0.3；橡膠的材料參數(shù)和彈性模量E 按表1選取，泊松比為0.499。模型單元選擇plane182 軸對稱單元; 橡膠接觸對采用罰函數(shù)算法，動靜環(huán)處接觸對采用擴展拉格朗日算法。在深井、超深井鉆井過程中，井下動力鉆具和鉆頭等井下工具處于不同的井深位置時，外部環(huán)空流道的壓力是不斷變化的，內(nèi)部潤滑油壓力和外部環(huán)空鉆井液壓差為0.3 ～0.5 MPa。選取內(nèi)外部壓差為0. 3MPa，邊界條件為對支撐座的Y 方向進行約束，載荷步主要為兩步，如表2 所示。

表2 SEMS2 單金屬密封載荷步

　　第一步為單金屬密封裝配過程靜環(huán)沿Y 軸負(fù)方向移動，第二步為在裝配完成后在O 型橡膠密封圈和動環(huán)內(nèi)表面上施加內(nèi)部潤滑油壓力，在橡膠支撐環(huán)和動環(huán)外表面表面上施加外部環(huán)空鉆井泥漿壓力，載荷施加完成后有限單元模型如圖3 所示。

圖3 單金屬密封加載后有限元模型

2、結(jié)論

　　(1) 低壓工況下，動靜環(huán)接觸應(yīng)力由內(nèi)部潤滑油側(cè)至外部環(huán)空泥漿側(cè)逐漸增大；高壓工況下，動靜環(huán)處接觸應(yīng)力呈現(xiàn)兩邊邊緣突變、中間平緩的分布情況。

　　(2) O 型圈硬度越小，低壓工況下動靜環(huán)接觸應(yīng)力由內(nèi)至外先增大、1.3 mm 后減小且接觸應(yīng)力分布狀態(tài)變化更加平緩，高壓工況下動靜環(huán)接觸應(yīng)力分布越平緩，有利于降低動靜環(huán)端面磨損。

　　(3) 動靜環(huán)接觸應(yīng)力和變化幅度在低壓和高壓工況下均隨著支撐環(huán)硬度的增大而增大。選用硬度小的橡膠支撐環(huán)，能夠降低密封端面磨損提高密封工作壽命。

　　(4) 在動環(huán)傾斜面斜度增大時，動靜環(huán)接觸應(yīng)力和變化幅度在低壓工況下均相對減小，在高壓工況中接觸應(yīng)力在接觸區(qū)域中部處變化不大而在兩端峰值處則相對減小。在不減小動靜環(huán)接觸觸長度的情況下，盡量增大動環(huán)傾斜面角度，有利于提高密封工作壽命。