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《西南石油大学》 2016年
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单金属密封结构优化及热结构耦合研究

周权  
【摘要】:单金属密封作为井下工具中的一种旋转动密封件,它能够适用于井下高温、高压、磨砺性和振动等工况;单金属密封性能的好坏直接决定着井下工具中轴承部位的工作寿命,进而影响着机械钻速和钻井成本的大小。随着各种钻井技术的发展,石油天然气开发朝着深海和深部地层发展,各种井下工具在井下恶劣工况中大量的应用,因而迫切需要保证和提高井下工具的工作寿命。因此,为满足使用需求,本文主要对单金属密封的结构参数优化和稳态温度场分布进行研究。论文的主要研究工作如下:(1)根据单金属密封的结构特点和主要工况,以及现场应用情况,分析单金属密封的主要失效原因及形式,并给出单金属密封失效的主要判断准则。(2)基于单金属密封的结构受力特点,对单金属密封的装配和受压过程进行力学分析,得到了单金属密封动密封面接触应力与轴向装配位移和外部压力的理论关系。(3)利用ANSYS有限元分析和Matlab数值理论计算,对单金属密封的装配过程进行模拟,对比单金属密封中橡胶O型圈与静环斜面的接触应力和接触长度的有限元解和数值解,验证了单金属密封有限元模型的有效性,并建立了动密封面最大接触应力与装配位移的拟合关系式。在高、中、低压工况下,研究了动密封面、橡胶O型圈和橡胶支撑环的接触应力分布情况,得到了单金属密封初始结构在密封性能上的不足。(4)分析了在不同O型圈和橡胶支撑环硬度、静环倾斜面角度、静环小端宽度、静环楔入角长度、动密封面宽度、压差和初始压缩量下单金属密封动密封面接触应力的变化,得到各参数对单金属密封密封性能的影响。(5)结合正交法和F分析,以油膜厚度、泄漏量和接触应力等6个参数为评价目标,对影响单金属密封性能的7个结构参数、2个材料参数和2个工况参数进行重要性量化评价,确定出综合影响程度最大的4个结构参数:动密封面宽度L、静环小端宽度L3、静环倾斜面角度α和静环楔入角径向长度L。,以及3个评价目标:内侧接触应力峰值Pnmax、外侧接触应力峰值Pwmax和最小接触应力Pmin°(6)采用BP神经网络和模糊加权系数法,建立4个结构参数与3个评价目标之间的映射函数关系,并转化成单目标优化函数。(7)通过GA遗传算法,建立单金属密封优化的数学模型,结合目标优化函数,确定出在一定取值范围内4个结构参数的优化值;优化后单金属密封的泄露量降低7.45%,最小油膜厚度降低3.837%,Pnmax降低22.733%,Pwmax提高10.031%,Pmin提高0.596%,表明优化后的单金属密封性能得到较大的提高。(8)采用有限元法,分析了在井下工况下优化后单金属密封模型的稳态温度分布,并研究了在不同转速、环境压力、地层深度下动静环的温度分布,从密封结构设计、材料选择和表面技术方面提出改善建议,为单金属密封的温度分布研究提供一定的参考。
【关键词】:单金属密封 结构分析 参数优化 热分析 井下工况
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE931.2
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-9
  • 第1章 绪论9-19
  • 1.1 研究的背景及意义9-10
  • 1.2 国内外研究现状10-16
  • 1.2.1 牙轮钻头井下动密封的国外发展现状10-12
  • 1.2.2 牙轮钻头井下动密封的国内发展现状12-14
  • 1.2.3 单金属密封的国外研究现状14-15
  • 1.2.4 单金属密封的国内研究现状15-16
  • 1.3 论文研究目的、研究内容和技术路线16-17
  • 1.3.1 研究目的16
  • 1.3.2 研究内容16-17
  • 1.3.3 技术路线17
  • 1.4 主要创新点17-19
  • 第2章 单金属密封的失效机理及力学特性分析19-29
  • 2.1 单金属密封的主要工况和失效原因及形式19-21
  • 2.1.1 主要工况19
  • 2.1.2 主要失效原因及形式19-21
  • 2.2 单金属密封失效的主要判断准则21-22
  • 2.3 单金属密封的结构力学分析22-28
  • 2.3.1 装配后的力学分析23-25
  • 2.3.2 受压后的力学分析25-28
  • 2.4 本章小结28-29
  • 第3章 单金属密封结构参数对密封性能的影响29-49
  • 3.1 非线性有限元分析的基本理论29-31
  • 3.1.1 材料非线性29-30
  • 3.1.2 几何非线性30
  • 3.1.3 接触非线性30-31
  • 3.2 橡胶材料的本构模型及参数确定31-33
  • 3.2.1 橡胶材料的本构模型31-32
  • 3.2.2 橡胶材料参数的确定32-33
  • 3.3 单金属密封有限元分析模型33-39
  • 3.3.1 几何模型33-34
  • 3.3.2 材料模型34
  • 3.3.3 基本假设34-35
  • 3.3.4 有限元模型的建立及接触对的设置35-36
  • 3.3.5 边界条件的施加36
  • 3.3.6 有限元仿真结果36-39
  • 3.4 单金属密封轴向装配位移与轴向载荷的关系39-43
  • 3.4.1 装配位移与轴向载荷关系的有限元分析40
  • 3.4.2 装配模型验证40-42
  • 3.4.3 装配位移与轴向载荷的拟合关系42-43
  • 3.5 主要参数对单金属密封性能的影响43-47
  • 3.5.1 橡胶O型圈硬度43
  • 3.5.2 橡胶支撑环硬度43-44
  • 3.5.3 静环倾斜面角度44
  • 3.5.4 静环楔入角径向长度44-45
  • 3.5.5 静环与动环密封面宽度45
  • 3.5.6 静环小端宽度45-46
  • 3.5.7 密封内外压差46-47
  • 3.5.8 初始压缩量47
  • 3.6 本章小结47-49
  • 第4章 单金属密封的密封性能优化49-70
  • 4.1 单金属密封多参数正交分析49-56
  • 4.1.1 正交分析法简介49
  • 4.1.2 单金属密封多参数正交设计及评价目标49-51
  • 4.1.3 单金属密封泄漏量的理论计算方法51-52
  • 4.1.4 单金属密封正交法结果及评价52-56
  • 4.2 单金属密封结构参数优化模型56-58
  • 4.2.1 单金属密封结构参数优化的基本原则56-57
  • 4.2.2 密封优化的数学模型57-58
  • 4.3 基于BP神经网络模型目标函数的建立58-63
  • 4.3.1 BP神经网络简介58-59
  • 4.3.2 单金属密封BP神经网络的建立59-60
  • 4.3.3 单金属密封目标函数的建立60-63
  • 4.4 基于遗传算法的多目标密封关键参数优化63-69
  • 4.4.1 遗传算法简介63-64
  • 4.4.2 密封关键参数的优化流程64-65
  • 4.4.3 结构参数的优化结果65-69
  • 4.5 本章小结69-70
  • 第5章 单金属密封的稳态热结构耦合有限元分析70-87
  • 5.1 稳态热结构耦合分析基本理论70-71
  • 5.1.1 稳态热分析基本理论70-71
  • 5.1.2 热结构耦合分析简介71
  • 5.2 计算模型假设和计算流程71-72
  • 5.2.1 模型假设71-72
  • 5.2.2 计算流程72
  • 5.3 热结构耦合有限元模型的建立及边界条件确定72-77
  • 5.3.1 有限元模型的建立72-73
  • 5.3.2 材料的热物理性参数73-74
  • 5.3.3 摩擦热的计算及分配74
  • 5.3.4 对流换热系数的计算74-76
  • 5.3.5 边界条件的施加76-77
  • 5.4 热结构耦合有限元仿真结果分析77-80
  • 5.4.1 动静环结构场分析结果77-78
  • 5.4.2 动静环稳态温度场分析结果78-80
  • 5.5 工况参数对密封面温度分布的影响80-86
  • 5.5.1 转速80-81
  • 5.5.2 环境压力81-83
  • 5.5.3 地层深度83-86
  • 5.6 本章小结86-87
  • 第6章 总结与展望87-89
  • 6.1 总结87-88
  • 6.2 展望88-89
  • 致谢89-90
  • 参考文献90-94
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果94

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