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(dòng)環(huán)傾斜面斜度3種關(guān)鍵參數(shù)對(duì)動(dòng)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(shí)，動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(dòng)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(dòng)性能的旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)SMES 密封進(jìn)行改進(jìn)，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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單金屬密封進(jìn)行了大量研究。Xiong 和Richard針對(duì)牙輪鉆頭單金屬密封的機(jī)制進(jìn)行了研究。羅緯和何其翔針對(duì)SEMS單金屬密封進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究; 張寶生等采用加單側(cè)壓差情況下對(duì)SEMS單金屬密封機(jī)制進(jìn)行了有限元分析; 孫健采用有限元方法對(duì)SEMS單金屬密封在不同工作壓力的應(yīng)力進(jìn)行了分析；張寶生等通過(guò)有限元分析對(duì)SEMS2 單金屬浮動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)；張毅等人采用有限元對(duì)SEMS2 單金屬密封在雙側(cè)充壓情況和不同工作壓力下進(jìn)行了熱力學(xué)分析；張曉東等對(duì)SEMS2 單金屬密封進(jìn)行了總裝設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑理論分析。

　　單金屬密封的動(dòng)靜環(huán)表面接觸應(yīng)力直接影響著單金屬密封動(dòng)靜環(huán)端面間潤(rùn)滑油膜的形成和端面磨損，如果動(dòng)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(huì)加劇端面間的磨損，使得單金屬密封過(guò)早失效。而在雙側(cè)充壓下，橡膠硬度和動(dòng)環(huán)傾斜面斜度對(duì)動(dòng)靜環(huán)端面接觸應(yīng)力的影響沒(méi)有相關(guān)人研究報(bào)道。針對(duì)SEMS2 單金屬密封動(dòng)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(wèn)題，本文作者分析對(duì)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(dòng)環(huán)傾斜面角度，并進(jìn)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(jì)

　　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(jì)

　　SEMS2 單金屬密封主要由靜環(huán)、動(dòng)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(dòng)環(huán)傾斜面角度。

　　由于動(dòng)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(dòng)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(duì)應(yīng)的材料參數(shù)值如表1 所示; 同時(shí)，單金屬密封動(dòng)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(duì)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(duì)稱單元; 橡膠接觸對(duì)采用罰函數(shù)算法，動(dòng)靜環(huán)處接觸對(duì)采用擴(kuò)展拉格朗日算法。在深井、超深井鉆井過(guò)程中，井下動(dòng)力鉆具和鉆頭等井下工具處于不同的井深位置時(shí)，外部環(huán)空流道的壓力是不斷變化的，內(nèi)部潤(rùn)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(duì)支撐座的Y 方向進(jìn)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(guò)程靜環(huán)沿Y 軸負(fù)方向移動(dòng)，第二步為在裝配完成后在O 型橡膠密封圈和動(dòng)環(huán)內(nèi)表面上施加內(nèi)部潤(rùn)滑油壓力，在橡膠支撐環(huán)和動(dòng)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(dòng)靜環(huán)接觸應(yīng)力由內(nèi)部潤(rùn)滑油側(cè)至外部環(huán)空泥漿側(cè)逐漸增大；高壓工況下，動(dòng)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(dòng)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(dòng)靜環(huán)接觸應(yīng)力分布越平緩，有利于降低動(dòng)靜環(huán)端面磨損。

　　(3) 動(dòng)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(dòng)環(huán)傾斜面斜度增大時(shí)，動(dòng)靜環(huán)接觸應(yīng)力和變化幅度在低壓工況下均相對(duì)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(duì)減小。在不減小動(dòng)靜環(huán)接觸觸長(zhǎng)度的情況下，盡量增大動(dòng)環(huán)傾斜面角度，有利于提高密封工作壽命。