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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (3): 383-392    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.23.175
机械零部件与装备设计     
牙轮钻头密封试验技术研究及密封圈性能评价
况雨春1(),何鹏1,何璟彬2,魏琦3,周姝文4,董宗正1
1.西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500
2.川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司，陕西 西安 710018
3.成都吉锐时代触摸技术有限公司，四川 成都 610041
4.国家石油天然气管网集团有限公司 重庆天然气管道有限责任公司，重庆 408000
Research on sealing test technology of cone bit and evaluation of seal ring performance
Yuchun KUANG1(),Peng HE1,Jingbin HE2,Qi WEI3,Shuwen ZHOU4,Zongzheng DONG1
1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
2.Changqing Drilling Corporation, Chuanqing Drilling Engineering Co. , Ltd. , Xi'an 710018, China
3.Chengdu Jirui Times Touch Technology Co. , Ltd. , Chengdu 610041, China
4.Chongqing Natural Gas Pipeline Co. , Ltd. , National Petroleum and Natural Gas Pipeline Network Group Co. , Ltd. , Chongqing 408000, China
 全文: PDF(4209 KB)   HTML
摘要：

牙轮钻头在深井钻进时会受到高温、高压、摩擦以及腐蚀等多个因素的共同作用，直接影响密封圈的使用寿命，进而影响钻头寿命。为此，进行了牙轮钻头密封试验技术研究。首先，设计了牙轮钻头密封试验机，设计了试验机各功能模块；其次，对O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈在多因素影响下的密封性能进行了有限元分析，同时结合接触应力评判准则和von Mises准则对密封圈性能进行了评价和对比；最后，进行了密封圈在多因素作用下的寿命测试实验，并将实验结果与仿真结果进行了对比。实验结果验证了试验机进行牙轮钻头密封试验的可行性及可靠性。所设计的牙轮钻头密封试验机能预测牙轮钻头密封圈的使用寿命，具有广阔的工程应用前景。
关键词： 牙轮钻头;  密封试验技术;  密封圈;  性能评价;  寿命测试    
Abstract:

Cone bit in deep drilling is subject to multiple factors such as high temperature, high pressure, friction and corrosion during deep well drilling, which directly affect the service life of the seal ring, and then affect the life of the bit. Therefore, the sealing test technology of cone bit was studied. Firstly, the sealing test machine of cone bit was designed, and its functional modules were designed; secondly, the sealing performances of O-shaped rubber seal ring and radially symmetrical flat rubber seal ring under the influence of multiple factors were analyzed by finite element method, and the contact stress judge criterion and von Mises criterion were used to evaluate and compare the seal ring performances; finally, the life test of the seal ring under the action of multiple factors was carried out, and the experimental results were compared with the simulation results. The experimental results verified the feasibility and reliability of the test machine for cone bit sealing test. The designed sealing test machine of cone bit can predict the service life of cone bit seal ring, and has a broad application prospect in engineering.
Key words: cone bit    sealing test technique    seal ring    performance evaluation    life test
收稿日期: 2023-06-07 出版日期: 2024-06-27
CLC:  TE 921.1  
基金资助: 国家自然科学基金联合基金资助项目(U19A2097)
作者简介: 况雨春（1971—），男，四川达州人，教授，博士生导师，博士，从事机械设计及理论、石油矿场机械、油气勘探开发工程、岩石破碎学等研究，E-mail: swpikyc@126.com, http://orcid.org/0000-0001-8410-3733
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况雨春
何鹏
何璟彬
魏琦
周姝文
董宗正

引用本文:

况雨春,何鹏,何璟彬,魏琦,周姝文,董宗正. 牙轮钻头密封试验技术研究及密封圈性能评价[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 383-392.

Yuchun KUANG,Peng HE,Jingbin HE,Qi WEI,Shuwen ZHOU,Zongzheng DONG. Research on sealing test technology of cone bit and evaluation of seal ring performance[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 383-392.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.23.175    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/383

图1  牙轮钻头密封试验机结构1—动力模块；2—传动模块；3—试验模块；4—热源调温装置；5—氮气瓶；6—泥浆罐。
图2  牙轮钻头剖面图
试验序号压差
10.068 5
20.1289
30.468 8
40.405 6
50.574 1
60.298 5
70.344 4
表1  牙轮钻头密封圈压差的绝对均值 (MPa)
图3  动试件三维结构示意图
图4  静试件三维结构示意图
图5  动试件与静试件的装配示意图
图6  转轴三维结构示意图
图7  左套筒及试验机底座三维结构示意图
图8  右套筒三维结构示意图
图9  左端盖三维结构示意图
图10  右端盖三维结构示意图
图11  密封圈等效应力云图
图12  2种密封圈等效应力对比
图13  密封圈接触应力云图
图14  2种密封圈接触应力对比
图15  密封圈应力随压差的变化曲线
图16  密封圈应力随温度的变化曲线
图17  密封圈应力随转速的变化曲线
图18  牙轮钻头密封圈寿命测试流程
样品类型样品编号转速/ (r/min)温度/℃压差/MPa工作寿命/h
O形橡胶密封圈O1-12601600.930
O1-229
径向对称扁平橡胶密封圈B1-157
B1-2175158
B1-358
表2  牙轮钻头密封圈寿命测试实验1的参数及测试结果
样品类型样品编号转速/(r/min)温度/℃压差/MPa工作寿命/h
O形橡胶密封圈O2-14501500.828
O2-226
径向对称扁平橡胶密封圈B2-11600.870
B2-268
表3  牙轮钻头密封圈寿命测试实验2的参数及测试结果
29 ZHOU J F， GU B Q. Research on mechanical seal testing machine and testing technology［J］. Petrochemical Equipment， 2003， 11（6）： 4-6.
doi: 10.3969/j.issn.1000-7466.2003.06.002
30 HENDRICKSON R R， WINZENRIED R W. Seal/lubricant systems for geothermal drilling equipment ［R］. Salt Lake City： Terra Tek， Inc.， 1980.
1 闻一龙，闻一宁，黄松，等. 一种胶管压力密封试验机：CN103234705［P］.2013-08-07.
WEN Y L， WEN Y N， HUANG S， et al. A rubber hose pressure sealing testing machine： CN103234705［P］. 2013-08-07.
2 刘艳军，孙占刚，韩彦龙，等. 基于TRIZ创新理论的PE阀门密封试验机的研制［J］.塑料工业，2020，48（3）：122-125，147. doi：10.3969/j.issn.1005-5770.2020.03.025
LIU Y J， SUN Z G， HAN Y L， et al. Development of PE valve sealing testing machine based on TRIZ innovation theory［J］. Plastics Industry， 2020， 48（3）： 122-125， 147.
doi: 10.3969/j.issn.1005-5770.2020.03.025
3 时礼平，史俊，魏伟，等. 一种高速密封试验装置：CN114791340A［P］.2022-07-26.
SHI L P， SHI J， WEI W， et al. A high-speed sealing test unit： CN114791340A［P］. 2022-07-26.
4 夏坤财. 一种多件制动泵油压密封试验机：CN104180953B［P］.2014-12-03.
XIA K C. A multi-piece hydraulic seal testing machine for brake pump： CN104180953B［P］. 2014-12-03.
5 孟广全，刘荣，王亮. 多工位单侧快速转位气压密封试验机：CN103645017A［P］.2014-03-19.
MENG G Q， LIU R， WANG L. Multi-station one-side quick-shift air seal testing machine： CN103645017A［P］. 2014-03-19.
6 冯裕敏. 闸阀壳体强度和双向密封试验机：CN102937552A［P］.2013-02-20.
FENG Y M. Gate valve shell strength and bidirectional sealing testing machine： CN102937552A［P］. 2013-02-20.
7 AVERILL B M， BUTLER N W， HERAVI O， et al. Rotary seal testing machine： US6802203B1［P］. 2004-10-12.
8 ZOCCOLETTI G， DINON E. Machine for air seal tests on wheel rims obtained by fusion： EP519514A2［P］. 1992-12-22.
9 TALLON J. Seal tester： US5172583A［P］. 1992-12-22.
10 SMITH M L. Mechanical seal tester： US06792416［P］. 1991-04-30.
11 曲文秀，周寞，胡卫平，等. 轴承密封圈的密封性能试验机［J］.轴承，2016（1）：52-53. doi：10.3969/j.issn.1000-3762.2016.01.016
QU W X， ZHOU M， HU W P， et al. Sealing performance testing machine for bearing seal ring［J］. Bearing， 2016（1）： 52-53.
doi: 10.3969/j.issn.1000-3762.2016.01.016
12 徐元宪，刘胜强，王东. 油封高速密封试验机的研制［J］.试验技术与试验机，2000（）：60-61.
XU Y X， LIU S Q， WANG D. Development of high-speed oil seal testing machine［J］. Test Technology and Testing Machine， 2000 （）： 60-61.
13 孔令成，李焱鑫，唐超，等. 一种高速密封试验台设计与验证［J］.机械研究与应用，2019，32（5）：121-123.
KONG L C， LI Y X， TANG C， et al. Design and verification of a high-speed sealing test bed［J］. Mechanical Research and Application， 2019， 32（5）： 121-123.
14 宋淑娥. 气缸体水套密封试验机［J］.组合机床与自动化加工技术，2003（6）：58，60. doi：10.3969/j.issn.1001-2265.2003.06.023
SONG S E. Cylinder block water jacket sealing testing machine［J］. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique， 2003（6）： 58， 60.
doi: 10.3969/j.issn.1001-2265.2003.06.023
15 王铭章，胡广阳，马婷，等. 喷油润滑型激光脸机械密封试验研究［J］.润滑与密封，2023，48（3）：206-212. doi：10.3969/j.issn.0254-0150.2023.03.028
WANG M Z， HU G Y， MA T， et al. Experimental study on mechanical seal of laser face with oil injection lubrication［J］. Lubrication Engineering， 2023， 48（3）： 206-212.
doi: 10.3969/j.issn.0254-0150.2023.03.028
16 刘麟，顾伯勤，孙振国，等. 密封垫片高温综合性能试验机的研制［J］.润滑与密封，2011，36（10）：84-86，101. doi：10.3969/j.issn.0254-0150.2011.10.021
LIU L， GU B Q， SUN Z G， et al. Development of high temperature comprehensive performance testing machine for sealing gasket［J］. Lubrication Engineering， 2011， 36（10）： 84-86， 101.
doi: 10.3969/j.issn.0254-0150.2011.10.021
17 周锦南，章宗成. 差压式气缸盖水道气体密封试验机的应用［J］.机械科学与技术，1994（3）：37-40.
ZHOU J N， ZHANG Z C. Application of water channel gas seal testing machine with differential pressure cylinder head ［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 1994（3）： 37-40.
18 张敬源，池景禄，王军勃，等. QMS型气门密封试验机研制［J］.山东机械，2004（3）：26-61.
ZHANG J Y， CHI J L， WANG J B， et al. Development of QMS valve seal testing machine［J］. Shandong Machinery， 2004（3）： 26-61.
19 刘志鹏，况雨春，王亚萍. 牙轮钻头密封试验机工作机理研究［J］. 机械设计与制造， 2009（8）：191-193. doi：10.3969/j.issn.1001-3997.2009.08.076
LIU Z P， KUANG Y C， WANG Y P. Research on working principle of a roller bit's seal testing machine ［J］. Machinery Design & Manufacture， 2009（8）： 191-193.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2009.08.076
20 蒲勇，况雨春，刘志鹏，等. 牙轮钻头密封试验机的研制［J］.钻采工艺，2009，32（5）：54-56，127. doi：10.3969/j.issn.1006-768X.2009.05.019
PU Y， KUANG Y C， LIU Z P， et al. Development of roller bits seal testing machine［J］. Drilling & Production Technology， 2009， 32（5）： 54-56， 127.
doi: 10.3969/j.issn.1006-768X.2009.05.019
21 刘希圣. 钻井工艺原理［M］.北京：石油工业出版社，1988：31.
LIU X S. Drilling technology principle ［M］. Beijing： Petroleum Industry Press， 1988： 31.
22 张强，周鹤法，马德坤，等. 三牙轮钻头传动比的测试试验及分析［J］.石油矿场机械，1996（6）：22-26.
ZHANG Q， ZHOU H F， MA D K， et al. Test and analysis of tricone bit transmission ratio［J］. Oil Field Equipment， 1996（6）： 22-26.
23 濮良贵. 机械设计［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006. doi：10.1386/adch.2006.5.issue-1
PU L G. Mechanical Design［M］.8th ed. Beijing： Higher Education Press， 2006.
doi: 10.1386/adch.2006.5.issue-1
24 周剑锋，顾伯勤. 机械密封试验机用传感器选型及误差分析［J］.机床与液压，2004，27（6）：157-158. doi：10.3969/j.issn.1001-3881.2004.06.066
ZHOU J F， GU B Q. Choice of sensors and error analysis for mechanical seal testing machine［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2004， 27（6）： 157-158.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2004.06.066
25 魏龙，张红光. 密封技术［M］.北京：化学工业出版社，2004.
WEI L， ZHANG H G. Sealing technology［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2004.
26 李光乔，况雨春，钟文建，等. 牙轮钻头耐高温扁平橡胶密封性能研究与应用［J］.石油机械，2020，48（8）：37-42.
LI G Q， KUANG Y C， ZHONG W J， et al. Research and application on high temperature resistant flat rubber seal performance of cone bit［J］. China Petroleum Machinery， 2020， 48（8）： 37-42.
27 魏琦. 牙轮钻头扁平密封结构设计理论及仿真研究［D］. 成都：西南石油大学，2021.
WEI Q. Research on design theory and simulation of flat seal structure of cone bit［D］. Chengdu： Southwest Petroleum University， 2021.
28 陆婷婷. 橡胶密封圈粘弹特性研究［D］.北京：北京化工大学，2015.
LU T T. Study on viscoelastic characteristics of rubber seal ring［D］. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2015.
[1] 张毅,熊思阳,钟思鹏,熊子杰,杨强. 密封面磨损对V形组合密封圈性能的影响[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 237-243.
[2] 沈国强, 孔凡胜, 潘雅琼, 吴欣, 施明烁. 唇形密封圈静密封性能快速仿真流程定制技术研究[J]. 工程设计学报, 2019, 26(1): 8-14.
[3] 邓嵘, 侯凯, 李孟华, 李向东. 混合式单牙轮钻头破岩性能研究[J]. 工程设计学报, 2018, 25(3): 262-269.
[4] 何 畏，肖 祥，陈 波，孙春梅，陈 洋，贺军超. 牙轮钻头弹性球面浮动套轴承的设计与优化[J]. 工程设计学报, 2015, 22(6): 607-612.