工程设计学报

工程设计学报, 2024, 31(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

KUANG Yuchun,,1, HE Peng1, HE Jingbin2, WEI Qi3, ZHOU Shuwen4, DONG Zongzheng1

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

收稿日期: 2023-06-07   修回日期: 2023-08-02  

基金资助: 国家自然科学基金联合基金资助项目.  U19A2097

Received: 2023-06-07   Revised: 2023-08-02  

作者简介 About authors

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 , E-mail：swpikyc@126.com

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.

Keywords： cone bit ; sealing test technique ; seal ring ; performance evaluation ; life test

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本文引用格式

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 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.23.175

KUANG Yuchun, HE Peng, HE Jingbin, WEI Qi, ZHOU Shuwen, DONG Zongzheng. 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 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.23.175

牙轮钻头在深井中的工作环境异常恶劣，会同时受到高温、高压、摩擦以及腐蚀等多个因素的共同作用。牙轮钻头的寿命由其轴承决定，而轴承的寿命与密封圈密不可分，因此密封圈的寿命将直接决定牙轮钻头的使用寿命。目前，针对汽车、阀门、航天用密封圈的密封试验机及对一些通用机械的密封试验，已有学者进行了研究，并申请了一些相关密封试验装置的专利[1-18]。针对牙轮钻头密封试验的研究还非常少，特别是关于牙轮钻头密封试验机研制的报道更是屈指可数。牙轮钻头密封圈在工作条件、工作机理及密封结构上与其他密封圈有一定的差异，其功能与其他通用密封圈也有所不同。西南石油大学钻头研究所对牙轮钻头密封试验机进行了一些研究，刘志鹏等[19]、蒲勇等[20]进行了牙轮钻头密封试验机的研制，提出了设计方案、试验机原理及结构，确定了相关的试验参数，但对试验方案、装置具体结构以及新型密封圈的寿命等方面还未进行深入研究。

笔者对牙轮钻头密封试验机及密封圈的性能进行了研究。首先，根据牙轮钻头密封圈的工作机理，设计了牙轮钻头密封试验机的结构；其次，结合接触应力准则和von Mises应力准则，对O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈进行了有限元分析；最后，结合密封圈失效准则，设计了高温、高压及高转速下的密封圈寿命测试方案，对上述2种密封圈进行了寿命测试实验。

1 牙轮钻头密封试验机的结构及工作原理

1.1　试验机结构

牙轮钻头密封试验机的结构如图1所示。其主要由动力模块、传动模块、试验模块和辅助模块组成。其中辅助模块包含用来提供一系列试验条件的热源调温装置、氮气瓶、泥浆罐等辅助装置。

图1

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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。

Fig.1   Structure of sealing test machine for cone bit


1.2　试验机工作原理

牙轮钻头剖面图如图2所示。其密封圈安装在牙轮与牙掌现有轴颈形成的密封槽中，主要用于隔离深井中其他物质进入牙轮轴承，防止轴承失效。牙轮钻头工作时，其运动状态为牙轮转、轴颈不转，牙轮带动密封圈一起相对于轴颈转动。密封圈的外圈相对于牙轮静止，为静密封；密封圈的内圈与轴颈形成旋转动密封。

图2

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图2   牙轮钻头剖面图

Fig.2   Section view of cone bit


根据牙轮和轴颈的工作机理，设计牙轮钻头密封试验机时应尽可能还原实际工况。现有牙轮钻头密封试验装置的设计尽管还原了牙轮与轴颈相对运动的工况，但与密封圈实际运动情况有一定差异。如文献[20]介绍的牙轮钻头密封试验机采用的是内圈轴颈转、外圈牙轮不转的方式，这只模拟了牙轮钻头密封圈内、外圈的相对运动状态，并没有完全模拟密封圈的实际工作情况。因此，本文在设计密封圈的相对运动状态时，采用了内圈不转、外圈转的运动方式，使得牙轮钻头密封试验机的试验条件更加贴近实际工况。

试验机的工作原理为：电机提供动力，带轮将转速、扭矩等参数传递给试验模块，试验模块中动试件（外圈）与转轴固定，静试件（内圈）与试验机外壳相对固定并与动试件配合用于装配牙轮钻头密封圈，利用动、静试件的相对运动来模拟牙轮钻头牙轮与轴颈的相对运动；热源调温装置提供热油循环来保证试验温度，模拟钻井时钻头的实际温度；氮气瓶提供压力，用来模拟钻井时密封圈两边的压差；泥浆罐提供泥浆，用来模拟钻井时的泥浆、磨粒环境。试验条件由压力传感器、温度计以及一系列传感器进行监测。

2 牙轮钻头密封试验机功能模块设计

对试验机进行功能设计，使试验机能够在适当简化的条件下模拟钻头实际工况，并在此模拟工况下测试牙轮钻头密封圈的寿命[19]。

2.1　试验参数选择

在进行牙轮钻头密封试验研究时，为了模拟井下实际工况，需要设置与井下实际工况相近的试验参数，如压差、温度、转速和磨粒环境参数等。压差、温度和磨粒环境参数由辅助模块提供；转速的输入由试验机动力模块和传动模块共同完成。根据文献[19]，选择试验参数为工作压差、工作温度和工作转速。

1）工作压差。

钻头轴承密封圈的工作压力为井底泥浆压力与轴承内压之差。内外压力都随时间而变化，而储油囊能平衡内外压差，因此理论压差很小。但是由于泥浆排量不稳定，泥浆压力会随之产生波动。

泥浆压力通过储油囊和过油孔传到轴承腔时会抵消一定的阻力，但需要一定的时间，因此轴承内压波动会滞后，这就使密封圈两面的压差不断变动而且时正时负[19]。加上牙齿受力不均引起牙轮轴向窜动，导致轴承腔的体积时大时小，更加剧了密封圈两边压差的变化。可见，在多种因素的综合作用下，密封圈压差的变动范围较大，且动态随机性很强。

目前，还未见实测井底钻头密封圈压差的报道。通过在实验台架上的实验可知[20]：当井底压力波动幅度为1.4 MPa时，如果牙轮不动，则压差的最大值为0.48 MPa，最小值为-0.38 MPa，采用计算机对压差进行高频取样，得到855个数据点，分析结果显示90%以上的数据点集中在-0.20~0.32 MPa的压差范围内；如果牙轮有窜动，则压差的范围为-0.70~0.70 MPa，而且压差为正值的概率增大，80%以上的数据点集中在0.3~0.5 MPa的小范围内。把每次试验所得的所有数据点的压差取绝对值，然后平均，结果如表1所示。其中，试验1、试验2中牙轮不动，试验3至试验7中牙轮有窜动。窜动量和轴承间隙的大小对压差都有显著影响。

表1   牙轮钻头密封圈压差的绝对均值 (MPa)

Table 1  Absolute mean value of pressure difference of cone bit seal ring

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

资料来源：文献[20]。

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设计密封试验机时，需要考虑压差变化的不可预测性，但是由于难以完全模拟实际工况，设置工作压差为恒定值，范围为0.2~0.6 MPa [20]，这样密封试验机的设计、制造及操作都较方便。

2）工作温度。

通常，井深每增加100 m，井底温度升高3 ℃[21]。据此，5 000~6 000 m深的地层的温度为150~180 ℃。泥浆循环会使钻头工作环境的温度比地层温度低一些。为了使试验条件接近实际工况，取试验温度为120~150 ℃[20]。开始试验时需把密封圈外的泥浆升温，在运转过程中如果摩擦生热过多则需降温，所以在试验机上需要设置加热和冷却系统。冷水和热水可在试验现场取用。

3）工作转速。

通过实验可知[20]，牙轮的转速是随时变化的。考虑到变速旋转对密封圈的影响不大，对其进行简化处理，试验中取恒定转速。牙轮与钻头的平均转速比为1.3～1.5，如果钻头的转速取为60~200 r/min，则牙轮的平均转速可取为80~300 r/min[22]。电机选用三相异步电动机，型号为YE2-90L-6，功率为1.1 kW，输出转速为910 r/min，输出扭矩为11.5 N·m。经过调整，使带轮传动比为1∶2~1∶11，试验机转轴的转速为83~455 r/min，扭矩为23~126.5 N·m。

2.2　传动模块

V带常用于较大中心距的传动。其具有良好的弹性，可减弱冲击和吸收振动，在过载时会出现打滑以避免其他零件损坏，因此在试验机传动系统中选择V带传动。

根据计算功率及小带轮转速选择V带的型号。其中计算功率Pca为[23]：

Pca=KA⋅P

式中：KA为工作系数，P为电机额定功率。

考虑到试验机的载荷变动较小，且密封试验时间会超过16 h，故取KA=1.3，P=1.3 kW，由式(1)可得Pca=1.43 W。

根据Pca和小带轮转速，且考虑到后期可能会增大电机功率导致计算功率变大，V带选用A型带。

2.3　试验模块

牙轮与轴颈作相对运动，牙轮转，轴颈不转。本文对动试件和静试件这2个模拟件进行设计。

1）动试件设计。

功能分析：动试件用于模拟牙轮的工作状态，与静试件组成牙轮钻头密封圈的环形装配空间。动试件由试验机转轴带动，模拟牙轮转动及实现工作转速的输入。

结构设计：① 设计一个环形组合的外环结构来模拟牙轮钻头密封圈在牙轮上的装配位置，并带动密封圈相对于静试件转动。根据密封圈的尺寸设计环形组合的通径，通径确定后对动、静试件环的空位置设计相切于通径的圆角。② 在动、静试件的环形组合上设计液流通道，用来检验被测密封圈的密封性能；在动试件上设计液流出口通道，用来检验密封是否失效。③ 在动试件的一端设计通孔以实现其与转轴的连接。

动试件的三维结构如图3所示。

图3

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图3   动试件三维结构示意图

Fig.3   Three-dimensional structure diagram of dynamic specimen


2）静试件设计。

功能分析：静试件用于模拟轴颈的工作状态，作为内环与动试件组成被测密封圈的环形装配空间。静试件由试验机的右套筒固定，以实现试验条件中压力和磨粒环境参数的输入。

结构设计：①设计一个环形组合的内环结构来模拟被测密封圈在轴颈上的装配位置，并与牙轮、密封圈形成相对运动的状态。②在静试件上设计入口通道，用来引入由压力调节系统输入的泥浆，实现压力和磨粒环境参数的输入；在静试件的一端设计花键以实现其与右套筒的连接，便于静试件轴向定位和径向定位。③为了保证密封失效造成的漏失液体可以成功流出动试件的液流出口通道，需要在静试件一端设计动密封槽。

静试件的三维结构如图4所示，动试件与静试件的装配如图5所示。

图4

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图4   静试件三维结构示意图

Fig.4   Three-dimensional structure diagram of static specimen


图5

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图5   动试件与静试件的装配示意图

Fig.5   Diagram of assembly of dynamic specimen and static specimen


2.4　辅助模块

根据扭矩传动及整机工作原理，结合动、静试件的结构及其装配，设计了辅助装置，如图6至图10所示。

图6

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图6   转轴三维结构示意图

Fig.6   Three-dimensional structure diagram of rotating shaft


图7

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图7   左套筒及试验机底座三维结构示意图

Fig.7   Three-dimensional structure diagram of left sleeve and test machine base


图8

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图8   右套筒三维结构示意图

Fig.8   Three-dimensional structure diagram of right sleeve


图9

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图9   左端盖三维结构示意图

Fig.9   Three-dimensional structure diagram of left end cover


图10

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图10   右端盖三维结构示意图

Fig.10   Three-dimensional structure diagram of right end cover


为了实时检测各试验数据，需选取一系列传感器安装在密封试验机的试验模块上。选取传感器时须注意仪器量程要对应试验条件的变化范围，以减小误差；同时，因为试验涉及高温，需在一些精密仪器上加装散热装置，以免仪器温度过高而烧坏[24]。

压力变送器选用TML-801A-M20*1.5，并加装散热片。由于试验腔为密闭空间，泥浆进入试验腔后试验腔的压力为恒压，只有在密封圈失效或试验结束后才会泄压，因此压力变送器主要用于测量试验腔的压力是否达到指定值。若未达到指定值，则通过调节氮气瓶的减压阀来调节腔内压力至指定值。

温度传感器选用LCD-110。试验温度由热源调温装置控制。设置好试验温度后，由油锅加热至设定温度并一直稳定于该温度。温度传感器主要用于测量试验腔内温度是否达到试验温度。若未达到指定值，则增大或减小加热油锅的设定温度直至腔内温度达到指定值。

转速测量仪选用SUHED SCN-P41。将感应贴贴在转轴左侧伸出端，由感应探头接收转速信号并转化为电信号，最终由显示器显示。由于电机选用型号为YE2-90L-6的三相异步电动机、V带传动，其运行稳定后转速基本稳定，因此转速测量仪用于测量试验开始后转轴的转速是否达到指定转速。若未达到指定值，则调整传动比使转速达到指定值。

3 牙轮钻头密封圈性能评价

本文拟采用O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈进行密封试验，来验证密封试验机进行密封试验的可行性及试验结果的可靠性。2种密封圈的材料均为氢化丁腈橡胶（hydrogenated nitrile rubber，HNBR）。O形密封圈结构简单，成本低廉，被广泛应用于各种工况环境下的密封。但由于橡胶硬化、老化等原因，其使用寿命受到影响，密封性能也会下降[25]。相较于O形密封圈，径向对称扁平密封圈因其独特的优势在高温、高压以及腐蚀性环境下具有更好的密封性能，并且有远超O形密封圈的工作寿命[26]。

3.1　密封失效评判标准

常常根据密封圈的泄漏量、接触应力的大小及von Mises准则来评判密封是否失效。

1）泄漏量评判准则。

密封圈是否失效，最直接的判断方法就是看密封圈是否有泄漏。设钻头密封腔体积为M，钻头工作年限为N，则钻头许用泄漏量V=M/N[27]。为了保证钻头寿命符合要求，实际泄漏量V应满足[27]：

V≤V

2）接触应力评判准则。

目前用得最多的方法是将密封圈的接触应力与介质压力进行对比，来判断密封圈是否有泄漏。设密封面间的接触应力为pc，介质压力为p，密封圈起到密封作用而不产生泄漏，就必须满足：

pcmax≥pmax

式中：pc max、p max分别为pc、p的最大值。

3）von Mises准则。

von Mises准则即等效应力准则，其考虑了第一、第二、第三主应力，可用于评判塑性材料是否失效。Mises应力σM为：

σM=12σ1-σ22+σ2-σ32+σ3-σ12

式中：σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力。

在分析橡胶受力时，大多选择von Mises应力分布[28]。

3.2　密封圈性能仿真分析

本文采用接触应力评判准则和von Mises准则，开展密封圈性能仿真分析。

3.2.1　二维挤压下密封圈性能分析

以压缩率为12%的6寸半（21.67 cm）牙轮钻头密封圈为例，根据O形密封圈和径向对称扁平密封圈的结构特点，建立2种密封圈的二维轴对称模型。设置工况参数：压差为0，温度为0，转速为0，压力为20 MPa，摩擦因数为0.1，求解2种密封圈的等效应力和接触应力。2种密封圈的等效应力及对比分别如图11、图12所示，接触应力及对比分别如图13、图14所示。

图11

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图11   密封圈等效应力云图

Fig.11   Nephogram of equivalent stress of seal ring


图12

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图12   2种密封圈等效应力对比

Fig.12   Comparison of equivalent stress of two sealing rings


图13

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图13   密封圈接触应力云图

Fig.13   Nephogram of contact stress of seal ring


图14

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图14   2种密封圈接触应力对比

Fig.14   Comparison of contact stress of two sealing rings


由图11、图12可知，O形密封圈的最大等效应力为1.568 MPa，扁平密封圈的最大等效应力为1.418 MPa，扁平密封圈的最大等效应力较小。由此可知，在同等情况下扁平密封圈具有更小的密封紧迫力。

由图13、图14可知，O形密封圈的最大接触应力为21.79 MPa，扁平密封圈的最大接触应力为21.81 MPa，扁平密封圈的最大接触应力较大。

综上可知，相比O形密封圈，扁平密封圈的等效应力较小，接触应力较大，说明扁平密封圈在降低密封紧迫力的同时增大了接触应力，可在保证密封可靠性的同时减小密封圈变形后的轴向尺寸，这为小尺寸钻头的设计留出了更多空间。

3.2.1　热力耦合下密封圈性能分析

结合密封圈二维轴对称模型，基于有限元软件对2种密封圈的热力耦合性能进行分析。设置轴颈和沟槽为刚体，网格类型为S4RT，网格大小为0.6 mm；设置密封圈材料为HNBR，网格类型为C3D8RHT，网格大小为0.5 mm。当压缩率为12%、环境压力为21 MPa、摩擦因数为0.1时，分析密封圈压力随压差、温度、转速的变化规律。

当温度为150 ℃、转速为150 r/min时，密封圈应力随压差的变化曲线如图15所示。当压差为0.5 MPa、转速为150 r/min时，密封圈应力随温度的变化曲线如图16所示。设当压差为差0.5 MPa、温度为150 ℃时，密封圈应力随转速的变化曲线如图17所示。

图15

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图15   密封圈应力随压差的变化曲线

Fig.15   Variation curve of seal ring stress with pressure difference


图16

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图16   密封圈应力随温度的变化曲线

Fig.16   Variation curve of seal ring stress with temperature


图17

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图17   密封圈应力随转速的变化曲线

Fig.17   Variation curve of seal ring stress with rotating speed


由图15可知：在压差相同的情况下，相比O形密封圈，扁平密封圈的等效应力较小而接触应力较大；随着压差增大，扁平密封圈的等效应力曲线呈起伏变化，而O形密封圈的等效应力曲线呈近线性上升趋势；扁平密封圈接触应力变化率为4.5%，小于O形密封圈的4.7%，表明压差变化对扁平密封圈性能的影响较小。

由图16可知：随着温度上升，O形密封圈等效应力和接触应力的变化率均大于扁平密封圈，表明扁平密封圈更耐高温。

由图17可知：随着转速提高，O形密封圈的等效应力和接触应力的变化率均大于扁平密封圈，表明扁平密封圈对转速的敏感性远小于O形密封圈。

综上可知：在相同的压差、温度、转速下，扁平密封圈的等效应力更小，接触应力更大，说明扁平密封圈具有更长的寿命和更可靠的密封性能；压差、温度、转速的变化对扁平密封圈性能的影响更小，表明扁平密封圈更适合于高压、高温及高转速的工况。

3.3　实验验证

为了验证牙轮钻头密封试验机的可行性与可靠性，采用泄漏量评判准则，进行密封圈寿命实验。

3.3.1　实验流程

密封圈寿命测试流程为：1）将被测密封圈按要求装入试验机；2）实验开始之前准备实验所需的各项条件，调整压力、温度、转速等参数至指定值；3）开始实验，直到密封圈出现泄漏，报警停车，则实验结束。实验总时长即为密封圈的寿命[29]。如果在实验过程中出现异常，则直接停机检查。具体的测试流程如图18所示。

图18

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图18   牙轮钻头密封圈寿命测试流程

Fig.18   Life test flow of seal ring of cone bit


3.3.2　实验方案及结果

实验1：设置转速为260 r/min，进行高温、高压差下密封圈寿命测试实验。共进行5组测试，其中O形密封圈2组，扁平密封圈3组。实验参数及测试结果如表2所示。实验2：设置转速为450 r/min，进行高转速下密封圈寿命测试实验，来探究密封圈对转速变化的敏感性。共进行4组测试，O形密封圈和扁平密封圈各2组。实验参数及测试结果如表3所示。

表2   牙轮钻头密封圈寿命测试实验1的参数及测试结果

Table 2  Parameters and test results of life test experiment 1 of cone bit seal ring

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

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表3   牙轮钻头密封圈寿命测试实验2的参数及测试结果

Table 3  Parameters and test results of life test experiment 2 of cone bit seal ring

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

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由表2可知：在转速相同，温度、压差更高的工况下，扁平密封圈具有更长的工作寿命，其近似为O形圈的2倍。根据文献[30]可知，井底压差大多在1 MPa以内。实验1中对扁平密封圈设置了1 MPa的压差，其寿命还长于O形密封圈，可见在高温条件下扁平密封圈具有更优异的工作性能。

由表3可知：在转速、压差相同时，尽管扁平密封圈的实验温度更高，但其寿命远长于O形密封圈，可见在高温、高转速工况下，扁平密封圈的工作寿命更长。

同时，对比表2、表3数据可知：1）降低温度、压差，提高转速，会缩短O形密封圈的工作寿命，但扁平密封圈的寿命变长了。可见O形圈对转速变化的敏感性更强，不能应用于超高转速工况；扁平密封圈对转速变化的敏感性一般，可以在较高转速下应用。2）在恶劣工况下扁平密封圈的寿命远长于O形密封圈，这与等效应力分析结果一致。3）压差、温度、转速对扁平密封圈寿命的影响较小，也说明了在高压、高温及高转速下扁平密封圈的性能更好，密封可靠性更强，这与接触应力分析结果一致。

通过实验得到的压差、温度及转速对密封圈寿命的影响规律与已有理论分析结果[26]一致，证明了牙轮钻头密封试验机的可行性与试验数据的可靠性。

4 结 论

本文根据牙轮钻头深井工作机理设计了一种加工容易、操作简单的牙轮钻头密封试验机。在试验机上可模拟密封圈在牙轮与轴颈中的装配情况，同时还可将试验参数设置为实际工况下的参数，保证了试验结果的可靠性。

通过对O形密封圈和扁平密封圈性能的有限元仿真分析可知：1）扁平密封圈的等效应力较小，接触应力较大，表明扁平密封圈具有更长的寿命和更好的密封可靠性；2）在高压、高温和高转速下，扁平密封圈的应力变化更小，表明其密封性能更好。

通过密封圈寿命测试实验可知：在更恶劣的工况下，扁平密封圈的寿命远长于O形密封圈，且其密封性能更好。实验结果与等效应力、接触应力的分析结果一致，证明了牙轮钻头密封试验机的可行性。

密封圈寿命的影响因素及其影响规律的实验结果与已有理论分析结果一致，证明了密封试验机能进行牙轮钻头密封试验，并能保证试验数据的可靠性。

参考文献

ZHOU J F， GU B Q.

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