新型高压旋转密封的研制
高压机械用密封件的设计原理与优化方法
高压机械用密封件的设计原理与优化方法密封件是广泛应用于各类高压机械设备的重要部件，它的主要功能是防止介质泄漏和外部杂质进入机械设备中。
在高压机械设备中，密封件的设计和性能直接关系到设备的安全运行和效率。
设计原理：高压机械用密封件的设计原理主要包括密封原理、材料选择和结构设计。
1. 密封原理密封原理主要包括两种类型：静密封和动密封。
静密封是指密封件在静止状态下阻止介质泄漏；而动密封是指密封件在运动状态下实现设备的密封。
两者的设计原则和方法有所不同。
对于静密封，常用的原理包括压缩密封、摩擦密封和表面膜密封。
压缩密封是通过将密封件在接触面上施加足够的压力来实现密封；摩擦密封则是通过摩擦和接触面的高度精加工来形成密封；表面膜密封是利用表面膜层覆盖在接触面上以实现密封。
对于动密封，主要包括旋转密封、往复密封和摆动密封三种。
旋转密封是指密封件实现在旋转轴上阻止介质泄漏；往复密封是指密封件随着运动的往复运动来实现密封；摆动密封是指密封件在摆动运动中实现设备的密封。
2. 材料选择密封件的材料选择是密封件设计中非常重要的一环。
它直接影响到密封件的耐压性、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
常用的密封材料包括橡胶材料、金属材料和非金属材料等。
橡胶材料具有良好的弹性和耐腐蚀性能，在低压和一般介质条件下具有良好的密封效果；金属材料具有良好的耐压性和耐磨性能，在高压和严酷介质条件下能够保持密封效果；非金属材料如陶瓷材料和聚合物材料等，具有良好的耐高温和耐腐蚀性能，适用于特殊的高温和腐蚀介质条件。
在材料选择中，还需要考虑到密封件的耐磨性、耐侵蚀性、温度范围、化学稳定性和压力等特性，以确保密封件在长期运行中能够保持良好的性能。
3. 结构设计密封件的结构设计也是密封件设计中关键的一环，它直接影响到密封件的可靠性和密封效果。
在结构设计中，首先需要进行密封件的几何形状和尺寸设计。
几何形状和尺寸的设计需要考虑到密封件的密封面的接触压力、接触面积和形状等因素，以确保密封面的良好接触和密封效果。
高压旋转封井技术
高压旋转封井器本实用新型涉及一种油田修井作业钻柱在钻水泥塞、套铣、磨铣、造扣等对钻杆旋转或停止过程中的井口密封装置。
包括：上壳体、推力轴承、中心管、压盖总成、方补芯、连接螺栓、密封芯子、芯子底面密封圈、芯子密封圈、中心管上密封、注油杯、吊装钩、上下壳体连接螺栓、中心管下密封、下壳体、中心管扶正轴承、中心管主轴承。
本实用新型的组成保证了扶正钻杆在井内旋转或停止时对井口的密封，有效地防止了井内带压液体从井内喷出；实现了修井作业钻具旋转时对井口的高压密封，防止了环境污染和井喷。
权力要求书1、高压旋转封井器其主要组成为：上壳体、推力轴承、中心管、压盖总成、方补芯、密封芯子、芯子圆周及底面密封圈、中心管上、下密封、注油杯、吊装钩、连接螺栓、下壳体，中心管扶正轴承、中心管主轴承。
2、根据权力要求所述的高压旋转封井器，其特征在于：方补芯套在压盖中，由两体组成内外四方形，以便于安装，如图2所示。
钻柱通过内四主传递扭矩至方补芯。
3、根据权力要求所述的高压旋转封井器，其特征在于：压盖总成是由对称两体组成，为内四方，便于钻柱穿过后再安装压盖总成，如图2所示。
4、根据权力要求所述的高压旋转封井器，其特征在于：对密封芯子上端凸沿部分设置了圆圈密封和底面密封，以增强密封芯子外周对中心管内圆的密封。
5、根据权力要求所述的高压旋转封井器，其特征在于：密封芯子内孔具有方体形密封和圆柱形密封，芯子采用聚四氟乙烯及加强筋加工，无论钻具是方柱体还是圆柱体，都具有密封功能，如图3所示。
6、根据权力要求所述的高压旋转封井器，其特征在于：设置了中心管扶正轴承，解决了由于中心管下部较长，在旋转中的摆动问题，增强了旋转时稳定性。
7、根据权力要求所述的高压旋转封井器，其特征在于：中心管相对于上、下壳体内圆的密封设置了中心管外圆上部双通“O”型密封圈，下部为双通“yx”密封圈和一通“O”型密封圈，保证了中心管外圆的密封。
说明书高压旋转封井器技术领域本实用新型涉及一种油田修井作业钻柱在旋转作业或停止时对井口的密封装置。
新型高压旋转密封的研制
在旋转轴端 面上 ，依靠两者的紧密接触实现密封。同
时 ，密封副材 料 为一 软 一硬 ，即密封 体 软 ，旋 转 轴
新型高压旋转密封属机械端 面密封 ，其基本结构
收稿 日期 ： ０ ５ ２— １ ２ ０ —１ ２ 联 系人 ：刘 伟 ，Ｅ ｍ ｉ ｉ ｅ ｐ． ｄ ． Ｉ － ａ ：ｌ ｗ ｉ ｕ ｅ ｕ Ｃ ． ｌ ｕ ＠ｈ １
硬 ，在旋转轴高速旋转时 ，必然使密封体的密封端 面 磨损 ，而这时密封体受液压力和弹簧力的作用进行轴
向移 动 ，始终保证密封端面 的紧密接触 ，实现密封间 隙的 自动补偿 。
维普资讯
ｔ ｎ，ｅ ｓｌａ ａ ｅ，ｂ ｔｅ ｅｉｂｌｔ ｌｎ ｅ ｅｖｃ ｉｅｆ ｎ ｔ ｎ ｅｃ，ｔｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｉ ｈ ｙ ｔ ｍｓｏ ｕ ｐｉ ｇｈ ｇ － ｒ ｓｕ ｅ ｉ ｌｓ ｅ ｋ ｇ ｏ ｅｔｒｒｌａ ｉ ｙ，ｏ ｇ ｒｓ ｒｉｅｌｆ ｕ ｃ ｉ ｔ ｉ ａ ｅｕ ｅ ｎ ｔｅ ｓ ｓｅ ｆｓ ｐ ｌ ｉｈ ｐ ｅ ｓ ｒ ｉ ｏ ｎ
ｌ ｉ ｆｕｄ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｗｉｅ ； ｕｏ ｃ ｎ ｒｌ ｎ ａ ｓ ａｅ ｎ ｌａ ｙ ｒ ｓ ｓ ｖ ｌ ａ ｔ－ ｏ ｔ ｌ ｇｇ ｐ；ｅ ｄ ｅ ｄ；ｅ ｋ ｏ ｉ ｌ
１ 问题 提 出
如图 １ 示 ，主要部 件 有壳 体 、密封 体 、０形 密 封 所 圈 、旋转轴 、轴 承 、轴套 、压 紧弹簧等 ，旋 转轴是一 空心轴 ，在一对轴承的支撑下 可作高速旋转运动 ，旋 转轴的端面即为密封端 面 ，上 面均匀 分布着 ３个环形 均压槽 ，如图 ２所示 。密封体不作旋转运动 ，在 压紧
况下 ，密封端 面的发热量 大 ，且 又不易扩散 ，极易烧 坏密封件。 鉴于上述问题 ，本文 作者在 分析研究 和借鉴现有
一种高压高速旋转轴用密封的实用设计研究
密封形式 : 旋转轴用密封 ;
©
112
润滑与密 封
第 33卷
密封适用压力范围 p″<
40 M Pa;
密封 适 用 线 速 度 v″<
012 m / s;
密封适用介质 : 普通液
压油 ;
密封适用温度 : 常温 。
的压缩率是能够根据实际要求改变的。本文作者通过
对其结构进行分析 , 以及对其它同样采用弹性体弹性
变形理论的产品进行解剖 , 特别是针对进口的滑环式
同轴组合密封产品进行分析 , 改进其结构 , 得到了另
外 2 种 旋 转 轴 用 滑环 式 组 合 密 封 圈 , 如 图 3 ( a) 、
( b) 所示 。
图 1 高速高压旋转密封安装示意图
本文作者在进行密封设计的过程中 , 碰到了下述 一种工况条件 (如图 1所示 ) :
密封形式 : 旋转轴用密封 ; 密封安装沟槽基本尺寸 : 轴径 d = 130 mm, 密封 圈安装外径 D =155 mm, 密封圈轴向安装尺 寸 L = 12 mm; 密封要求 : 旋转轴旋转速度 ω = 650 r/m in, 密封 圈需要密封的液压力 p =16 M Pa; 密封介质 : 轴承采用脂润滑 , 液压力 p由采用普 通液压油的 液 压系 统提 供 , 即 密封 圈密 封 普通 液压 油;
一种高压高速旋转轴用密封的实用设计研究
A ug. 2008 V ol133 No18
刘建红 林成志 徐卫平
(广州宝力特液压密封有限公司 广东广州 510700)
摘要 : 为了解决高速高压的旋转轴用密封问题 , 使普通液压油不泄漏到安装的轴承上 , 使轴承在工作中正常润滑 , 保持正常使用寿命 , 利用弹性体弹性变形原理 , 选取适当弹性压缩率 , 参考多种密封结构 , 设计了一种高速高压轴用密 封 , 为该问题的解决提供了一种较好的密封方案和密封结构 。
高压旋转密封的研制与应用
高压旋转密封的研制与应用Ξ李宝彦1 李淑华1 马新民2 路江安2(1.大庆石油学院机械学院 黑龙江省大庆市 163318;2.大庆电泵公司 黑龙江省大庆市 163311)摘要:增压注水装置是油田注水开发的重要设备,该设备的决定性部件是高压密封。
在高压旋转的条件下,要求密封性能可靠,寿命长。
通过采用多级串联、密封单元间均压和初级密封使用流体动压式等技术,成功地研制出高压旋转密封。
通过现场试验和推广应用,具有适用性好、互换性强、方便使用和管理、成本低等特点,满足增压装置的使用要求。
关键词:高压 旋转密封 增压注水 均压阀 多级串联Development and Application of H igh Pressure R otating SealLi Baoyan 1 Li Shuhua 1 Ma X inmin 2 Lu Jiangan 2(1.Mechanical Engineering C ollege ,Daqing Petroleum Institute ,Daqing 163318,China ;2.Daqing Submarine Pump C orporation ,Daqing 163311,China )Abstract :Increasing pressure injection device is an important equipment for development of oilfield ,the keyunit ,high pressure seal ,is required to have high sealing performance and long life under high pressure and rotating conditions ,High pressure rotating seal is developed success fully by technology of multi 2stage in series ,averaging pressure between seal chambers and fluid dynamical pressure seal for the first seal.By tests and application in oilfield ,it can meet the requirements of increasing pressure injection device and has the characterics of nice in suitability ,excellent in interchangeability ,convenient in use and management and low in cost.K eyw ords :H igh Pressure R otating Seal I ncreasing Pressure I njection Averaging Pressure V alve Multi 2Stage in Series 注水开发是油田采用的主要开发手段,通过注水井向地层注水,保持地层压力和补充能量,提高采油速度和采收率。
高压旋转动密封装置[实用新型专利]
![高压旋转动密封装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/fb814e224531b90d6c85ec3a87c24028915f859e.png)
[19]中华人民共和国专利局[12]实用新型专利说明书[11]授权公告号CN 2222265Y[45]授权公告日1996年3月13日[21]ZL 专利号95213047.5[21]申请号95213047.5[22]申请日95.6.20[73]专利权人大庆电泵公司采油配套中试厂地址151400黑龙江省大庆市中兴北街28巷1号共同专利权人大庆石油学院[72]设计人李宝彦 唐录 杨元健 路江安 李淑华黄小平 [74]专利代理机构北京万科园专利事务所代理人张亚军[51]Int.CI 6F16J 15/16权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 1 页[54]实用新型名称高压旋转动密封装置[57]摘要本实用新型公开了一种高压旋转动密封装置，密封箱轴上套装着动密封环，与动密封环相接的静密封环固定在密封连接体上，该连接体上还设有均压阀，上述四种零件构成密封单元，多个密封单元串联起来，以共同承受由泵吸水口流进的高压水，密封效果好，密封寿命长，密封箱轴的左端设有两个向心推力球轴承，两者串联安装，有效地承受轴向力；本实用新型结构简单，解决了高压注水的密封问题。
95213047.5权 利 要 求 书第1/1页 1、一种高压旋转动密封装置；其特征在于密封箱轴上套装着动密封环，与动密封环相接的静密封环固定在密封连接体上，该密封连接体上设有均压阀，上述动密封环、静密封环、密封连接体和均压阀形成密封单元，多个密封单元串联起来；两密封连接体间由螺钉连接固定，左端的密封连接体和静密封环分别固定在左端的端盖上，右端的密封连接体的右端经螺钉连接在密封支座上，密封支座与末级动密封环间、密封端头与末级动密封环间设有钢背复合滑动轴承，密封支座与密封端头的小端外面设有扶正套，密封端头与带有泵吸水口的密封箱体的右端固定，密封箱体左端与端盖及轴承箱体的右端固定在一起；在轴承箱体与密封箱轴间设有滚动轴承，轴承箱的两端设有密封。
2.如权利要求1所述的高压旋转动密封装置，其特征在于轴承箱体与密封箱轴间安装着两个向心推力球轴承。
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2006年9月第9期(总第181期)润滑与密封LUBR I CATI O N ENGI N EER I N GSep 12006No 19(serial No 1181)收稿日期:2005-12-21联系人:刘伟,E 2mail:liuwei@hpu 1edu 1cn 1新型高压旋转密封的研制刘 伟 荆双喜(河南理工大学 河南焦作454000)摘要:探讨了高压旋转密封存在的问题,提出了间隙自动补偿式新型旋转密封方案,分析了新型密封的结构及工作原理,试验表明,该密封结构合理、寿命长、性能稳定、泄漏小,可广泛应用于高压旋转供液系统。
关键词:旋转密封;间隙自动补偿;密封端面;泄漏中图分类号:T B42 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2006)9-190-2Develop ment of New 2type H i gh 2pressure Swi velL iu W e i J i ng S hua ngxi(Henan Polytechnic University,J iaozuo Henan 454000,China )Abstract:The p r oblem s of high 2p ressure s wivel in use were discussed and a new type high 2p ressure s wivel with auto 2controlling gap was devel oped .The experi m ental results show that the new s wivel has advantanges of reas onable construc 2tion,less leakage,better reliability,longer service life function etc,it can be used in the system s of supp ling high 2p ressure fluid .Keywords:s wivel;aut o 2controlling gap;sealed end;leak1 问题提出旋转密封广泛应用于旋转供液系统,其密封形式有径向密封和端面密封,就端面密封而言,又有平衡式、部分平衡式和非平衡式之分,这些密封普遍适用在中低压工作环境中,当用在高压条件下则存在很多问题:(1)不易作高速旋转运动,如用于高速旋转,则密封件磨损迅速,从而导致密封失效。
(2)常用在中低压状态,不易在高压状态下运行,由于这类密封依靠变形来实现,且密封材料多为橡胶、尼龙、石墨等,在高压状态下密封材料受压变形严重,磨损迅速,寿命较短。
(3)密封间隙不易调整,在高转速、高压力情况下,密封端面的发热量大,且又不易扩散,极易烧坏密封件。
鉴于上述问题,本文作者在分析研究和借鉴现有技术的基础上,通过多次的设计制作和试验,研制出了适用于高速、高压条件下的新型高压旋转密封,该密封结构简单,性能稳定,寿命长,且能实现密封间隙的自动补偿。
2 新型高压旋转密封的基本结构及工作原理211 基本结构新型高压旋转密封属机械端面密封,其基本结构如图1所示,主要部件有壳体、密封体、O 形密封圈、旋转轴、轴承、轴套、压紧弹簧等,旋转轴是一空心轴,在一对轴承的支撑下可作高速旋转运动,旋转轴的端面即为密封端面,上面均匀分布着3个环形均压槽,如图2所示。
密封体不作旋转运动,在压紧弹簧的作用下只能轴向移动,实现因密封端面的磨损来自动补偿密封间隙。
O 形密封圈只起静密封的作用。
212 工作原理高压液体从密封体的中心孔进入,经密封腔后由旋转轴的中心孔流出。
本密封为部分平衡式端面密封,密封体在弹簧和液体共同产生的作用力下,压紧在旋转轴端面上,依靠两者的紧密接触实现密封。
同时,密封副材料为一软一硬,即密封体软,旋转轴硬,在旋转轴高速旋转时,必然使密封体的密封端面磨损,而这时密封体受液压力和弹簧力的作用进行轴向移动,始终保证密封端面的紧密接触,实现密封间隙的自动补偿。
3 新型高压旋转密封的设计图3 密封体受力示意图新型高压旋转密封的关键部件是密封体和旋转轴,两者的结构、材料、加工质量等因素直接影响密封的性能和寿命。
图3为密封体受力示意图。
311 密封加载系数的确定加载系数为介质压力作用在密封上的有效面积A C 与密封端面面积A 之比值,用K 表示,则:K =A C /A =(D 22-D 24)/(D 23-D 24)加载系数的大小表示介质压力加到密封端面的载荷程度,本密封为部分平衡式,根据《机械密封技术条件》(JB /T 41271299)规定,K 的取值范围为0<K <1,设计时取值K =016。
312 密封端面比压的确定密封端面比压为密封端面单位面积上所承受的压力,用p c 表示,它是影响密封性能和寿命的主要因素之一。
弹簧力作用在密封端面单位面积上的压力为弹簧比压,用p s 表示,则:p c =p s +(K -λ)p式中:p 为介质压力;λ为反压系数,其值与密封端面上的液膜压力分布有关,一般为直线分布。
由《机械密封技术条件》(JB /T 41271299)规定,p c 的取值范围为013Φp c Φ016。
313 密封材料的选择密封的材料对密封的性能影响很大,通过计算,本设计p c v 值为0165MPa ・m /s,远小于聚四氟乙烯等材料的许用值,故密封体材料选用聚四氟乙烯,旋转轴材料选用45#钢。
314 密封端面的宽度和高度的确定密封端面的宽度也是一个重要的几何参数,摩擦产生的热与密封端面的宽度成正比,若密封面太窄,会使密封面接触比压增大,磨损加剧。
根据《机械设计手册》表331425规定,取密封端面的宽度为4mm,密封端面的承磨高度为3～4mm 。
315 密封端面的几何形状密封端面的几何形状主要有表面形状误差、表面相对旋转轴线的垂直度和表面粗糙度3部分组成。
机械密封端面的形状误差用平面度表示,根据《机械密封技术条件》(JB /T 41271299)规定,其平面度为019μm 。
密封端面相对旋转轴线的垂直度是影响密封性能的重要因素之一,垂直度误差愈大,旋转轴旋转时整个密封端面的间隙愈不均匀,密封性能愈差,一般取垂直度误差不大于018μm 。
根据《机械密封技术条件》(JB /T 41271299)规定,本设计旋转轴端面的粗糙度为R a 012μm,密封体端面的粗糙度为R a 014μm 。
4 试验及结果分析高压旋转密封的性能参数主要决定于泄漏量和密封端面的磨损度,而泄漏量和磨损度主要决定于密封端面的摩擦状态,为此作者着重研究了泄漏量、密封摩擦力与液体压力、转速的关系,试验时高压液体为清水,密封端面的润滑为自润滑。
411 密封泄漏量与水压的关系密封泄漏量与水压的关系如图4所示。
当旋转轴转速不变的情况下,水压较低时泄漏量较大,随着水压的继续升高泄漏量急剧减小,当水压升至1317MPa 时,泄漏量接近于零,水压继续上升时,密封不再泄漏。
412 密封泄漏量与转速的关系密封泄漏量与转速的关系如图5所示。
试验表明,当水压不变时,旋转轴转速的变化对泄漏量几乎没有影响。
在理论上,液体端面密封体积泄漏量Q 为:Q =C Q πh 3ΔP /[6μln (R 2/R 1)]式中:C Q 为泄漏量修正系数,h 为密封台高度,R 1、R 2分别为密封端面的内、外圆半径。
理论表明,泄漏量主要取决于密封端面的几何参数,而与转动速度无关,本试验也证明了这一点。
413 密封摩擦力矩与水压的关系 图6 密封摩擦力矩与水压的关系密封摩擦力矩与水压的关系如图6所示。
试验表明,当水压由3MPa 到1317MPa 逐渐升高时,摩擦力矩缓慢增大,这是因为密封端面间存在水压力膜,此时摩擦因数较小。
当水压继续升高时,摩擦力矩迅速线性增大,这是因为密封端(下转第217页)1912006年第9期刘 伟等:新型高压旋转密封的研制动式接头,装卸十分简便。
常用于16～300MPa 的液图3 软管快换式接头结构原理图(密封部分)压系统。
此种结构泄漏的原因主要有:O 形圈老化、O 形圈变形、O 形圈有切口。
治漏时,通常需要更换O 形圈子、防挤垫即可。
而公母锥顶压密封的泄漏,大多是由于两锥面有伤痕所致。
其处理办法是另配一套公母锥,用研磨砂对锥面进行研磨。
其锥面无烧伤,无沟痕,粗糙度小于R a 116mm,并旋紧压实即可。
另外,,多采用扣压套进行扣压连接。
有人也把这种形式的管接头,叫作扣压式管接头。
此类扣压管宜用于耐油橡胶夹多层钢丝纺织网制成的高压管,对于塑料或尼龙管而言,因扣压过程中夹紧力较大,夹紧后管壁应力集中严重,软管整体强度被破坏,所以不便用这种连接方式。
作为高压软管,因耐油橡胶内增加了多层钢丝网,所以扣压后,对管的强度影响不大。
4 防止泄漏的其它措施411 正确选用液压油一个新的液压系统,所用液压油牌号要按说明书规定的品号选择,对于使用了多年的液压设备,其液压油品号要逐步提高,相对提高其粘度,以弥补因元件磨损和密封件老化带来的泄漏。
412 选择合适的冷却设施液压系统在工作中,一部分能量要化为无功消耗并导致系统油温升高。
随着油温上升,油的粘度下降,增加了泄漏,加速了橡胶密封件的老化。
为此要选择合适的冷却设施。
在实际操作过程中,常用的冷却方式有水冷和风冷。
不管采用哪种方法,都要将油温控制在系统许可的范围之内。
413 要规范修理装配工艺液压系统防漏中,要规范修理或装配工艺,防止切边,防止修理过程中的磕碰,培养维修人员文明操作和生产的良好习惯。
在作业现场,要保持现场的整洁,拆卸每一个零件前,都要将其外表面擦拭干净,防止系统污染,造成系统泄漏。
参考文献【1】章宏甲,黄谊.液压传动[M ].北京:机械工业出版社,1993.【2】冯长征.液压系统橡胶密封失效的原因分析及预防[J ].建筑机械,2000(1):33-35.【3】崔永勃.液压系统泄漏的分析及防治措施[J ].机械管理开发,2000(2):61-62.【4】杨兵,彭南越.液压系统中的静密封[J ].建设机械技术与管理,2000(2):44-45.【5】王福东,朱鸿斌.农机液压系统常见故障及排除[J ].现代化农业,2005(4):33-34.(上接第191页)面间已不存在水压力膜,端面间的摩擦因数为2种材料间的滑动摩擦因数,其摩擦力矩随端面间正压力的增加而线性增大。
5 结论新型高压旋转密封适用于小泄漏或无泄漏要求的高压旋转供液系统,具有密封端面磨损自动补偿功能,寿命长,性能稳定;供液压力越高其泄漏量急剧减小或无泄漏,且泄漏量不随旋转速度的变化而变化;密封形式为部分平衡式或平衡式,可减少或消除供液压力对摩擦力矩的影响,减少无用损耗,降低磨损,延长寿命;密封性能主要取决于密封的结构、密封端面的几何参数和加工质量等。