双三角滑环式组合密封的密封性能分析
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ｎｇｙａｎｇ
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：２Ｄ ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃ ｓｌｉｐ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｅａｌ ｒｉｎｇ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｉｎ ｎｅｗ ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｕｍｐ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ２Ｄ ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｐ ｒｉｎｇ，ａｒｃ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｗｉｄｔｈ，ｐｒｅ⁃ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｍａｇ⁃ ｎｉｔｕｄｅ ｏｆ Ｏ⁃ｒｉｎｇ） ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ） ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｅａｌ ａｎｄ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎ⁃ ｔｉａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｉｃ ｓｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｌｌ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｅｘｃｅｐｔ ｓｌｉｐ ｒｉｎｇ ｗｉｄｔｈ ｂｒｉｎｇ ｂｉｇ ｉｍｐａｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕ⁃ ｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ｍａｉｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｓｅａｌ ｒｉｎｇ ｈａｓ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｅｌｆ⁃ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｍａｉｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｏ⁃ｒｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｓｅａｌ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｉｎ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍｏｖｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｓｅａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｏ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｘｔｅｎｔ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｉｓ ｉｎ ｒａｄｉａｌ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｍｏｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉ⁃ ｃａｎｔｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｏａｘｉａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ．
关键词： 双三角滑环； 接触应力； 往复密封； 偏心率 中图分类号： ＴＢ４２ 文献标志码： Ａ 文章编号： ０２５４－０１５０ （２０１８） １０－１０４－０７
Ｓｅａｌｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｓｌｉｐ Ｒｉｎｇ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｓｅａｌ
童 华 陈明旸
（ 西南石油大学机电工程学院 四川成都 ６１０５００）
摘要： 针对新型井下排水泵驱动气缸活塞中使用的双三角滑环式密封圈， 建立其二维轴对称与三维实体有限元模 型。 采用二维轴对称模型分析滑环的最小厚度、 圆弧半径、 宽度与 Ｏ 形圈预压缩量等几何参数和介质压力、 往复运动 速度、 环境温度等工作参数对其静密封和往复动密封性能的影响。 采用三维实体模型分析环向接触应力分布和活塞径 向偏心对密封性能的影响。 结果表明： 在静密封中， 除滑环宽度外的几何参数会对主密封面的接触应力大小和分布产 生较大影响； 介质压力增加时， 密封圈具有较好的自封性； 环境温度的增加会降低最大接触应力与 Ｏ 形圈的最大Ｍｉｓｅｓ 应力； 在动密封中， 最大接触应力随时间呈波动变化， 介质压力、 运动速度与环境温度在一定范围内会影响其密封性 能； 当活塞处于径向偏心运动状态时， 密封性能会随着偏心量的增大而明显降低， 故应采取措施尽量提高活塞在气缸 中的同轴度。
双三角滑环式组合密封的密封性能分析∗
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２０１８ 年 １０ 月 第 ４３ 卷 第 １０ 期
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｏｃｔ������ ２０１８ Ｖｏｌ������ ４３ Ｎｏ������ １０
ＤＯＩ： １０������ ３９６９ ／ ｊ������ ｉｓｓｎ������ ０２５４－０１５０������ ２０１８������ １０������ ０１８
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：２Ｄ ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃ ｓｌｉｐ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｅａｌ ｒｉｎｇ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｉｎ ｎｅｗ ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｐｕｍｐ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ２Ｄ ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｐ ｒｉｎｇ，ａｒｃ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｗｉｄｔｈ，ｐｒｅ⁃ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｍａｇ⁃ ｎｉｔｕｄｅ ｏｆ Ｏ⁃ｒｉｎｇ） ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ） ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｅａｌ ａｎｄ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎ⁃ ｔｉａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｄｉａｌ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｉｃ ｓｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｌｌ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｅｘｃｅｐｔ ｓｌｉｐ ｒｉｎｇ ｗｉｄｔｈ ｂｒｉｎｇ ｂｉｇ ｉｍｐａｃｔ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕ⁃ ｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ｍａｉｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｓｅａｌ ｒｉｎｇ ｈａｓ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｅｌｆ⁃ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｍａｉｎ ｓｅａｌｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｏ⁃ｒｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｓｅａｌ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｉｎ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍｏｖｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｓｅａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｏ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｘｔｅｎｔ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｉｓ ｉｎ ｒａｄｉａｌ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｍｏｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉ⁃ ｃａｎｔｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｏａｘｉａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ．
关键词： 双三角滑环； 接触应力； 往复密封； 偏心率 中图分类号： ＴＢ４２ 文献标志码： Ａ 文章编号： ０２５４－０１５０ （２０１８） １０－１０４－０７
Ｓｅａｌｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｓｌｉｐ Ｒｉｎｇ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ Ｓｅａｌ
童 华 陈明旸
（ 西南石油大学机电工程学院 四川成都 ６１０５００）
摘要： 针对新型井下排水泵驱动气缸活塞中使用的双三角滑环式密封圈， 建立其二维轴对称与三维实体有限元模 型。 采用二维轴对称模型分析滑环的最小厚度、 圆弧半径、 宽度与 Ｏ 形圈预压缩量等几何参数和介质压力、 往复运动 速度、 环境温度等工作参数对其静密封和往复动密封性能的影响。 采用三维实体模型分析环向接触应力分布和活塞径 向偏心对密封性能的影响。 结果表明： 在静密封中， 除滑环宽度外的几何参数会对主密封面的接触应力大小和分布产 生较大影响； 介质压力增加时， 密封圈具有较好的自封性； 环境温度的增加会降低最大接触应力与 Ｏ 形圈的最大Ｍｉｓｅｓ 应力； 在动密封中， 最大接触应力随时间呈波动变化， 介质压力、 运动速度与环境温度在一定范围内会影响其密封性 能； 当活塞处于径向偏心运动状态时， 密封性能会随着偏心量的增大而明显降低， 故应采取措施尽量提高活塞在气缸 中的同轴度。
双三角滑环式组合密封的密封性能分析∗
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２０１８ 年 １０ 月 第 ４３ 卷 第 １０ 期
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｏｃｔ������ ２０１８ Ｖｏｌ������ ４３ Ｎｏ������ １０
ＤＯＩ： １０������ ３９６９ ／ ｊ������ ｉｓｓｎ������ ０２５４－０１５０������ ２０１８������ １０������ ０１８