井下斜盘式增压器的优化设计结题论文.docx
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井下斜盘式增压器的优化设计结题论文
井下斜盘式增压器的优化设计
第一章螺杆钻具结构及其工作特性研究
1.1螺杆钻具工作原理
螺杆钻具是一种以油基泥浆、乳化泥浆及粘于等各种钻井液作为动力液,把液体的压力能转换为机械能的容积式井下动力钻具。
当泥浆泵产生的高压泥浆流经旁通阀进入马达时,转子在压力泥浆的驱动下绕定子的轴线旋转,马达产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头,从而实现钻井作业。
1.2螺杆钻具的结构组成
目前所生产的螺杆钻具大都包括下列主要部件:
(1)位于马达部件上端由阀体、阀芯、阀套、阀口等组件组成的旁通阀。
(2)内部衬有橡胶的定子外壳,它和钻柱相连,具有Z2+1个螺旋腔。
(3)一个金属的螺旋驱动轴(转子)具有Z2个瓣,其表面进行了抗磨损的处理。
(4)一个铰按的轴用挠性轴或是万向街头连按到驱动轴及钻头上。
(5)滑动的或滚动的径向轴承和止推轴承,使钻子组件找正与定位,并在轴向驱动钻头。
概括起来螺杆钻具主要由以下几部分组成:
旁通阀、马达、Tc轴承与推力轴承、万向轴、传动轴等几部分组成。
1.2.1旁通阀
旁通阀位于马达部件上端,由阀体、阀芯、阀套、弹簧、阀口总成等组成,它的作用是在压力作用下时阀芯在阀套中滑动,阀芯的运动改变液体的流向,使得旁通阀有旁通和关闭两个状态;一般情况下,在起、下钻作业过程中,阀套与阀体通孔未闭合,旁通阀处于旁通状态;在起钻时一使钻杆内的钻井液从阀体侧面的阀口流入环空,下钻时一允许环空(钻杆与井壁的环形空间)的钻井液由旁通阀阀侧面的阀口孔流入钻杆内;这样可使钻井液不至于溢于井台上。
正常情况下,旁通阀的启闭完全由钻井液的流量大小决定。
标准设定值时一,阀芯下移,当泥浆流量值过小或停泵时关闭旁通阀孔,此时一泥浆流经马达当泥浆流量和压力达到把压力能转变成机械能。
弹簧把阀芯顶起,旁通阀孔处于开启位置处于旁通状态。
总之,正常情况下旁通阀的启闭完全由流量大小决定的。
旁通阀不是螺杆钻具工作时一的必须部件。
在水平钻井中,为了防止停泵时一环空钻井液内的岩屑从旁通阀的筛板进入马达,往往不装旁通阀,或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态,在直井段的钻柱上安装一个钻柱旁通阀,来代替钻具旁通阀的作用。
1.2.2马达部件
马达部分是按法国工程师ReneMoineau研究发明的原理进行设计,它是由Z2瓣(或称头)数的轴和嵌入在一个带凹槽的壳体所组成,壳体凹槽瓣数Z1=Z2+1.马达的横剖面图表明轴和壳体呈波浪形轮廓,每个波形相当于一个瓣,并叫马达有Z1/Z2个瓣数。
下面仅以转子与定子啮合头数为5:
6和9:
10的截面为参考,如图1-1所示。
我们把有z2瓣数的轴叫做转子,它是由一根经过加工并目_镀有一层防腐材料的左旋螺杆,转子的上端是自由的,其下端与万向轴相连。
把带凹槽的有Z1=Z2+1个瓣数的壳体叫做定子;定子内是一个模压成型的橡胶套筒,它的内部是螺旋通道,包容转子,外部是由金属做成的套筒。
如图1-2所示:
图1-1
如图1-2
在转子装入定子后,形成马达,任意截取一个垂直于轴线的截面,它们两者都是共扼啮合的,因此,绕轴线的转子上有一系列啮合点,这些啮合点封闭起来的容腔组成一个密封腔;因为马达一般是多头的,因此,转子在定子内可形成多个互补相通的密封腔。
当压力液进入马达时,在转子的螺旋曲面上产生了动力矩,迫使转子在定子内做行星运动,从液能转换成机械能。
这就是马达的基本工作原理。
根据马达头数的多少钻具分高速、中速和低速。
马达的头数越少,转速越高,扭矩越小;马达的头数越多,转速越低,扭矩越高。
1.2.3万向轴部件总成
万向轴部件总成位于转子下端,它由两个元件组成:
万向轴壳体和万向轴,壳体通过上、下螺纹分别和吗达定子壳体下端及传动轴壳体上端水帽相连接。
其作用是将转子与传动轴连接起来,将转子的行星运动转换成传动轴的定轴传动,从而把马达的输出扭矩和转速传递给传动轴钻头上。
万向轴有几种不同的结构形式,应用最普遍的是以下两种形式:
(1)挠轴形式,这种结构形式是靠挠轴自身的弯曲变形来适应转子的行星运动,同时一缩短了钻具总长度。
(2)万向节形式,这种形式的万向轴结构紧凑,传递扭矩较大。
1.2.4传动轴部件总成
传动轴部件总成的一般由壳体、传动轴、上径向轴承、平面推力轴承组和下径向轴承及其他辅助零件组成。
流经万向轴壳体的钻井液从导流水帽进入传动轴中间的流道,并从钻头的水眼喷出清洗岩屑。
传动轴部件总成通过外壳与定子相连控制钻头的钻进方向,并同时一承受钻压所产生的轴向和径向负荷。
传动轴总成是螺杆钻具中最要害的部位,因为传动轴总成内的轴承常常决定螺杆钻具的工作寿命,轴承组合的功能主要有以下两个:
(1)把轴向载荷传递到钻头上,这是通过平面推力轴承实现的,平面推力轴承由多列向心推力球轴承组成。
(2)使传动轴居中,以确保主轴平稳运转。
这是通过使用径向轴承实现的。
径向轴承是用弹性合成材料制成的套筒型轴承。
在传动轴总成中,通常装有两个径向轴承,称为上径向轴承和下径向轴承。
平面推力轴承装在上下径向轴承之间。
上径向轴承兼做限流器,控制一定的钻井液流过(约7%以内)来润滑径向轴承和平面推力轴承,然后从传动轴壳体下部排向环空;这就是为什么使用螺杆钻具时一要求钻井液的含砂量越小越好的原因。
1.3螺杆钻具的工作特性
螺杆钻具是按莫诺原理制成的井下动力钻具,采用容积式螺杆液压马达(以下简称马达)作为动力机,在性能上具有转速低、扭矩大、易于启动和过载能力强等特点,比涡轮钻具更有优越性,特别适合配用PDC钻头钻井。
理论研究表明螺杆钻具的工作特性主要取决于马达的转子与定子的横截面的过流面积通过线型参数设计来增大转子与定子横截面的过流面积,如不考虑机械效率的影响可使马达的每转体积流量、输出扭矩和轴向力(由马达压力降引起的转子轴向力)上升,使钻具的转速、转子与定子间的最大滑速及转子离心惯性力下降,并可使马达对钻井液中颗粒污物的敏感性降低。
若减小转子的偏心距,可使万向轴的运动幅度减小,从而可减小万向轴内的应力值。
减小偏心距,还会使转子离心力降低,并有助于减小钻具的横向振动。
这些理论上的研究结果为马达的优化设计提供了依据。
然而螺杆钻具的工作特性不仅是由转子与定子的线型参数决定的,制造和使用方法的因素对螺杆钻具工作特性的影响往往也是不可忽视的,大量的试验和使用实践证明了这种影响的严重性。
下面在制造经验和大量试验的基础上,简单分析制造和使用条件对螺杆钻具工作特性的影响。
1.3.1螺杆钻具的理论特性
在无漏失、无摩擦的理想状况下,根据能量守恒,在单位时一间内钻头输出的机械能BMW)应等于螺杆钻具马达输入的水力能(4PQ)。
1.3.2实际工作特性
事实上,理想的马达是不存在的,在钻具工作过程中,转子公转形成的离心惯性力、马达压力降△尸在转子上产生的倾斜力矩、定子和转子的尺寸精度与形状误差、马达副的配合间隙及定子橡胶的变形等因素都会破坏马达的理论密封,造成工作液(即钻井液)漏失。
另外,转子与定子间的滑动对配合表面的机械磨损、转子偏心造成的横向振动、转子轴向力的存在、钻井液流速造成钻具内部的冲刷磨损和局部水力损失等因素都会使钻具的总效率进一步降低,导致螺杆钻具的实际工作特性偏离理论工作特性。
因此,螺杆钻具存在机械效率门,和水力效率。
1.4本章小结
从以上对螺杆马达结构组成及其工作特性的研究,主要认识到以下几点:
(1)在理论上螺杆马达的转速只与钻井泵的排量Q和螺杆马达的结构尺寸有关,而与实际工况(钻压、扭矩等)无关;但是在实际情况中,螺杆马达存在着漏失量的问题,螺杆马达负载越大,则马达进出口间的压力降越大,马达的漏失量液越大,因而输出转速越低。
当负载超过定子橡胶的承载能力时一,会造成马达密封完全被破坏,钻具出现制动,此时一螺杆马达的转速降为零。
(2)螺杆马达的工作扭矩只与螺杆马达的总压降△P和结构尺寸有关,而与螺杆马达的转速无关。
(3)螺杆马达的转速和扭矩是各自独立的两个参数,马达的转速只与钻井泵的排量有关,而马达的扭矩与马达的总压力降△P和结构尺寸有关,两者互不影响。
(4)在理论上螺杆马达具有很好的硬特性和软特性,所谓的硬特性指螺杆马达不因负载M的增大而降低其转速,但是在实际情况中螺杆马达存在着漏失量的问题,螺杆马达负载越大,则马达进出口间的压力降越大,马达的漏失量液越大,因而输出转速也就越低。
螺杆马达软特性是指马达良好的过载能力,即螺杆马达的输出扭矩M随马达的总压降△P的增大而增大,这在实际工作状态下也是相符的。
(5)转速n随排量Q的变化而线性变化,因此可通过调节排量Q很容易地进行转速调节。
(6)工作扭矩M与转速N均与螺杆马达结构有关,增大马达每转排量,可获得适于钻井操作时一的低速大扭矩特性。
针对以上对螺杆钻具工作特性的系统研究,我们了解到,只要根据我们所需要实际扭矩、转速的大小,我们就可以选择扭矩相匹配的螺杆钻具。
第二章斜盘式增压装置的研制
结合以上对螺杆马达结构组成及其工作特性的研究与分析,我们设计出一套以螺杆马达为动力源的井下增压装置,该增压装置设计的前提是在不增加钻井泵目前常规排量和泵压的基础上设计的,下面就具体对斜盘式增压装置的可行性及其具体结构的设计进行分析。
2.1斜盘式增压装置原理分析及其结构
2.1.1增压装置工作原理分析
螺杆钻具在井下钻井液的水力驱动下做旋转运动,并以扭矩的形式输出能量
动钻头破碎岩石,在本设计中,螺杆钻具输出的能量不是用来带动钻头破碎岩石的来带,是用来对井下的部分钻井液实现增压的,增压至70MPa以上,并通过特殊的喷嘴喷出形成高速射流,对井底岩石进行破碎、切割,来实现提高钻井速度的目的。
经过研究设计,设计出的斜盘式增压装置。
此增压装置的工作原理为:
在井下钻井液水力能力的驱动下,驱动螺杆马达转子转动带动传动轴并以扭矩的形式输出能量,输出的能量经旋转接头的能量传递仍以扭矩的形式输出,此时一,由旋转接头传递的动力经动力转换体转换后,将原来的旋转运动转换为轴向的往复运动,动力转换体再带动过滤筒、柱塞一起作往复运动,从而实现对缸内钻井液的增压,经增压后的高压水射流,经高压管引流至特殊的高压喷嘴喷出,形成速度极高的水射流,达到井底冲蚀、破碎岩石提高钻井速度的目的。
螺杆马达旋转转子旋转一周就实现柱塞的一次往复运动。
由螺杆马达转子输出的能量经动力装换体后将旋转接头的旋转运动转换为柱塞部件总成的往复运动,这个转换过程是由动力转换体内的两个斜置圆柱凸轮槽实现的,在旋转体旋转一周的过程中,其中圆槽的2/3圈为柱塞的下行过程,在此过程中,通过旋转体的旋转亦带动销轴沿旋转接头轴线旋转,销轴通过轴套与圆槽的底面接触并对其施加斜向下垂直与槽底面的压力,动力转换体在向下分力的作用下迫使其下行,从而带动柱塞下行对缸内的钻井液进行增压,当缸内的钻井液达到一定的压力后,高压阀开启高压水射流从高压阀排出,经高压管的引流从喷嘴喷出破碎岩石,实现一次对井下部分钻井液的增压过程,这也是柱塞的下行过程。
当销轴沿旋转体的轴线旋转2/3圈以后,开始进入圆槽剩下的1/3圈,此时一轴套开始与圆槽的顶面接触,并对圆槽的上顶面施加压力斜向上的压力,动力转换体在向上分力的作用下迫使其开始上行,从而带动柱塞上行,在此过程中,高压阀在弹簧的作用力下关闭,进液阀在缸内外压差的压作用下开启,钻井液被吸入液压缸,当缸内外压力平衡后,进液阀在弹簧的作用力下关闭,柱塞的上行过程结束,接着进入柱塞的下一个行程。
在斜盘式增压装置的整个增压过程中,钻井液的流程如下:
压力为12~15Mpa的常规钻井液被输送到井下,将水力能传递给螺杆马达,并带动马达转子转动,其中大部分的钻井液由螺杆马达转子进入旋转体内部的流道,其中一小部分的钻井液(约7%用来润滑马达的轴承)从马达传动轴的的轴承缝隙流入旋转体外部腔内,经旋转接头外部流道与旋转接头内钻井液混合一起进入动力转换体,并通过动力转换体下端的流道进入过滤筒与长筒之间的环形腔内,在压力差的作用下,一部分钻井液经过滤网过滤进入柱塞内部通过进液阀进入高压缸内,经增压后从高压阀排出,经高压管引流从高压喷嘴高速喷射而出,冲击井底破碎岩石;大部分的常压钻井液从过滤网外的环形间隙一直向下流,通过柱塞外筒内的流道流入钻头,从钻头的普通喷嘴流出,对井底岩屑进行清洗。
2.1.2增压装置结构组成
此增压装置由螺杆马达、旋转接头、动力转换体、过滤筒、柱塞、柱塞外筒、接头等零部件组成。
我们按照增压装置各个部件的功能,将这套装置分解为四个功能单元,即动力单元、动力转换单元、固液分离单元和增压单元。
(1)动力单元
在动力单元中,我们将螺杆钻具作为动力单元的核心部件,它将钻井液的水力能量通过螺杆马达以扭矩的形式输出,并将其传递给旋转体;选择螺杆钻具作为我们的动力单元主体,是因为我们可以通过改变马达的头数和流量来满足我们对马达输出扭矩和转速的要求;但这里所需要的螺杆钻具它与普通的螺杆钻具又有不同点;曲一先,我们所需要的螺杆钻具要求传动轴外筒加厚,为连接增压器做好前期准备。
其次,我们将螺杆钻具传动轴的接头由公接头改为现在的母接头,并目_接头的外径也缩小了,这是为了在给动力转换体的连接流出空间。
(2)动力转换单元
在动力转换单元里,其核心部件是旋转体和动力转换体。
由旋转体传递下来的扭矩,经过动力转换体的运动转换,将沿旋转体轴线旋转的旋转运动转换为沿动力旋转体轴向的往复运动;在这个运动转换的过程中,必然有未转换完全的扭矩存在,而这个扭矩对接下来的增压过程来说是无用的,因此需要通过动力转换体下端的花键来抵消这个扭矩。
(3)固液分离单元
过滤筒及过滤网是固液分离单元的核心。
在下钻或者接单根的时一候往往会有少量的砂石进入增压器内,为了避免在井下出现增压缸进口阀堵死的现象,因此需要在钻井液进入增压缸之前对需要增压的钻井液进行过滤处理,故而在柱塞上端设计了一个过滤装置,它由过滤筒和过滤网组合而成,来达到防止砂石堵死进液阀的现象,此外,在结构的设计上,为了防止井下砂石在下钻过程中通过普通水眼倒灌进入过滤筒与外筒的环形腔并在腔内堆积进而影响增压过程,在柱塞外筒流道的设训当中,取流道的孔径大于普通水眼的孔径,这样可有效防止砂石堆积在腔内。
(4)增压单元
增压单元由柱塞及柱塞外筒总成组成。
在这个单元里,由螺杆钻具传递的动力经动力转换单元将马达的旋转运动转化为轴向的往复运动,并带动柱塞做往复运动,从而实现对部分钻井液增压的目的。
2.2斜盘式增压装置结构设计
2.2.1增压装置螺杆马达传动轴总成的设计
为了将现有的螺杆钻具作为本设训巾的动力源,就需要对现有螺杆钻具的一些外部结构进行重新设计;传统意义上的螺杆钻具其传动轴外部连接的是钻头,而在本设计当中传动轴连接的是一个旋转接头,并且传动轴的连接端是置于长筒之内的,长筒再与传动轴外筒相连接,这就要求马达传动轴的下端外径尺寸必须减小,相应的传动轴外筒的厚度也需要加厚;此外,为了给马达轴承润滑的钻井液留出通道,在马达传动轴的设训巾,需要将原来较大的公扣改为尺寸较小的母扣。
2.2.2增压装置动力转换体的设计
斜盘式增压装置中的动力装换体的主要功能是将螺杆马达传递给旋转体的扭矩转换为柱塞沿旋转体轴线往复运动的动力。
这个转换过程是由动力装换体内部斜置的圆柱凸轮槽实现的,因此,动力装换体内部斜置圆柱凸轮槽的设计是否合理将直接影响到动力转换的效率,下面就对动力装换体内部斜置凸轮槽的设计进行着重分析。
由前面的讨论我们知道,无论是柱塞在压缩还是在提升阶段都存在一部分未能完全转换的扭矩,这部分扭矩作用在动力装换体外部的花键上,当柱塞总成往复运动时一,花键部位就会产生很大的摩擦阻力,来阻碍柱塞的运动;因此,在设计圆柱内凸轮槽轨迹的时一候必须首先确定一个合适的压缩角度a和提升角度;我们可以看出,压缩角度a小于提升角度仍,故只需对提升端进行受力分析,确定一个机构自锁的临界压缩叫度仍,在接下来的设计之中,只要确保提升角度小于这个临界角度即可。
2.2.3增压装置柱塞的密封设计
增压器柱塞密封副是增压器关键零部件之一,也是主要易损件,它的密封性能好坏与使用寿命长短直接影响井下增压器的寿命和增压效果;由于增压器处在井下几千米高温、高压工作环境下,并目_增压器的工作介质为富含固体颗粒的钻井液,要使增压器柱塞密封副具有较好的密封效果,这就需要柱塞密封副必须有较好的抗高温、抗高压以及较好的耐磨性;目前大多数的超高压泵都采用填料密封的方式,并目_采用材料单一的V型火布橡胶密封圈来密封;火布橡胶不但耐磨、耐压、耐温性能差,而耐酸蚀能力更差,因密封不严,使用寿命较短。
此外,原V型密封圈唇部的V形张角较小,在压力作用下唇部自封性能不强。
背部为尖角形,当多个密封圈组合在一起时一,前后密封依次紧密贴合,密封圈之间的空间极小,这样不但透热性差,而一旦个别密封圈损害,整体密封性能将大大降低,从而影响整个增压器的使用寿命及使用效果。
因此需要对增压器柱塞密封结构进行改进,达到较好的密封效果。
(1)组合密封结构的设计:
为了克服现有密封结构及现有V型密封圈存在的的缺点,在这里我们采用间隙密封与。
V型自封式接触密封的组合密封方式来实现对增压器的高压密封。
把间隙密封与。
V型自封式接触密封组合起来使用,先利用套筒间隙密封的间隙节流降压,控制高压流体的泄漏量,然后再利用。
V型自封式接触密封进一步密封。
这种密封结构具有以下优点:
(a)配合精密。
由于其柱塞与缸体的密封都是圆柱形,易于精确加工,达到很精密的配合,能保证严格的间隙和良好的密封性。
因保证了高压下泵仍有较高的容积效率。
(b)两种密封方式优势互补。
增压器的可靠运行关键是密封,采用套筒间隙密封与。
V型自封式接触密封相结合的形式。
这样的组合密封,间隙密封与。
V型自封式接触密封相济,后者可以弥补前者由于加工精度及运行中摩擦造成的密封缺陷,前者又可为后者延长工作寿命创造良好的压降条件。
(2)密封圈的改进
(a)密封圈材料的选用
密封圈材质的性能是决定密封圈适用范围的关键条件和使用寿命的重要因素。
从密封圈的失效分析看,密封圈的失效形式为永久变形、偏磨、烧伤、磨料磨损、疲劳磨损等多种破坏形式。
其中由于过热引起的烧伤是密封圈失效的主要原因,并目_烧伤会使密封马上丧失工作能力,其他各种失效形式造成密封能力丧失则是一个逐步积累的过程。
因此必须选用耐热性能较好的橡胶作为密封圈的材料。
原密封圈的材料为单一的火布橡胶,不但耐磨、耐压、耐温性能差,而b_耐酸蚀能力更差,因密封不严,使用寿命较短。
V型自封式接触密封所用的密封圈采用聚氨酷橡胶和填充聚四氟乙烯(填料为青铜粉)两种材料制成,交互排列组合在一起使用。
聚氨酷橡胶具有耐磨、耐酸、耐温、耐压、耐老化的性能特点,同时一还具有扯断强度高,透气性好及具有一定的回弹性等特点。
填充聚四氟乙烯具有耐磨损、承载能力强、耐高低温性能好、耐油与耐蚀能力强、抗老化、摩擦系数小和自润滑性好等特点,两种材料的密封圈组合使用,使用性能更显优异,寿命更长。
(b)密封圈结构设计
柱塞密封摩擦副按其工作特点来看,是一对往复运动的滑动副,工作在具有一定载度的介质下,如果能够形成收敛油楔,则构成流体动压润滑的条件,有限元分析表明增压泵在吸入行程,橡胶密封圈由于工作介质压力的作用,使得唇部受到拉伸,离开柱塞表面翘起,即所谓的。
偏离效应”当唇部翘起后,形成收敛楔形,为流体动压润滑形成创造了条件如图2-1所示。
在增压泵的排出行程,如果将密封圈背部设计成圆角,则亦能形成收敛性油楔,满足流体动压润滑条件。
图2-1
原密封圈唇部的V型张角较小,如图2-1所示,在工作压力作用下唇部。
偏离效应,差,背部为尖角形,这种结构不利于流体动压油膜的形成;目_当多个密封圈组合在一起时一,前后密封依次紧密贴合,密封圈之间的空间极小,这样不但透热性差,而一旦个别密封圈损害,整体密封性能将大大降低。
通过对密封圈进行有限元计算分析,发现密封圈密封面的平均接触应力,与唇部火角a的关系是随着a的增加:
先是减小,到114附近时达到最小,然后开始增加。
实践经验表明,密封面理想的应力分布曲线的应力峰应接近于工作唇缘,目_平均应力要较低。
这是因为密封圈在与柱塞的刘一磨过程中,因摩擦系数大,产生的热量多,橡胶又是热的不良导体,因而温度上生很快,严重影响密封件的寿命、因而密封面的接触应力不宜太大。
通过刘一密封面接触应力与唇部火角a关系的刘一比综合分析,唇部火角a,改进后的密封圈结构仍采用V型结构,但密封圈唇部火角a由900增至1140,背部的尖角形变为半圆形,增强了自封性,并使各密封圈之问不紧密贴合,改善了密封圈的透热性,保证各密封圈能依次工作,即当第一个密封圈失去作用时一,后面的密封圈继续起密封作用,避免发生因某一密封圈损坏而导致后面的密封圈整体密封性能降低的现象。
另外,因背部是半圆形,当多个密封圈组合在一起时一,前一个密封圈的半圆形背部顶在后一个的V形唇部,使得后一个密封圈起密封作用的V形唇部能张得更大,从而能提高密封圈的自封性能。
2.2.4增压装置高压管接头密封设计
斜盘式增压装置排液阀与高压喷嘴之问是通过高压合金管连接的,普通的连接方式是高压合金管下端与钻头上的超高压流道以密封螺纹的方式连接,其上部由于钻头与高压合金管是刚性连接的,增压装置在装入钻头的时一候高压合金管是随着钻头的旋入一起被旋入排液阀下端的接口内的,因此在这里采用传统“O"型圈密封的方式进行密封,
这种密封方式有存在诸多的缺点,例如,当高压合金管在旋入的时一候若出现合金管与排液阀下端管口出现不对心的情况,密封圈就有可能被破坏而出现密封失效的问题。
此外,当高压合计管上部与排液阀管口口密封间隙设计的不合理时一,在高压下密封圈会出现剪切破坏而失去密封效果。
针对以上缺点,本设训巾对高压合计管与排液阀口的连接方式进行了改进。
在改进中我们除保留了原来的圈密封以外,在高压合金管的上部及高压排液阀阀口的下部各增加了一套自紧式密封,其工作原理为:
当高压合金管与钻头一起被旋入时,随着高压合金管的不断深入,高压合金管上部断面首先开始压缩弹簧1,压紧的弹簧将其弹力作用在垫片下的密封圈上,当上部弹簧压缩到一定程度以后,排液阀口的弹簧也开始被压缩,并将其弹力作用在弹簧2上部的密封圈上,这样高压合金管的上断面及排液阀口的下断面可达到同时密封,从而起到较好的密封效果。
(1)密封圈设计及其材料的选择
目前市场上已有的密封圈结构并不能满足我们所设计的密封结构要求,因此需要对所需密封圈进行设计,在密封圈的设训巾,我们将密封圈下端设计为45"倾斜角的现状,当密封圈受弹簧压紧力后,在密封圈下端向下的压紧力被分解为水平和垂直与倾斜面两个方向的压力,从而同时一起到对竖直圆柱面和锥面的密封,达到较好的密封效果。
由于增压装置处于井下几千米高温、高压的恶劣环境下工作,因此密封圈材料的选择必需遵循抗高温、抗高压、耐腐蚀性强的原则来选取,在这里密封圈材料我们选择聚氨酷橡胶,聚氨酷橡胶具有耐磨、耐酸、耐温、耐压、耐老化的性能特点,同时一还具有扯断强度高,透气性好及具有一定的回弹性等特点,比较适合井下的工况。
(2)压缩弹簧的设计
从以上密封工作原理我们知道,高压合金管是在不断旋转的情况下逐渐旋入排液阀口下端的管口中的,因此在对压缩弹簧设计时一,曲一先必需遵循一个原则,即:
压缩弹簧1曲一先被压缩,当压缩到一定程度后,压缩弹簧2才开始被压缩,压缩终了后,弹簧1和弹簧2同时一达到密封圈所需要的密封压紧力,从而实现同时一密封。
否则,若两个弹簧同时一被压缩,则会造成上部密封圈由于压紧力过大而被不断旋入的高压合金管撕裂的情况。
第三章斜盘式增压装置动态仿真分析
在井下斜翻_式增压装置的设训巾,对增压装置各个零部件进行二维建模以后需要对增压机构各零部件进行装配后的运动仿真,来模拟机构运动的全过程,获得增压装置机构中各运动副在某一时一刻的位置、速度及受力情况的综合数据,以便进行方案的最佳选择和达到设计要求。
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