采油(气)井口卡箍连接器密封性能研究

第４６卷第１４期

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

机床与液压

Ｖｏｌ􀆰４６Ｎｏ􀆰１４

Ｊｕｌ􀆰２０１８

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１８􀆰１４􀆰０１６

采油（气）井口卡箍连接器密封性能研究

潘广堂，杨先海，王延祥，李文文

（山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０００）

摘要：针对工程中卡箍连接器存在的泄漏问题，建立计算模型，推导油缸拉力计算公式；通过对底座与毂之间Ｏ形密封圈进行非线性有限元分析，研究其密封性能，获得最大接触应力与底座反作用力，并改进卡箍连接器油缸拉力计算公式；通过卡箍连接器有限元静态分析，研究危险部位应力以及整个卡箍的应力分布规律，并就危险区域进行改进，为卡箍连接器的合理设计提供了理论依据和改进建议。

关键词：卡箍连接器；非线性有限元分析；密封性能

中图分类号：ＴＨ１１４　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１４－０５５－５

ＰＡＮＧｕａｎｇｔａｎｇ，ＹＡＮＧＸｉａｎｈａｉ，ＷＡＮＧＹａｎｘｉａｎｇ，ＬＩＷｅｎｗｅｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｉｂｏＳｈａｎｄｏｎｇ２５５０００，Ｃｈｉｎａ）

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｌａｍｐＣｏｎｎｅｃｔｏｒＳｅａｌｉｎｇＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＯｉｌｆｉｅｌｄ（Ｇａｓ）Ｗｅｌｌｈｅａｄ

ｐｕｌｌｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ．ＴｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｉａｎａｎｄｔｈｅｂａｓｅｃｏｕｎｔｅｒｆｏｒｃｅｏｆＯ⁃ｒｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂａｓｅａｎｄｔｈｅｈｕｂ，ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｏｆｔｈｅｐｕｌｌｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｂｙｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｔｏｃｌａｍｐｃｏｎｎｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｖｏｎＭｉｓｅｓｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕ⁃ｔｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈｅｆｒａｉｌｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｃｌａｍｐ，ａｎｄｔｈｅｓｅｆｒａｉｌｐａｒｔｓｈａｄｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｓｅｗｏｒｋｓｇｉｖｅｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓ⁃ｔｉｏｎｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｌａｍｐｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｌａｍｐｃｏｎｎｅｃｔｏｒ；Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；Ｓｅａｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｌｅａｋａｇｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｃｌａｍｐｃｏｎｎｅｃｔｏｒ，ａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｏｆｔｈｅ

　　在采油（气）井口卡箍连接器中，卡箍是十分关键的零件。卡箍连接装置是采油（气）井口装置中的基本连接方式之一，通常用来连接闸阀、管线及其他部件等。由于它具有结构简单、体积小、连接可靠等优点，在采油（气）井口装置中得到广泛应

－

用［１３］。在生产、实验过程中，为拆装方便，采用油缸替换拉紧螺栓，如图１所示。

　　对于不同井口直径、不同井压，油缸缸径、油压不尽相同。受安装空间，油缸缸径、油压过小往往造成泄漏。因此，卡箍连接器的力学分析、设计计算，对保证卡箍刚度、强度，确保油井密封性有重要意义［４］。

１　卡箍连接器受力分析１􀆰１　毂受力分析

触。其底面受井压ｐ（单位ＭＰａ）（作用力为ＦＰ），上由于模型的轴对称性，以毂的轴线为Ｚ轴，取圆心角为ｄθ的微元体［５］，如图１所示。

假设毂与密封圈接触的下锥面与底座锥面并无接

下两个锥面受正压力ＦＮ１、ＦＮ２与静摩擦力Ｆｆ１、Ｆｆ２。

设所有力都在作用面上均匀分布，井压力ＦＰ，

上下两个锥面受正压力ＦＮ１、ＦＮ２与静摩擦力Ｆｆ１、Ｆｆ２为ＦＰ１、ＦＮ１１、ＦＮ２１、Ｆｆ１１、Ｆｆ２１，如图２所示。

图１　采油井口卡箍连接器构造图

在２α范围内分别取微分，作用在微元体上的力分别

收稿日期：基金项目：作者简介：通信作者：２０１７－０１－２２

国家科技重大专项课题（２０１１ＺＸ０５０２２－００４－００３）

潘广堂（１９８６—），男，硕士研究生，主要研究方向是机械设计理论及方法。Ｅ－ｍａｉｌ：ｐａｎｇｇ１１＠１６３􀆰ｃｏｍ。杨先海，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｘｈ＠ｓｄｕｔ􀆰ｅｄｕ􀆰ｃｎ。

·５６·

机床与液压第４６卷

１􀆰３　卡箍受力分析

卡箍凹槽下表面同样受到正压力Ｆ′Ｎ３与摩擦力Ｆ′ｆ３。对卡箍圆心角为ｄθ的微元体进行分析，如图４图２　毂微元受力图

ＦＦＰ１＝

Ｐ

ｄθ

Ｆ２α

考察毂轴向受力平衡ｆ１１＝ＦＮ１１×ｆ１，Ｆｆ２１＝ＦＮ２１，×由ｆ２

ΣＦＦＦｙ＝０得：

Ｎ１１＝Ｐ１＋ＦｆＮ２１（ｆ２ｓｉｎφ２＋ｃｏｓφ２）其中：ｐ为油井压力１ｓｉｎφＦ，１＋ＭＰａ；ｃｏｓφ１

（１）

Ｄ、ｄ分别为毂的外径、内径，ｍｍ；ＦＮ１１、Ｎ２１分别为毂上、下锥面的正压力ｋＮ；，ｋＮ；φＦｆ１、Ｆｆ２分别为毂上、下锥面的静摩擦力，１、φ２分别为两个锥面母线与水平面的夹角；α为卡箍上沿扇形圆心角１􀆰２　密封圈受力分析

，如图５所示。

图３所示为密封圈完全压缩后微元体受力分析图。

图３　密封圈微元受力分析图

其锥面上受到正压力Ｆ′ＦＮ２１与摩擦力Ｆ′ｆ２１，分别与

Ｎ２１、Ｆｆ２１互为反作用力，在底座凹槽面受到向上的底座作用力ＦＮ４在２α范围内微分，为ＦＮ４１ＦＦ。

Ｎ４１＝考察密封圈微元受力平衡条件２Ｎ４

α

ｄθ

，由∑Ｆｙ＝０得：

Ｆ′＝将式ｃｏｓ（２）φＦＮ２１

Ｎ４１

２代入式＋ｆ２ｓｉｎφ２

（２）

（１），并对Ｆα／２）求和，得：

Ｎ１１在θ∈（－α／２，∑ＦＮ１１＝α／２ＦＰ１＋ＦＮ４１－α／２１Ｆ＋Ｆ∫

ｆ１ｓｉｎφ１＋ｃｏｓφ１

ｄθ＝２×

ｆＰＮ４

１ｓｉｎφ１＋ｃｏｓφ１

（３）

所示。

图４　卡箍微元受力图

卡箍锥面上受正压力Ｆ′ＦＮ１１与摩擦力Ｆ′ｆ１１ｆ１１分别互为反作用力。Ｆ′Ｎ３在α范围内微分，，与卡箍微ＦＮ１１、元凹槽面受到的正压力为Ｆ′Ｎ３１Ｆ′Ｎ３１

＝Ｆ′α

Ｎ３。

ｄθ考察卡箍微元受力平衡条件，由∑ＦＦＦ′′Ｎ１１＋－ｙ＝０得：

Ｎ３１＝０联立以上两式ｆ３＝ｃｏｓＦ′Ｎ３φ×１ｆ３

Ｆ′ｆ１１ｓｉｎφ１Ｆ′，并对Ｆ′－α／２，α／２）求和，化简得ＦＦ′＝ｆ：

Ｎ３１在θ∈（

３（ｃｏｓφ１＋ｆ１ｓｉｎφ１）∑ＦＮ１１Ｆ′ｆ３′Ｎ１１接下来考察图ｂ１＝与（ｓｉｎＦ′ｆ１１在φＸ轴上分力的合力为：（４）１－ｆ１１ｃｏｓ所示右侧卡箍φ１）Ｆ′ｆ１１

Ｘ－Ｙ平面内受力情况，如图５所示。

图５　卡箍水平面内受力图

将每个微元体受到的Ｆ′ｂ１往Ｘ轴投影，合力为Ｆ′ｂ：

α／２Ｆ′ｂ＝∫

－α／２

ｃｏｓθｄθ

２ｓｉｎα

α／２

∑Ｆ′＝２（ｓｉｎφ１－ｆ１ｃｏｓφ１）·∑－α／２

ｄθ

ｂ１α

Ｆ

Ｎ１１

∫

（５）

第１４期潘广堂等：采油（气）井口卡箍连接器密封性能研究

·　５７　·　

即：

对铰点Ｃ取矩∑Ｍ＝０：

－ｆ３）×ｌ１＝０ＦＬ×ｌ２－（Ｆ′ｂＦ′　　根据关注问题需要，建立一个静态非线性分析得

－

到密封圈接触压力、反作用力［１１１３］，根据分析关注信息与分析类型判断选择最终模型简化如图６所示。

ＦＬ＝

（Ｆ′ｂ－Ｆｌ′ｆ３）×ｌ１ＦＳｌ２

油缸≥

ｌ１

（Ｆ′ｂ－Ｆ′ｆ３）（６）将式（３）、２

（４）、（５）代入式（６）化简得：Ｆ油缸≥Ｋ（ＦＰ＋ＦＮ４）（ｋＮ）Ｋ＝

２ｌＳｌ２（ｃｏｓφ１＋ｆ１ｓｉｎφ１×（７）

１

éêα）ùêê２ｓｉｎëα２（ｓｉｎφ（ｃｏｓφú１－ｆ１ｃｏｓφ１）－ｆ３１＋ｆ１ｓｉｎφ１）úúû

毂大径Ｄ、小径６０°；安全系数Ｓ０􀆰＝１５，ｄ取值分别为１􀆰５；ｆ５４０、１２７ｍｍ；摩擦因数ｆ１＝ｆ３＝２力臂＝０􀆰２；ｌφ１、φ２分别为３０°、１、ｌ２取值分别为４１７、

９２７ｍｍ；α＝２π

２　密封圈非线性静态有限元分析

３

；计算得系数Ｋ＝０􀆰０５９４４５。

针对该物理场景，做出以下基本假设：

刚度相比极小（１）由于橡胶的刚度与钢构件构成的密封槽壁，所以毂锥面与底座密封柱面视为刚体边界；

（２）（３）制作Ｏ形圈的丁腈橡胶体积不可压缩目前处理相关工程问题主要是以连续介质力学为橡胶密封圈及接触边界均按轴对称问题处理；。基础，丁腈橡胶被认为是超弹性近似不可压缩体，其力学特型表现为复杂的材料非线性和几何非线

性［６－

８］是一个比较经典的模型。现阶段应用比较广泛的，它可以用来模拟几乎所有的Ｍｏｏｎｅｙ－Ｒｉｖｌｉｎ模型橡胶制品的力学行为式中（Ｉ。其函数表达式可表示为［９］Ｗ＝Ｃ：

１１－３）＋Ｃ２（Ｉ２Ｒｉｖｌｉｎ：Ｗ为应变能密度；－Ｃ３）

１、Ｃ２为材料Ｍｏｏｎｅｙ－。

系数；Ｉ１、Ｉ２分别为第一、第二应变张量不变量应力应变关系即为：σ＝􀆟Ｗ／􀆟ε

参考工程实践，得出材料Ｃ１［１０］所示。

１、Ｃ２及其他参数如表表１　材料参数

名称

材质

弹性模

量／ＭＰａ

泊松比Ｃ１／ＭＰａＣ２／ＭＰａ密封圈丁腈橡胶８．８０．４９９

底座３５ＣｒＭｏ２．１３×１０５毂３５ＣｒＭｏ２．１３×１０５０．２８６１．８７

０．４７

卡箍３５２．１２×１０５０．２８６０．２９１

图６　模型简化

使用静态非线性分析，并选择轴对称２Ｄ简化算例，完全定义约束条件与接触条件，对于与密封圈接触的几何面使用网格控制（如图７所示），并划分网格ｓｐａｒｓｅ。。定义分析后获得应力云图如图时间增量为０􀆰０１，解算８所示器选。

择为Ｄｉｒｅｃｔ图７　使用网格控制

效准则和失效判断的首要条件Ｏ形橡胶密封圈在工作状态下接触应力图８　应力云图

，如果Ｃｐｍａｘ的值小于工Ｃｐｍａｘ是失

作压力ｐ，则会致使流体泄漏，即密封失效，所以最大

接触应力应满足时效准则即保证密封条件：Ｃｐｍａｘ≥１０作用力为所示分析结果的接触应力与底座反作用力如图，其最大接触应力为９、ｐ。

图ＦＣｐｍａｘ＝１０􀆰８ＭＰａ，最大反大可满足１０􀆰Ｎ４８＝３４􀆰ＭＰａ４５井压ｋＮ。。

由此可知该密封设计方案最·５８·

机床与液压第４６卷

封性能差，引起泄漏，不满足使用条件。

通过将卡箍臂部连接油缸的板材厚度由３０增加至４０ｍｍ、宽度由７０增加至１００ｍｍ，并在卡箍臂与卡箍本体连结处增加圆角，以提高此部位的刚度与强度。改进后重新分析，应力云图如图１２所示，可见图９　接触应力云图

图１０　底座反作用力曲线图

３　卡箍有限元分析

井压力Ｆπ（Ｄ２－ｄ２Ｐ＝）

ｐ，实际应用中，设计井

压ｐ＝５ＭＰａ，将求得的４

Ｆｐ与ＦＮ４代入公式（７）得：

Ｆ油缸根据实际井况建立一个静应力分析算例≥６６􀆰３ｋＮ

，各零件按照表１赋予材质；设置零部件全局接触无穿透；底座底面设置固定约束，卡箍销轴孔设置固定铰链；添加地心引力（－９􀆰８１ｍ／ｓ２布ｋＮ）、向上的压力），毂的底面添加均匀分相互接触的锥面划分网格替代油缸拉力ｐ＝；５使用网格控制卡箍ＭＰａ，以两个相向的力。应力云图如图、１１底座（６６􀆰所示、３。

毂图１１　卡箍应力云图

由图１１可见：ｖｏｎＭｉｓｅｓ应力最大值集中在卡箍臂上，约３２１ＭＰａ，高于３５钢的屈服极限３１５ＭＰａ。卡箍臂末端产生较大变形和位移，导致卡箍连接器密

最大应力为ＭＰａ。实验（１５６图１３）ＭＰａ，结果显示密封性能良好远小于３５钢的屈服极限。

３１５图１２　改进的卡箍应力云图

图１３　实验平台

４　结论

推导了油缸拉力的计算公式（１）文中建立了卡箍连接器的力学计算模型，此分析方法对于一般锥，

面密封问题具有普遍性，为卡箍连接器的设计者提供了借鉴。

性有限元分析（２）通过对底座与毂之间，研究其密封性能Ｏ，形密封圈进行非线获得保证密封性能的最大接触应力与底座反作用力，并改进了卡箍连接器油缸拉力计算公式态分析（３）。

，获得危险部位应力以及整个卡箍的应力分布使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ对卡箍连接器做有限元静规律，并就危险区域进行了改进，为卡箍连接器的合理设计提供了理论依据和改进建议。

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第１４期潘广堂等：采油（气）井口卡箍连接器密封性能研究

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（上接第５１页）

可以看到：在４组预测数据中，除第６组数据最大误差到６􀆰４１％外，其余第３、９、１２组数据的测量和实际值误差比较小，原各组训练数据的误差比也均小于２％，较文献［２］中基于灰色－马尔可夫模型的刀具磨损预测精度更高，证明神经网络能够较为精确地预测切削路程和刀具磨损量的关系。

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ＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ），２０１５，３４（６）：

３　结束语

拟合神经网络可以无限逼近一个非线性函数，利用神经网络建立刀具切削路程和磨损量之间的函数规律，较刀具磨损经验公式具有更好的预测准确度。近年来，神经网络不仅能映射切削速度、刀具进给量等复杂参数与刀具磨损的拟合关系，还能通过监测振动、声发射等非接触式信号，建立刀具磨损和信号特征之间的网络结构，为刀具磨损监测和补偿加工提供了有效的解决途径。

ＷｅａｒｉｎＢＴＡＢａｓｅｄｏｎＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＴｏｏｌＥｎｇｉｎｅｅ⁃

参考文献：

ＴｏｏｌＷｅａｒＢａｓｅｄｏｎＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋａｎｄＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ

［１］陆剑中，孙家宁．金属切削原理与刀具［Ｍ］．北京：机械

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