井下密封件的应用

当密封承受高压差作用时,密封材料在压力下流动变形,一部份嵌入密封面之间的间隙,同时在O型圈内部形成了一个剪切应力,随着橡胶密封件所承受的压差增高,一旦材料的变形超过了其线性形变的弹性极限,在剪切应力的作用下,O型圈将被撕裂一部份,这时,O型圈将因为挤出破坏而丧失密封能力。
迫使密封材料流向密封间隙的力为F=ps=p12DΔdπ(2)O形圈的摩擦力为<1>Ff=2πfDl0p(3)式中,f为摩擦系数;l0为接触面宽度;p为密封压差。那么,使密封圈发生挤出破坏的剪应力为τ=F-FfDπl0=p(Δdl0-2fl0)(4)由式(4)可见,当l0为定值,在p和f一定的情况下,密封间隙Δd越小,迫使密封材料流向密封间隙的变形破坏力也就越小。
所以,减小Δd可以在一定程度上降低F,也就是说,密封材料相同,减小Δd可以提高其密封能力。因此,当O形圈材料和密封面加工质量相同时,在被密封材料和工况都相同的情况下,密封间隙越小,则密封能力就越强,能承受的压力就越高。
美国军用标准MIL2G25514F以截面尺寸为5.33mm、规格22325~22348的O形圈为例,设计轴沟槽的密封尺寸。由查表所得数据可知,它们之间的最小密封间隙为0.038mm,最大密封间隙为0.088mm,各种规格O形圈的密封间隙的变化范围是一定的。所以,美国军用标准MIL2G25514F采用了等密封能力的设计原则。美国工业静密封标准同样以截面尺寸为5.33mm、规格为22325~22348的O形圈为例,设计轴沟槽的密封尺寸。
由查表所得数据可知,各种规格O形圈的密封间隙的变化范围也是一定的<3>。同样,其设计也采用了等密封能力的设计原则。采用美国军用标准MIL2G25514F以截面尺寸为3.55mm、d=30~200mm的O形圈为例,O形圈的选取规格范围从22119~22442.查标准得到其密封间隙T′f的数学期望EX=0.16mm.美国工业静密封标准和美国军用标准MIL2G25514F一样。
以22340为例,缸直径分别为DG=95.174mm(3.747英寸),DJ=94.996mm(3.74英寸),沟槽直径分别为FG=86.614mm(3.410英寸),FJ=85.623mm(3.371英寸)。美国军用标准要求的密封材料压缩量比美国工业静密封标准要小。对于井下工具,在保证密封性能的情况下,较小的压缩量有利于减小摩擦力,便于井下工具的装卸和使用。国家标准GB3452.3―1988的密封能力设计采用了等加工精度设计原则。
美国工业静密封标准和美国军用标准MIL2G25514F都采用等密封能力设计原则。国家标准GB3452.3―1988、美国工业静密封标准和美国军用标准MIL2G25514F均符合文献<2>中对于邵氏硬度为90的O型密封圈在70MPa工作压差下的最大间隙要求。在井下工具常用的直径尺寸范围(30~200mm)内,对于获得同样的密封能力,选择美国军用标准MIL2G25514F可以降低设计制造的精度要求。

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