朱　明，宋满华

(中石化石油机械股份有限公司研究院，武汉 430000)

0　引言

牙轮钻头工作时钻头径向密封圈本身并不参与轴承承载，轴承对它的影响是使之处于热源环境、高压环境和不规则的振动状态之中[1-2]。为提高牙轮钻头密封圈的密封性能和使用寿命，研究学者主要从3个方面对其进行优化改进[3-7]：1)研制及选用新型密封材料；2)研究及使用新型密封结构；3)合理设计及提高制造装配精度。而试验法、解析法和有限元法是实现上述优化方案的主要方法[8-13]。橡胶密封圈的设计和使用不当均会加速其损坏，丧失密封性能。橡胶径向密封钻头在井底的高温和高压条件下破坏的主要原因是，材料的永久变形和被挤入密封间隙而引起的间隙咬伤，以及密封圈在运动时出现扭曲的现象。而橡胶材料的压缩永久变形与温度有关，相同材料的密封圈在同一温度下截面直径越大，密封圈压缩永久变形率越低；因此，本研究通过改善牙轮钻头轴承密封圈的截面形状，建立有限元模型，进行优化分析，设计出合理的压缩率，以增强密封圈的抗咬合和扭曲能力，提高橡胶密封钻头的使用寿命。

据某公司样本介绍，在相同钻井工况下，高纵横比橡胶密封圈(如图1所示，以下称扁平密封圈)寿命比O形密封圈寿命更长，特殊的密封稳定结构能保持密封圈处于轴承的最佳密封位置。

图1　扁平密封圈Fig.1　Flat sealing ring

1　扁平橡胶密封结构设计核算

橡胶密封圈属于挤压型弹性体环形密封，设计时需要严格控制的参数主要有密封圈的自由内径、截面压缩率和圈槽体积比。……