Например, Бобцов

ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СКВАЖИННОГО ПРИБОРА

16 В. М. Мусалимов, М. А. Ноздрин, Н. В. Родин
УДК 531.746:531.3:534.833

В. М. МУСАЛИМОВ, М. А. НОЗДРИН, Н. В. РОДИН
ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СКВАЖИННОГО ПРИБОРА

Исследована зависимость давлений, действующих на фторопластовую уплотнительную прокладку скважинного прибора. С использованием кривой Штрибека, гидродинамического уравнения Рейнольдса и задачи Буссинеска получено выражение для предельной осевой нагрузки на уплотнитель.

Ключевые слова: скважинный прибор, фторопластовый уплотнитель, упругость, трение, кривая Штрибека, задача Буссинеска, задача Рейнольдса.

Конструкция геотехнического зонда имеет подвижную часть (блок измерителей), кото-

рая закреплена на выходном валу блока кинематики. В связи с особенностями условий экс-

плуатации (наличие высокого внешнего давления и химически активной среды) необходимо

защитить блок кинематики от проникновения внутрь него жидкой активной среды. Поэтому

на выходной вал блока кинематики ставят уплотнительную прокладку. Материал проклад-

ки — фторопласт с графитовыми нитями. На прокладку действует внешнее давление жидкой

активной среды и внутреннее давление масла, создаваемое компенсатором (компенсатор не-

обходим для выравнивания внешнего давления).

Для расчета предельной осевой нагрузки на уплотнительную прокладку необходимо, в

зависимости от различных исходных данных, решить следующие задачи:

— нахождение эпюр граничных давлений по осевому и радиальному направлениям;

— определение гидроупругости прокладки;

— вычисление минимального значения момента, с которым необходимо затягивать гай-

ку, прижимающую прокладку;

— определение момента трения, возникающего вследствие избыточного внешнего дав-

ления.

С точки зрения механики, уплотнители не являются чисто упругими элементами, так

как, во-первых, находятся в среде со смазкой, а, во-вторых, подвергаются продольному дав-

лению относительно вала двигателя. Исходя из этого возникает задача, при решении которой

необходимо учесть взаимодействие при работе уплотнителя и вращающегося вала, торцевое

давление на уплотнитель со стороны гайки, гидродинамические и реологические свойства

(так как волокна находятся в жидкости).

f

Первоначально разобраться в этом вопросе помогает кривая Штрибека [1], график которой пред-

Зона 1

Зона 2

Зона 3

ставлен на рис. 1, где η — коэффициент вязкости, V — линейная скорость движения вала, f — коэф-

фициент трения, FN — нормальное давление. На кривой условно выделяются три зоны: 1 — зона гид-

ηV/FN

родинамической смазки, так как рассматривается взаимодействие тел на относительно большом рас-

Рис. 1

стоянии, когда мера шероховатости не играет роли, т.е. плоскости тел разделены смазкой и не со-

прикасаются; 2 — зона упругогидродинамической смазки, т.е. мера шероховатости важна, но

смазка находится между взаимодействующими телами; 3 — зона граничной смазки, где на-

блюдаются контактные явления.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2

Динамический анализ уплотнительного элемента скважинного прибора

17

Будем рассматривать уплотнитель во второй зоне кривой Штрибека. Схема влияния на

уплотнитель продольного и радиального давлений представлена на рис. 2, где q — продоль-

ное давление со стороны гайки, Р — радиальное давление со стороны вращающегося вала. Характерная особенность данной задачи — возникновение „плывущей“ зоны давления

при вращении вала относительно уплотнителя. Поэтому необходимо найти соотношение ме-

жду величинами Р и q , учитывая возникающую вязкость,
модуль упругости, коэффициент Пуассона и угловую скорость вала (ω). Проблема решается с помощью гидродинами-

q

P

ческого уравнения Рейнольдса

dP dx

= 6ηV

1 h2

,

(1)

где h = h(P) — радиальное перемещение уплотнителя,

η= η(P) , и уравнения теории упругости, которое в локаль-

ном приближении имеет следующий вид:

h

=

x2 2r

+

hупр

,

Рис. 2

где r — радиус кривизны; х — координата локального приближения; hупр — упругая состав-

ляющая, определяемая с помощью решения задачи Буссинеска [2]:

σr

=

−3+µ 4π

P

cos θ r

;

σθ

=

−1−µ 3+µ

σr

,

здесь σr , σθ — нормальные напряжения, имеющие направления параллельно цилиндрическим координатным осям r , θ и действующие по перпендикулярным площадкам, для кото-

рых внешние нормали соответственно параллельны осям r , θ ; µ — коэффициент Пуассона. Определим локальные перемещения для каждой точки уплотнителя по внутреннему ра-

диусу rвн его кольца с использованием закона Гука в полярных координатах:

εr

=

1 E

(σr

−µσθ

)

=

1 E

⎛ ⎝⎜

−3+µ 4π

−µ

1+µ 4π

⎞ ⎟⎠

P

cos r

θ

,

где

εr

=

∂ur ∂r

— радиальная деформация уплотнителя; Е — модуль упругости; ur

— радиаль-

ное перемещение:

∫ ∫ur =

εr dr = A

dr r

=

A ln

r

|rrвнн

,

(2)

здесь А — константа интегрирования, rн — наружный радиус кольца.

Равенство (2) выполняется для каждой точки ur = h .

Далее определяется значение угла θ* из следующих формул:

rвнθ* = x, cos θ* = cos ( x rвн ) .

Перейдем теперь к рассмотрению решения задачи. Для этого перепишем формулу Рейнольдса (1).
Известна формула зависимости вязкости от давления:
η(P) = η0eψP ,
где η0 — вязкость при отсутствии давления; ψ — пьезокоэффициент вязкости; эта формула является решением дифференциального уравнения

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2

18 В. М. Мусалимов, М. А. Ноздрин, Н. В. Родин

dη dP

=

ψη0

.

(3)

Перемножив выражения (1) и (3), получим

dη dx

=

ψωη2

1 h2

.

(4)

Далее, из выражения (4) необходимо получить зависимость вязкости и продольного дав-

ления со стороны гайки.

Представим радиальное давление в экспоненциальном виде:

P = P0e−βq ,

где P0 — начальное давление, β — коэффициент релаксации уплотнителя.

После преобразований получим

∫ ∫η
η0

dη η2

=

x x0

ψ

ωrвн

dx h2

,

где радиальное перемещение уплотнителя определяется как

h=

x2 2rвн



1 E

cos θ⋅P0e−βq rвн

⎛ ⎜⎝

−3+µ 4π

+

µ

µ +1 4π

⎞ ⎠⎟

ln

rн rвн

cos

x2 rвн

.

Для удобства вычислений обозначим

B

=

1 E

cos θ⋅P0e−βq rвн

⎛ ⎝⎜

−3+µ 4π



µ +1 4π

⎞ ⎠⎟

ln

rн rвн

.

Разложив в ряд получим тогда
Обозначим

∑cos

x2 rвн

= ∞ (−1)k
k =0

x2k 2k !

=1−

x4 2rв2н

,

h=

x2 2rвн



B

⎝⎛⎜⎜1−

x4 2rв2н

⎞ ⎠⎟⎟

,

∫ ∫x
2ωrвн
x1

dx h2

=

ψω rвн

x2 x1

x4

dx ⎛ rвн −2B−rвн B ⎝⎜ 4rвн

⎞ ⎟



B2



B2

х2



.

C

=

rвн

− 2 B − rвн 4rвн

B

,

тогда решение данного интеграла будет иметь следующий вид:

∫K

dx a + bx + cx 4

=



1 4cq3 sin

l

⎜ ⎜ ⎜⎝⎜

sin

l 2

ln

x2

+

2qx

cos

l 2

+

q

2

x2



2qx

cos

l 2

+

q2

+

2

cos

l 2

arctg

x2 −q2

2qx

sin

l 2



⎟ ⎟

,

⎟⎠⎟

где

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2

Динамический анализ уплотнительного элемента скважинного прибора

19

q

=

4

a c

,

l = 2a(n−1)(b2 −4ac),

cos l = − b . 2 ac

Данные расчета коэффициентов βq и η приведены ниже.

βq 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0,7

0,8

0,9

η 0,078 0,091 0,094 0,096 0,097 0,0976 0,0979 0,0982 0,099

На рис. 3 представлен график зависимости коэффициента вязкости η от приведенного коэффициента релаксации βq . Характер зависимости явно нелинейный, но эта нелинейность

приходится на интервал неустановившегося режима. Начиная от значения βq = 0, 4 зависи-

мость явно линейная. Эта линейная зависимость определяется тангенсом угла наклона α , где

α = α(E,µ, ω, r) — функция модуля упругости, ко- η

эффициента Пуассона, угловой скорости вала и геометрических параметров уплотнителя. Поэтому

α

целесообразно принять линейную зависимость

qαβ = η ,

откуда получаем выражение для определения пре-

дельной осевой нагрузки:

q= η . αβ

0,4 βq

Из этого выражения следует, что давление на

Рис. 3

уплотнитель должно обеспечивать равномерность распределения смазки, компенсацию внешнего

осевого и радиального давлений. Причем давление q является функцией характеристики смазки,

физико-механических характеристик материала уплотнителя и кинематических характеристик

относительного движения вала.

Итак, сформулированы задачи, связанные с динамическим анализом уплотнительного

элемента скважинного прибора; использование кривой Штрибека способствовало ограниче-

нию круга решаемых упругодинамических задач; использование достижений в области тео-

рии упругости (задача Буссинеска) и механики жидкости (задача Рейнольдса) позволило рас-

считать предельную осевую нагрузку на уплотнительный элемент.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по триботехнике / Под общ. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. Варшава, 1989. Т. 1; М.: Машиностроение, 1990. Т. 2; 1992. Т. 3.

2. Безухов Н. И. Примеры и задачи по теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высш. школа, 1965. 320 с.

Сведения об авторах

Виктор Михайлович Мусалимов — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики, ка-

федра мехатроники; E-mail: musalimov@mail.ifmo.ru

Михаил Александрович Ноздрин — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-

верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра

мехатроники; E-mail: m_nozdrin@mail.ru

Николай Владимирович Родин

— студент; Санкт-Петербургский государственный университет инфор-

мационных технологий, механики и оптики, кафедра мехатроники;

E-mail: rus-orthodox@bk.ru

Рекомендована кафедрой мехатроники

Поступила в редакцию 15.06.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2