磨料射流切割石油管柱工具摩擦力分析

祝传增 王道宝 韩远远

【摘要】本文设计了一种磨料射流切割石油管柱切割工具，由于工具需要在高压流体环境下进行切割作业，所以安装了组合密封圈对其进行密封，使用的组合密封圈具有承受高压、阻砂进入切割工具内部的功能。密封圈与切割工具切割中心轴进行密封接触阻碍中心轴旋转其产生的摩擦力大小影响切割工具的转速，本文通过对切割工具摩擦力大小进行分析为切割工具选择动力源大小提供了依据。计算方法以弹性力学理论为基础，通过对预压缩状态下及高压流体压力作下组合密封圈的受载和变形作详细的研究及计算而导出计算公式。通过理论分析为切割工具的转速控制及工具机械设计提供了实际的指导意义，提高了磨料射流切割工具的切割效率。

【关键词】磨料切割 中心轴 密封圈 摩擦力

1 引言

利用磨料射流切割工具切割石油管柱已是最新效率最高的切割方法，切割工具需要做旋转运动进行切割作业，由于在高压含砂作用下进行切割作业所以使用了密封圈，由于密封圈对中心轴产生了摩擦力，如果摩擦力过大会造成旋转轴不能转动而不能进行作业。所以有必要对密封圈产生的摩擦力大小进行研究分析，本文通过以弹性力学理论为基础，通过对预压缩状态下及高压流体压力作下组合密封圈的受载和变形作详细的研究及计算而导出计算公式为产生摩擦力大小提供了计算方法。组合密封安装在切割工具上，O型密封圈由于受到挤压而变形，L型滑环施加给中心轴的压力主要来自于O型圈变形产生的挤压力，这个力的大小决定摩擦力的大小。计算摩擦力大小必须首先计算出挤压力的大小。

下面内容就是对摩擦力大小进行理论分析的过程。

2 密封圈的预压缩所导致的初始摩擦力计算

首先分析预压缩所导致的挤压力，先设安置在切割工具密封槽的O型密封圈的截面呈圓形，圆截面直径为W，O型圈的外径为D。装配完成以后，由于沟槽底距L型滑环的距离比截面直径小，对O型圈产生了预压缩，先假设预压缩率为e。令O型圈的截面对称轴作为三维坐标系的Z轴，Z轴与连接短节沟槽底部相交点为坐标原点A，设X轴方向与中心轴方向平行，指向高压磨料液体方向从O型圈A点处截出单元体进行分析。Y轴方向与中心轴径向方向平行垂直纸面指向里。

α为预压缩后O型圈截面与L型滑环的接触宽度的一半。预压缩后的O型圈的截面呈鼓型，为使问题简化通常可令0.4Wα≈。设f为L型滑环与中心轴表面间的摩擦系数，则预压缩所导致的初始摩擦力为：

5 总结

本文通过对切割工具摩擦力大小进行分析为切割工具选择动力源大小提供了依据。计算方法以弹性力学理论为基础，通过对预压缩状态下及高压流体压力作下组合密封圈的受载和变形作详细的研究及计算而导出计算公式。通过理论分析为切割工具的转速控制及工具机械设计提供了实际的指导意义，提高了磨料射流切割工具的切割效率。

参考文献

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