干气密封是高速轴重要的密封形式,通过螺旋槽密封设计改变其接触间隙流变特性是改善其摩擦磨损的重要手段。在传统研究中,密封接触面开槽区的间隙导致的气膜分布不均极易被忽略,从而使流变特性分析产生误差,给摩擦特性研究带来影响。在平板模型的基础上,考虑气膜分布不均匀性,提出平均间隙模型用于描述干气密封开槽区气体流变特性,实现接触界面摩擦力矩计算,使数值计算误差减小。通过对气膜流变特性数值模拟,确定了关键参数黏度与流变特性的关系,获得了转速等工况参数和螺旋槽结构参数对气膜摩擦特性的影响规律。

带压作业闸板防喷器的关键部件是密封胶心和壳体，分别采用尼龙与帘线一丁氰橡胶复合材料和合金钢锻件制造。以SolidWorks及Cosmos有限元软件为平台建立了数值模型，对胶心和壳体进行了受力数值模拟计算。计算结果表明，在20MPa的压力作用下，胶心接触压力最大值位于尼龙下端棱角位置，达9．7MPa，橡胶翼板无明显应力集中现象，胶心结构强度满足要求；壳体在系统压力为35MPa时，其内壁最大应力为222MPa，安全系数为2．8，满足设计要求。有限元数值模拟为带压作业闸板防喷器的设计提供了参考依据。

以天然气井高压旋转控制头为工程背景,利用流体动压机理,针对高转速轴密封问题,提出通过在密封橡胶与轴微间隙接触界面建立润滑气膜,以有效解决橡胶干摩擦失效问题。在胶芯内壁构建螺旋槽,改变柱状摩擦副接触面结构,以产生气体动压效应。通过建立柱面微间隙气膜模型,实现了气膜流场数值模拟,并验证了螺旋槽结构参数、转速变化等因素对气膜的影响规律。结果表明:偏心率是润滑气膜形成的必要条件;在偏心率和转速一定的条件下,螺旋槽与轴转动方向相反且旋向为50°时,气膜压力最大,可获得最佳气体动压效应。

确定合理的橡胶本构模型对于研究其高弹特性和材料非线性至关重要。石油天然气钻采用防喷器胶芯常用丁腈橡胶,其本构模型参数会直接影响到有限元分析结果的可靠性。提出一种基于实验的研究方法,通过对丁腈橡胶试块进行单轴压缩实验,获取的应力-应变对应值与利用应变能函数计算的应力-应变关系进行拟合,确定了Mooney-Rivilin本构模型关键参数C和C。分别与数值分析和ABAQUS有限元仿真模拟对比,验证了参数C和C的正确性和合理性。通过单轴压缩实验获取的Mooney-Rivilin本构模型参数的研究方法,为工业环境下丁腈橡胶材料理论研究提供了方便。