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牙轮钻头是石油开发和矿山开采工程中的主要破岩工具,约占油田钻头总量70%。单金属密封是牙轮钻头系统中的重要组成部分,其性能的好坏直接影响钻井的效率和成本。然而随着钻进地层的多样化和钻井深度的递增,钻头密封系统经常在高温、高压和磨粒性颗粒等恶劣工况下工作,其密封稳定性面临巨大考验。特别是在复杂的热力载荷作用下,单金属密封容易出现不规则的端面变形,导致密封泄漏增加、磨损加剧,进而引起密封失效。因此,开展单金属密封热-流-固耦合研究,对预测及改善单金属密封性能、提高井下钻采效率和可靠性等具有重要意义。本文以牙轮钻头用单金属密封为研究对象,综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和粘温特性间的耦合关系,建立了单金属密封热-流-固耦合数学模型,研究多参数下单金属密封端面变形与密封性能演化规律,并联合利用BP神经网络和NSGA-Ⅱ遗传算法等,完成单金属密封优化模型的构建与多目标优化求解,进而为牙轮钻头金属密封设计体系的构建提供理论基础,主要研究内容和结论如下:1.根据牙轮钻头运行及密封系统结构特点,建立单金属密封稳态力学分析模型,开展单金属密封结构场和结构-热耦合有限元分析,研究了环境压力、装配位移、材料导热系数等对单金属密封应力场、温度场的影响规律。结果发现,当环境压力由3 MPa升高到30 MPa时,密封端面最大接触压力和最高温升均从外径侧向内径侧迁移;增大装配位移可以有效增加密封力,而增大材料导热系数可以加强密封环散热能力,有效控制端面温升和变形大小。2.综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和粘温特性,构建密封环及辅助密封件、润滑液膜及密封介质的关联体系,建立牙轮钻头单金属密封热-流-固耦合数学模型,并进一步研究关键参数如环境压力、接触宽度和O形圈硬度等对单金属密封端面膜厚分布形态、温度变化及密封性能的影响规律,揭示了牙轮钻头单金属密封系统润滑机理。结果表明,环境压力低于临界压力pcrit时密封端面形成收敛形间隙,反之密封端面形成发散性间隙;增大密封端面接触宽度,使得膜厚分布更加均匀,引起泄漏率下降了47.1%;而当O形圈硬度由70 HA增加到90 HA时,单金属密封摩擦力约增大12%。3.依据各因素对单金属密封性能影响显著程度,筛选单金属密封性能优化的设计变量,基于单金属密封热-流-固耦合模型采集数据样本,通过BP神经网络构建单金属密封优化模型,利用NSGA-Ⅱ遗传算法完成单金属密封多目标优化求解。最终选定方案为:转速n=100 r/min,粗糙度σ=0.07μm,接触宽度L=2.5 mm,优化后泄漏率降低51.6%,摩擦力降低11%。本文研究成果将为高寿命、高可靠性钻头密封系统的设计理论提供依据和技术支持,具有较重要的学术价值与工程意义。