泥浆泵活塞仿生优化设计及其耐磨密封性能研究

发布时间：2017-08-05 21:19

  本文关键词：泥浆泵活塞仿生优化设计及其耐磨密封性能研究

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【摘要】：泥浆泵是钻井设备中的核心部件，对矿产资源的开采起到了非常重要的作用。然而泥浆泵活塞的使用寿命短，严重制约泥浆泵的工作效率。通过对钻井装备展览和泥浆泵运行现场的实地调研得知：泥浆泵活塞的改进优化是提高钻井效率的关键，泥浆泵活塞的失效形式主要包括磨粒磨损失效和挤伤失效，影响泥浆泵活塞失效的因素有泵压和冲次、摩擦热、活塞间隙、泥浆、有缺陷的缸套。 自然界中的生物经过优胜劣汰，其体表在进化过程中形成了具有一定特性的结构。蚯蚓是常见的土壤动物，其身体柔软，但可以在相对于它身体来讲十分坚硬的土壤中窜行自如，是由于蚯蚓体表分为多个体节，在运动过程中，各个体节形成非光滑的条纹形，每段条纹形体节之间有规则排布的凹坑背孔阵列。本文结合蚯蚓体表的非光滑结构及减阻脱附功效，参考仿生非光滑耐磨前期研究成果，设计条纹形和凹坑形泥浆泵仿生活塞。 依照《地质钻探用往复式泥浆泵试验方法》国家标准相关要求以及有关泥浆泵易损件试验台相关设备设计制作室内泥浆泵活塞磨损与寿命试验台。设计BW160型泥浆泵仿生条纹形和凹坑形活塞进行磨损寿命试验。结果证明，合理设计的仿生泥浆泵活塞可明显提高活塞寿命。其中仿生条纹形活塞最大提高寿命78.45%。活塞寿命受条纹形宽度的影响大于条纹数量及条纹间距。在合理的条纹宽度、条纹间距及活塞尺寸允许的情况，活塞寿命随条纹数量增加而增大。仿生条纹宽度过小，活塞寿命提高不明显。仿生条纹宽度过大，反而会降低活塞寿命。仿生凹坑形活塞最大提高寿命近119%。凹坑直径对活塞寿命影响最大，凹坑中心夹角对寿命影响次之，凹坑深度对活塞寿命影响最小。活塞寿命与凹坑直径呈抛物线关系，凹坑直径选取不易过大或过小。活塞寿命随凹坑中心夹角缩小而增大。在合理的凹坑深度范围内，活塞寿命随凹坑深度增大而增大。将试验中的最优仿生条纹形活塞和最优仿生凹坑形活塞，进行对比研究发现：凹坑形活塞磨损寿命优于条纹形活塞。相同时间的磨损率，二者相差很小，均好于标准活塞磨损率。F1300型泥浆泵活塞现场钻井试验结果说明，仿生凹坑形泥浆泵活塞可以大幅提高活塞使用寿命，较标准活塞寿命提高了近100%。 设计并搭建可测量活塞泄漏量及摩擦力的动密封试验装置，对仿生活塞和标准活塞进行了动密封泄漏试验。结果证明，仿生活塞泄漏量比光滑活塞泄漏量小。其中条纹宽度3mm、条纹数量4、条纹间距2mm的仿生活塞泄漏量最小，是光滑活塞泄露量的24%。影响仿生条纹形活塞泄露量的主次因素分别为：条纹宽度、条纹数量和条纹间距。以条纹宽度、条纹数量为自变量，活塞泄漏量为因变量，泄漏量随条纹数量增加而降低。泄露量与条纹宽度呈现抛物关系，试验中条纹宽度为3mm时活塞泄露量最小。条纹形活塞泄露量小于凹坑形活塞，说明仿生条纹形活塞动密封性能更好。条纹形结构在改变界面润滑条件，降低摩擦系数的同时，具有比凹坑形活塞更高的界面接触压力，是其动密封性能好的原因。测得的仿生条纹形和凹坑形活塞推力均小于或接近光滑活塞，说明活塞表面的仿生结构改善了润滑条件，降低了活塞与缸套的摩擦阻力。 有限元数值分析可知，仿生条纹、凹坑形活塞与标准活塞相比，其根部的等效应力值小，说明活塞表面的仿生形态可以有效降低活塞根部受力。凹坑形活塞根部等效应力比条纹形活塞小，说明凹坑形活塞对改变活塞根部受力明显。条纹形活塞唇部接触压力比凹坑形活塞大，说明条纹形结构对提高活塞密封性能更好。条纹宽度变大，活塞根部等效应力变小，活塞唇部接触压力变大。活塞根部及唇部等效应力随条纹间距变化不明显。条纹数量增加可降低活塞根部等效应力，，提高活塞表面接触压力。凹坑直径的增加，活塞根部受到等效应力减小，活塞唇部接触压力增大。凹坑中心夹角减小，活塞根部等效应力减小，活塞唇部接触压力增加。凹坑深度不同，活塞根部等效应力相差很小，表面接触压力分布规律基本一致。条纹形、凹坑形仿生活塞使润滑流体流动速度明显变缓，并有流体回流现象发生，不易使润滑液从活塞缸套间隙内流走，保证活塞表面得到更充分的润滑。 仿生泥浆泵活塞耐磨密封机理总结为：仿生活塞表面的条纹、凹坑形结构可以加大润滑油的存储空间，使停留在仿生结构内的润滑油不易被缸套带走，从而改善摩擦副界面润滑条件，降低活塞与缸套的摩擦阻力，减小摩擦生热。仿生活塞可容纳一部分磨粒，减少了磨粒对活塞的犁沟作用。仿生结构的存在终止了磨粒对活塞的连续犁沟，避免泥浆通过连续犁沟经过整个活塞表面。仿生活塞可提高活塞唇部接触压力，增强活塞自适应能力，避免活塞偏磨，从而提高活塞密封性能。
【关键词】：泥浆泵活塞 仿生 条纹形 凹坑形 耐磨 密封 优化设计
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE92
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 泥浆泵活塞的研究现状15-21
• 1.2.1 泥浆泵活塞结构研究现状15-18
• 1.2.2 泥浆泵活塞形态研究现状18-20
• 1.2.3 泥浆泵活塞材料研究现状20-21
• 1.3 耐磨技术研究现状21
• 1.4 动密封技术研究现状21-22
• 1.5 仿生非光滑耐磨技术的研究现状22-23
• 1.6 本文的主要研究内容23-25
• 第2章 泥浆泵活塞失效形式及仿生设计25-37
• 2.1 泥浆泵工作原理25
• 2.2 泥浆泵活塞的运动规律25-28
• 2.3 泥浆泵活塞受力分析28-29
• 2.4 泥浆泵活塞失效形式29-32
• 2.4.1 现场调研29-31
• 2.4.2 泥浆泵活塞主要失效形式31-32
• 2.4.2.1 活塞磨粒磨损失效31
• 2.4.2.2 活塞皮碗挤伤失效31-32
• 2.4.2.3 活塞皮碗密封失效及疲劳失效32
• 2.5 泥浆泵活塞失效原因分析32-34
• 2.5.1 泵压、泵速的影响32-33
• 2.5.2 摩擦热的影响33
• 2.5.3 活塞间隙的影响33-34
• 2.5.4 泥浆的影响34
• 2.5.5 缸套质量的影响34
• 2.6 泥浆泵活塞仿生形态设计34-35
• 2.7 本章小结35-37
• 第3章 仿生泥浆泵活塞磨损试验研究37-69
• 3.1 泥浆泵活塞磨损试验台设计37-40
• 3.2 泥浆泵活塞磨损寿命试验方法40-41
• 3.3 仿生条纹形泥浆泵活塞磨损寿命试验研究41-53
• 3.3.1 仿生条纹形泥浆泵活塞设计41-43
• 3.3.2 仿生条纹形泥浆泵活塞试验方案43-44
• 3.3.3 仿生条纹形泥浆泵活塞试验结果与分析44-52
• 3.3.3.1 仿生条纹形活塞磨损寿命试验结果44-45
• 3.3.3.2 仿生条纹形活塞试验结果优化分析45-52
• 3.3.4 条纹数量对仿生活塞寿命的影响52-53
• 3.4 仿生凹坑形泥浆泵活塞磨损寿命试验研究53-60
• 3.4.1 仿生凹坑形泥浆泵活塞设计53-54
• 3.4.2 仿生凹坑形泥浆泵活塞试验方案54-55
• 3.4.3 仿生凹坑形泥浆泵活塞试验结果与分析55-60
• 3.4.3.1 仿生凹坑形活塞磨损寿命试验结果55-56
• 3.4.3.2 仿生凹坑形活塞试验结果优化分析56-60
• 3.5 仿生条纹形活塞与凹坑形活塞对比磨损试验60-63
• 3.5.1 磨损寿命试验结果61-62
• 3.5.2 等时间磨损试验结果62-63
• 3.6 仿生泥浆泵活塞现场钻井试验63-66
• 3.6.1 现场钻井仿生活塞设计63-64
• 3.6.2 F1300 型泥浆泵仿生活塞现场钻井试验条件64-65
• 3.6.3 现场钻井试验结果65-66
• 3.7 本章小结66-69
• 第4章 仿生活塞动密封性能试验研究69-85
• 4.1 仿生活塞动密封结构设计69-70
• 4.2 动密封试验台设计70-72
• 4.3 动密封试验方法72-73
• 4.4 动密封试验方案73-74
• 4.4.1 仿生条纹形活塞试验方案73-74
• 4.4.2 仿生凹坑形活塞试验方案74
• 4.5 试验结果与分析74-83
• 4.5.1 仿生条纹形活塞试验结果74-81
• 4.5.1.1 仿生条纹形活塞泄漏量试验结果74
• 4.5.1.2 试验结果优化分析74-80
• 4.5.1.3 仿生条纹形结构对活塞推力的影响80-81
• 4.5.2 仿生凹坑形活塞与条纹形活塞试验结果对比分析81-83
• 4.5.2.1 泄漏量对比分析81-82
• 4.5.2.2 活塞推力对比分析82-83
• 4.6 本章小结83-85
• 第5章 仿生泥浆泵活塞耐磨密封有限元分析85-109
• 5.1 有限元方法及 ANSYS Workbench 软件85-86
• 5.2 泥浆泵活塞缸套摩擦有限元仿真前处理86-89
• 5.2.1 泥浆泵活塞缸套有限元模型建立86-87
• 5.2.2 分析载荷步及边界条件设定87-89
• 5.3 泥浆泵活塞缸套摩擦有限元仿真结果分析89-106
• 5.3.1 标准活塞受力分析89-91
• 5.3.2 仿生活塞与标准活塞受力对比分析91-96
• 5.3.2.1 等效应力分析91-94
• 5.3.2.2 接触压力分析94-96
• 5.3.3 仿生条纹结构参数对活塞受力的影响96-100
• 5.3.3.1 条纹宽度对活塞受力的影响96-98
• 5.3.3.2 条纹间距对活塞受力的影响98-99
• 5.3.3.3 条纹数量对活塞受力的影响99-100
• 5.3.4 仿生凹坑结构参数对活塞受力的影响100-104
• 5.3.4.1 凹坑直径对活塞受力的影响100-101
• 5.3.4.2 凹坑中心夹角对活塞受力的影响101-103
• 5.3.4.3 凹坑深度对活塞受力的影响103-104
• 5.3.5 仿生条纹形与凹坑形对活塞表面润滑效果影响104-106
• 5.4 本章小结106-109
• 第6章 仿生泥浆泵活塞耐磨密封机理分析109-117
• 6.1 仿生泥浆泵活塞表面磨损分析109-112
• 6.2 仿生泥浆泵活塞表面润滑分析112-113
• 6.3 仿生泥浆泵活塞动密封性能分析113-114
• 6.4 本章小结114-117
• 第7章 结论与展望117-121
• 7.1 结论117-119
• 7.2 展望119-121
• 参考文献121-129
• 作者简介及攻读博士学位期间的科研成果129-131
• 致谢131

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 周静,韦云隆,张隆平,吴护林;等离子喷涂耐磨涂层及热障涂层的新进展[J];表面技术;2001年02期

2 杨文通,张风和,丁津原,马慧;混合润滑状态下边界膜失效机理[J];东北大学学报;1998年03期

3 张勃立;钻井泥浆泵活塞摩擦特性的试验研究[J];大庆石油学院学报;1984年02期

4 许亚婷;李建桥;孙久荣;杨志强;;蚯蚓体表形貌及润湿性的研究[J];华中农业大学学报;2005年S1期

5 ;Sliding resistance of plates with bionic bumpy surface against soil[J];Journal of Bionics Engineering;2004年04期

6 ;Numerical Simulation of Electroosmotic Flow near Earthworm Surface[J];Journal of Bionics Engineering;2006年04期

7 ;Progress in the bionic study on anti-adhesion and resistance reduction of terrain machines[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2009年02期

8 ;Biological couplings: Function, characteristics and implementation mode[J];Science China(Technological Sciences);2010年02期

9 张朝阳,张永康;汽缸表面处理的新发展——激光珩磨[J];激光技术;2003年01期

10 宋起飞;刘勇兵;周宏;孙娜;任露泉;;激光制备仿生耦合制动毂的摩擦磨损性能[J];吉林大学学报(工学版);2007年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘国敏;蚯蚓体表减粘降阻功能耦合仿生研究[D];吉林大学;2009年

本文编号：626959