压裂泵织构化柱塞密封副的摩擦学性能研究

发布时间：2017-08-16 13:33

  本文关键词：压裂泵织构化柱塞密封副的摩擦学性能研究

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【摘要】：压裂施工在油气田开采中提高采收率、保持产能的作用越来越显著。压裂泵作为压裂、酸化设备的关键组成,其工作状态的稳定性以及使用寿命将直接影响压裂施工的进展。如何有效降低压裂泵液力端柱塞密封系统的磨损速率已成为提升压裂泵综合性能的亟待解决的问题。大量研究资料表明表面织构技术在润滑、减磨、降噪等方面具有显著作用,目前已成摩擦学研究的热点领域。如何有效的将表面织构技术引入到柱塞表面,以改善其密封摩擦副的摩擦学性能是本文的主要研究内容。表面织构(Surface Texturing)是指在相互接触的摩擦副表面,采用某种加工方式使其形成具有一定尺寸和规则排列的几何图案点阵。国内外研究已证明表面织构具有捕捉磨粒、充当储油槽、产生局部微流体动压等的作用。本文将结合MDW-100型立式万能摩擦磨损试验机性能,设计出近似模拟柱塞动密封摩擦副材料摩擦磨损的单元实验方案。然后在柱塞单元试样表面加工出所优选不同织构参数的微米级凹坑用于摩擦磨损试验,初步探索了不同织构形状及固定圆形凹坑不同几何参数变化时表面织构对柱塞动密封单元试样配对副的摩擦学性能影响,并根据一维Reynolds方程推导实际工况下柱塞与密封橡胶间的油膜厚度。最后,采用激光烧蚀技术在全尺寸柱塞试样表面进行了初步优选织构的加工。通过上述研究,主要取得了以下结论：(1)具有表面织构的20#钢刚体与丁腈橡胶弹性密封体单元试样摩擦副测试出的摩擦学性能不一定优于无织构柱塞密封配对摩擦副,也存在增大磨损的可能。在高接触应力且摩擦副具有弹性体存在时,表面织构优化设计应选取较小凹坑、较低面积比参数,以免弹性体产生凹陷,反而增大摩擦。(2)柱塞-密封橡胶单元摩擦实验工况为固定转速928r/min、试验时长3600s、润滑介质为L-CKD150,当摩擦副为环-环配对时,圆形、椭圆形、方形和条形等四种微结构的14种织构组合的柱塞-密封橡胶单元摩擦磨损实验中,表现最优减磨性能的是面积比5%、凹坑深度401μm、均匀分布圆形微凹坑,与无织构配对摩擦副相比,柱塞单元试件的磨损量降低42.0%,表面磨痕轻微；当摩擦副为销-环配对时,所设计的20组圆形微凹坑柱塞-密封橡胶单元试样的摩擦磨损实验中,织构化柱塞-密封橡胶配对副的摩擦学性能均优于无织构试样,表现最优的织构参数组合为直径为0.2mmm、深度在30-40μm、面积比为2%的圆形凹坑,相比无织构试样,单元试验的平均摩擦系数降低56.2%、温升减少55.4%、表面磨痕方向也相对一致。(3)基于一维Reynolds方程得出柱塞动密封副的油膜厚度约为0.96μm,该摩擦副的润滑状态处于边界润滑和混合润滑之间。基于N-S方程对单元实验初步优选织构参数的单凹坑进行了油膜压力分布的仿真分析,结果表明,优选的微凹坑织构几何参数产生了局部流体动压润滑,改善了柱塞-密封橡胶摩擦副的润滑状态。(4)搭建了表面织构布置于全尺寸柱塞圆柱形表面的纳秒激光烧蚀的加工平台,初步形成了优选织构布置于柱塞试样表面的激光加工工艺及测试方法。综上所述,本文创新性地提出了利用表面织构改善压裂泵柱塞-密封橡胶配对副的摩擦学性能新思路。通过单元实验和仿真分析得出了优选表面织构参数组合可显著提升柱塞-密封橡胶配对副的摩擦学性能,该研究方法为进一步提高柱塞密封副的润滑性能、增强其耐磨性提供了一条新途径。
【关键词】：压裂泵 密封摩擦副 表面织构 单元实验 摩擦学性能
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE934.2;TH117
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-29
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究工程背景10-12
• 1.3 压裂柱塞泵研究现状12-18
• 1.3.1 柱塞泵的工作原理12-14
• 1.3.2 压裂泵柱塞失效形式14-15
• 1.3.3 柱塞密封系统15-18
• 1.4 表面织构研究现状18-27
• 1.4.1 表面织构的发展18-25
• 1.4.2 表面织构的应用领域25-27
• 1.5 主要研究内容及思路27-28
• 1.5.1 主要研究内容27-28
• 1.5.2 论文研究思路28
• 1.6 论文创新点28-29
• 第2章 单元试件摩擦试验方案设计29-39
• 2.1 试验装置的选择及试样设计29-32
• 2.1.1 试验装置的选择29-30
• 2.1.2 试样的设计30-32
• 2.2 柱塞密封摩擦副运动试验转换32-35
• 2.2.1 实际工况下柱塞密封摩擦副运动情况32-34
• 2.2.2 单元试件摩擦磨损实验工况的确定34-35
• 2.3 单元摩擦磨损试验流程35-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 不同形状表面织构的单元摩擦试验39-53
• 3.1 表面织构参数简介39-40
• 3.2 不同表面织构形状设计及加工40-43
• 3.2.1 不同形状的表面织构参数设计40-41
• 3.2.2 表面织构的雕刻机加工41-43
• 3.3 摩擦磨损试验结果及分析43-52
• 3.3.1 摩擦副摩擦系数及温升的影响44-45
• 3.3.2 摩擦副试件磨损量的影响45-47
• 3.3.3 摩擦副单元试件的磨损形貌分析47-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 不同参数圆形织构的单元摩擦试验53-70
• 4.1 橡胶单元试件的优化53-54
• 4.2 圆形表面织构的设计及加工54-56
• 4.2.1 圆形表面织构设计54-55
• 4.2.2 表面织构激光加工55-56
• 4.3 摩擦磨损试验结果及分析56-62
• 4.3.1 摩擦副摩擦系数的影响56-58
• 4.3.2 摩擦副温升的影响58-59
• 4.3.3 试验前后试件表面形貌对比59-62
• 4.4 变速变载荷的摩擦系数变化62-65
• 4.4.1 摩擦系数随转速的变化规律62-64
• 4.4.2 摩擦系数随加载力的变化规律64-65
• 4.5 带涂层单元摩擦磨损试验65-68
• 4.5.1 单元试件的设计与加工65-67
• 4.5.2 涂层试件的摩擦系数分析67-68
• 4.6 本章小结68-70
• 第5章 优选织构形式的布置与数值模拟70-81
• 5.1 表面织构在柱塞上的加工区域70-72
• 5.2 柱塞密封润滑理论分析72-76
• 5.2.1 流体润滑一维Reynolds方程72-74
• 5.2.2 柱塞密封油膜厚度的计算74-76
• 5.3 单个织构仿真模型的建立76-78
• 5.4 有限元分析结果78-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第6章 全尺寸柱塞激光表面织构化工艺81-93
• 6.1 表面织构加工技术81-84
• 6.2 激光设备的选取84
• 6.3 全尺寸加工设备组装方案84-86
• 6.3.1 初定组装方案84-85
• 6.3.2 组装方案的优化85-86
• 6.4 激光加工参数的确定86-90
• 6.4.1 DSX500型显微镜简介86
• 6.4.2 激光参数对凹坑深度的影响86-90
• 6.5 激光加工工艺流程90-91
• 6.6 织构化柱塞加工实物展示91-92
• 6.7 本章小结92-93
• 第7章 结论与展望93-96
• 7.1 结论93-94
• 7.2 展望94-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-102
• 附录102-105
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果105

【参考文献】

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本文编号：683600