仿生条纹形泥浆泵活塞耐磨密封性能研究

发布时间：2016-05-11 16:07

第 1 章  绪论

1.1  选题目的与意义
随着石油、煤炭、天然气等紧缺矿产资源的不断减少，我国对矿产资源的勘探和开发逐渐开始向深井和复杂地层发展。钻井深度不断加深，地层变得愈加复杂，对钻井设备的要求也会更加严格。在钻井设备中，泥浆泵是不可缺少的部件之一（如图 1.1），深井钻探对泥浆泵使用性能的要求非常严格。为了增大钻头的输出压力，提高岩屑上返能力，在钻井过程中，泥浆泵就需要较高的泵压和排量。为了满足深地层钻井条件的需求，钻井作业急需一种工作稳定、使用寿命长的泥浆泵[1]。 在泥浆泵的使用过程中，人们不断地对它进行研究、改进、完善。因此，泥浆泵技术越来越成熟，泥浆泵的使用范围和功能也更加广泛。输送泥浆、冲刷岩屑、冷却钻头和形成井壁是早期泥浆泵的主要功能。到了 20 世纪 40 年代后期，随着新技术的应用和钻井工艺的改进，出现了井下钻具钻井和喷射式钻井。涡轮钻具的驱动主要依赖泥浆泵，同时泥浆泵的高压泥浆可以辅助破坏岩石。20 世纪 70、80 年代，随着深井和超深井的出现，对泥浆泵的工作压力、使用稳定性提出了更高要求[2][3]。 往复式泥浆泵是现代钻井用泥浆泵中最基本的型式。和其他工业用泵相比，往复式泥浆泵可以在高压环境下工作，还可以循环粘度大、含沙量多的液体，因此在矿产资源开采中得到了十分广泛的应用。 早期在钻井作业中使用的泥浆泵，具有代表性的是双缸双作用活塞泵，这种泥浆泵的优点是稳定性好，缺点是泥浆泵比较笨重、工作压力不稳定。到了 60年代中期，三缸单作用泥浆泵得到了越来越多的使用。三缸单作用泥浆泵比双缸双作用泥浆泵有更好的使用性能，例如流量均匀、泵压高、体积小、工作压力稳定等[4]。三缸单作用泥浆泵经过不断地改进和完善，在钻井作业中使用的越来越多，后来逐渐替代了双缸泵[5]。 在钻井过程中，泥浆泵不断地向井底输送钻井液，为井底的钻具提供动力。泥浆是泥浆泵使用的最主要的钻井液，其具有粘性大、浓度高、含沙量多的特点。泥浆泵一般都在恶劣的环境中运行，所以泥浆泵出现的事故比较多。据统计，泥浆泵常常工作不到 20 小时就出现损坏，因泥浆泵的问题而停止用泵占到了停泵次数的 70%，这表明泥浆泵在很大程度上限制了钻井进度。 
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1.2  泥浆泵活塞的研究现状
随着泥浆泵活塞不断地改进，泥浆泵活塞的使用性能也不断提高。在泥浆泵出现的早期，使用的活塞都是整体式活塞（如图 1.3）。整体式泥浆泵活塞结构简单，便于标准化、系列化，具有通用性强的特点[8]。但是，整体式泥浆泵活塞也有自身的缺陷，其橡胶皮碗容易脱落[9]，这主要是由于橡胶皮碗和钢芯的粘结度较低，活塞皮碗在运动时受到连续的交变应力导致的。当活塞在往复运动时，，活塞皮碗还可能因为硫化效果差而被撕裂，从而进入钢芯和缸套的间隙中，加快活塞的磨损。整体式泥浆泵活塞因使用寿命短，不能满足现代钻井的需要，逐渐就被淘汰了。为了解决整体式泥浆泵活塞皮碗易脱落、寿命短的问题，人们又研制出了组装式活塞（橡胶皮碗可以从活塞钢芯上拆卸）。组装式泥浆泵活塞（如图 1.4）主要由橡胶皮碗、钢芯、压板、卡簧四部分组成，其中压板和卡簧的作用就是把橡胶皮碗和钢芯牢牢的结合在一起，防止橡胶皮碗与钢芯分离。整体式活塞皮碗的过盈量不可调节，而组装式活塞可以通过调整压板和卡簧的预紧力调节过盈量。组装式活塞加工制造成本较高，但在正常使用情况下，其利用率比整体式活塞要高。有试验数据表明[10]，在组装式活塞中，有 1/3~1/2 的钢芯可以回收，2/3 左右的压板和卡簧可以回收。总的来讲，与整体式活塞相比，组装式活塞更为经济。 
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第 2 章  泥浆泵工作原理和泥浆泵活塞的失效形式 

2.1  泥浆泵的工作原理
本文选用 BW-160 型三缸单作用泥浆泵为研究对象，该泵可分为液力端和动力端两部分。液力端最主要的功能是输送泥浆，其包括零件主要有：活塞连杆、活塞缸套摩擦副、吸入阀和排出阀。动力端为泥浆泵提供动力，调整活塞的运动速度及运动方向，其包括零件主要有输入轴、曲轴、连杆机构。 泥浆泵完成一个工作循环包含吸入过程和排出过程[44]。当泥浆泵活塞从最右端向左移动时，缸套内的密闭空间会逐渐增大、气压不断降低。在压强差的作用下，将使排出阀关闭、吸入阀开启，泥浆进入缸套内，直到活塞运动到最左端的位置，吸入过程结束；当泥浆泵活塞从最左端向右移动时，缸套内的密闭空间会逐渐减小、气压不断增大，这会使排出阀开启、吸入阀关闭，泥浆从缸套内排出，直到活塞运动到最右端的位置，排出过程结束。泥浆泵就是利用吸入和排出这两个过程不断循环来输送泥浆。图 2.1 为 BW-160 型泥浆泵的工作原理简图，活塞运动时的相位差为 120°。 
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2.2  泥浆泵活塞的运动规律
详细了解泥浆泵活塞的运动规律是研究活塞使用性能的前提条件。泥浆泵活塞的使用性能与活塞的运动速度、加速度紧密相关。泥浆泵活塞的速度、加速度对活塞缸套摩擦副的磨损密封情况有很大影响。曲柄连杆机构带动活塞不停地运动，图 2.2 为曲柄连杆机构运动的示意图。 本文主要研究泥浆泵活塞总成中的活塞皮碗，活塞皮碗的受力情况对其使用寿命有着至关重要的影响。对活塞皮碗进行静态受力分析、动态受力分析，可以更加深入的了解活塞的受力分布情况，进而对活塞的改进提供参考依据。图 2.3为活塞缸套摩擦副的示意图[46]。 
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第 3 章  仿生条纹形活塞设计加工及耐磨密封试验 .... 21 
3.1  仿生条纹形活塞设计 .... 21 
3.2  试验方案与方法 .... 22 
3.2.1  试验方案 .......... 22 
3.2.2  试验方法 .......... 23 
3.3  仿生条纹形活塞加工方法 .... 24 
3.4  试验数据统计及分析 .... 26 
3.5  最优接触面积探究试验及分析 .... 33 
第 4 章  标准活塞 ABAQUS 有限元分析 ...... 37 
4.1  有限元分析与 ABAQUS 介绍 ...... 37 
4.1.1  有限元法的基本原理 ...... 37 
4.1.2 ABAQUS 简介 .......... 38 
4.2  活塞缸套摩擦副有限元计算 ........ 38
4.3  计算结果与分析 .... 48
第 5 章  仿生条纹形活塞 ABAQUS 有限元分析 ........... 51 
5.1  仿生条纹形活塞有限元模型建立 ........ 51 
5.2  仿生条纹形活塞有限元模拟分析 ........ 53
5.3  仿生活塞最优条纹数目分析及验证试验 .... 58
5.4  仿生条纹形活塞耐磨密封机理分析 .... 61 

第5章  仿生条纹形活塞ABAQUS有限元分析及耐磨密封机理分析 

前文中已经对泥浆泵的工作原理及活塞的运动规律进行了分析，也对标准活塞进行了有限元数值模拟分析，得到了活塞与缸套接触表面受力情况。利用有限元软件进行分析可以把复杂的工程问题转变为简单的模型求解问题、减少不必要的试验成本投入、有效地提高工作效率。本章主要是利用计算机对仿生活塞、缸套等各部件建立模型，并对模型进行数值模拟分析，寻找仿生条纹形活塞表面的结构参数对活塞受力的影响规律。在最优接触面积不变时，考虑条纹数目对活塞受力情况的影响，通过分析寻找到仿生条纹形活塞最优的结构参数。然后，对仿生条纹形活塞最优结构参数进行试验验证，并为研究活塞的耐磨密封性能提供理论依据。 

5.1  仿生条纹形活塞有限元模型建立

为了对仿生条纹形活塞的耐磨密封效果进行分析，对 9 种仿生条纹形活塞的运动过程也要进行了模拟计算。仿生条纹形活塞与标准活塞的有限元模拟分析唯一的区别就是活塞的建模，根据表 3.2 仿生活塞试验方案，建立 9 种仿生条纹形活塞的模型。为了让有限元模拟分析结果具有对比性，活塞模型进行网格划分时使用智能网格划分，网格密度统一设置为 1.5mm，即 Approximate  global size=0.0015（模型建立时单位长度为米）。网格划分完毕后，可以得到本文需要的 9 中仿生条纹形活塞，如图 5.1 所示。 

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总结

泥浆泵是钻井设备中的关键部件，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较短，严重制约了泥浆泵的工作效率，影响了钻井速度、提高了钻井成本。本文对泥浆泵工作原理及活塞运动规律进行了分析，研究了活塞的失效形式及其失效原因。依据仿生非光滑耐磨理论，设计了仿生条纹形活塞，探索了仿生条纹形结构对活塞使用寿命的影响，分析了仿生条纹形活塞的耐磨密封机理。 本文的主要工作与结论如下：
1、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，活塞失效的影响因素主要有摩擦热、活塞间隙、泥浆、缸套质量、泵压和冲次。通过对活塞运动规律的推导，得到了活塞的位移、速度方程。 
2、依据仿生非光滑耐磨理论，设计了仿生条纹形活塞，进行了仿生活塞耐磨密封试验。试验表明，合理的条纹结构可以提高活塞的使用寿命，最大提高寿命 78.7%，而不合理的条纹结构也会降低活塞的使用寿命，最大降低寿命 63.7%。通过对 9 种活塞使用寿命的极差分析，确定了试验的主次因素 A、B，最优组合A2B2，即条纹宽度为 4.5mm，条纹间距为 5.0mm。研究了仿生活塞接触面积对使用寿命的影响，活塞与缸套最优的接触面积为 73.5%。 
3、对标准活塞进行了 ABAQUS 受力分析，泥浆泵活塞唇部的接触应力大于泥浆泵的工作压力，能够阻止泥浆进入活塞缸套摩擦副，表明活塞刚开始工作时密封性良好。而活塞根部的 Mises 应力很大，导致活塞根部容易出现挤伤、磨损严重的现象。 
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参考文献(略)

本文编号：44070