本文關(guān)鍵詞：泥漿泵活塞仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)及其耐磨密封性能研究

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【摘要】：泥漿泵是鉆井設(shè)備中的核心部件，對礦產(chǎn)資源的開采起到了非常重要的作用。然而泥漿泵活塞的使用壽命短，嚴(yán)重制約泥漿泵的工作效率。通過對鉆井裝備展覽和泥漿泵運(yùn)行現(xiàn)場的實(shí)地調(diào)研得知：泥漿泵活塞的改進(jìn)優(yōu)化是提高鉆井效率的關(guān)鍵，泥漿泵活塞的失效形式主要包括磨粒磨損失效和擠傷失效，影響泥漿泵活塞失效的因素有泵壓和沖次、摩擦熱、活塞間隙、泥漿、有缺陷的缸套。 自然界中的生物經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，其體表在進(jìn)化過程中形成了具有一定特性的結(jié)構(gòu)。蚯蚓是常見的土壤動(dòng)物，其身體柔軟，但可以在相對于它身體來講十分堅(jiān)硬的土壤中竄行自如，是由于蚯蚓體表分為多個(gè)體節(jié)，在運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)體節(jié)形成非光滑的條紋形，每段條紋形體節(jié)之間有規(guī)則排布的凹坑背孔陣列。本文結(jié)合蚯蚓體表的非光滑結(jié)構(gòu)及減阻脫附功效，參考仿生非光滑耐磨前期研究成果，設(shè)計(jì)條紋形和凹坑形泥漿泵仿生活塞。 依照《地質(zhì)鉆探用往復(fù)式泥漿泵試驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求以及有關(guān)泥漿泵易損件試驗(yàn)臺相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)制作室內(nèi)泥漿泵活塞磨損與壽命試驗(yàn)臺。設(shè)計(jì)BW160型泥漿泵仿生條紋形和凹坑形活塞進(jìn)行磨損壽命試驗(yàn)。結(jié)果證明，合理設(shè)計(jì)的仿生泥漿泵活塞可明顯提高活塞壽命。其中仿生條紋形活塞最大提高壽命78.45%�；钊麎勖軛l紋形寬度的影響大于條紋數(shù)量及條紋間距。在合理的條紋寬度、條紋間距及活塞尺寸允許的情況，活塞壽命隨條紋數(shù)量增加而增大。仿生條紋寬度過小，活塞壽命提高不明顯。仿生條紋寬度過大，反而會(huì)降低活塞壽命。仿生凹坑形活塞最大提高壽命近119%。凹坑直徑對活塞壽命影響最大，凹坑中心夾角對壽命影響次之，凹坑深度對活塞壽命影響最小�；钊麎勖c凹坑直徑呈拋物線關(guān)系，凹坑直徑選取不易過大或過小�；钊麎勖S凹坑中心夾角縮小而增大。在合理的凹坑深度范圍內(nèi)，活塞壽命隨凹坑深度增大而增大。將試驗(yàn)中的最優(yōu)仿生條紋形活塞和最優(yōu)仿生凹坑形活塞，進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)：凹坑形活塞磨損壽命優(yōu)于條紋形活塞。相同時(shí)間的磨損率，二者相差很小，均好于標(biāo)準(zhǔn)活塞磨損率。F1300型泥漿泵活塞現(xiàn)場鉆井試驗(yàn)結(jié)果說明，仿生凹坑形泥漿泵活塞可以大幅提高活塞使用壽命，較標(biāo)準(zhǔn)活塞壽命提高了近100%。 設(shè)計(jì)并搭建可測量活塞泄漏量及摩擦力的動(dòng)密封試驗(yàn)裝置，對仿生活塞和標(biāo)準(zhǔn)活塞進(jìn)行了動(dòng)密封泄漏試驗(yàn)。結(jié)果證明，仿生活塞泄漏量比光滑活塞泄漏量小。其中條紋寬度3mm、條紋數(shù)量4、條紋間距2mm的仿生活塞泄漏量最小，是光滑活塞泄露量的24%。影響仿生條紋形活塞泄露量的主次因素分別為：條紋寬度、條紋數(shù)量和條紋間距。以條紋寬度、條紋數(shù)量為自變量，活塞泄漏量為因變量，泄漏量隨條紋數(shù)量增加而降低。泄露量與條紋寬度呈現(xiàn)拋物關(guān)系，試驗(yàn)中條紋寬度為3mm時(shí)活塞泄露量最小。條紋形活塞泄露量小于凹坑形活塞，說明仿生條紋形活塞動(dòng)密封性能更好。條紋形結(jié)構(gòu)在改變界面潤滑條件，降低摩擦系數(shù)的同時(shí)，具有比凹坑形活塞更高的界面接觸壓力，是其動(dòng)密封性能好的原因。測得的仿生條紋形和凹坑形活塞推力均小于或接近光滑活塞，說明活塞表面的仿生結(jié)構(gòu)改善了潤滑條件，降低了活塞與缸套的摩擦阻力。 有限元數(shù)值分析可知，仿生條紋、凹坑形活塞與標(biāo)準(zhǔn)活塞相比，其根部的等效應(yīng)力值小，說明活塞表面的仿生形態(tài)可以有效降低活塞根部受力。凹坑形活塞根部等效應(yīng)力比條紋形活塞小，說明凹坑形活塞對改變活塞根部受力明顯。條紋形活塞唇部接觸壓力比凹坑形活塞大，說明條紋形結(jié)構(gòu)對提高活塞密封性能更好。條紋寬度變大，活塞根部等效應(yīng)力變小，活塞唇部接觸壓力變大。活塞根部及唇部等效應(yīng)力隨條紋間距變化不明顯。條紋數(shù)量增加可降低活塞根部等效應(yīng)力，，提高活塞表面接觸壓力。凹坑直徑的增加，活塞根部受到等效應(yīng)力減小，活塞唇部接觸壓力增大。凹坑中心夾角減小，活塞根部等效應(yīng)力減小，活塞唇部接觸壓力增加。凹坑深度不同，活塞根部等效應(yīng)力相差很小，表面接觸壓力分布規(guī)律基本一致。條紋形、凹坑形仿生活塞使?jié)櫥黧w流動(dòng)速度明顯變緩，并有流體回流現(xiàn)象發(fā)生，不易使?jié)櫥簭幕钊滋组g隙內(nèi)流走，保證活塞表面得到更充分的潤滑。 仿生泥漿泵活塞耐磨密封機(jī)理總結(jié)為：仿生活塞表面的條紋、凹坑形結(jié)構(gòu)可以加大潤滑油的存儲空間，使停留在仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)的潤滑油不易被缸套帶走，從而改善摩擦副界面潤滑條件，降低活塞與缸套的摩擦阻力，減小摩擦生熱。仿生活塞可容納一部分磨粒，減少了磨粒對活塞的犁溝作用。仿生結(jié)構(gòu)的存在終止了磨粒對活塞的連續(xù)犁溝，避免泥漿通過連續(xù)犁溝經(jīng)過整個(gè)活塞表面。仿生活塞可提高活塞唇部接觸壓力，增強(qiáng)活塞自適應(yīng)能力，避免活塞偏磨，從而提高活塞密封性能。
【關(guān)鍵詞】：泥漿泵活塞 仿生 條紋形 凹坑形 耐磨 密封 優(yōu)化設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE92
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-25
• 1.1 研究背景及意義13-15
• 1.2 泥漿泵活塞的研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.2 泥漿泵活塞形態(tài)研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.3 泥漿泵活塞材料研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3 耐磨技術(shù)研究現(xiàn)狀21
• 1.4 動(dòng)密封技術(shù)研究現(xiàn)狀21-22
• 1.5 仿生非光滑耐磨技術(shù)的研究現(xiàn)狀22-23
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容23-25
• 第2章 泥漿泵活塞失效形式及仿生設(shè)計(jì)25-37
• 2.1 泥漿泵工作原理25
• 2.2 泥漿泵活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律25-28
• 2.3 泥漿泵活塞受力分析28-29
• 2.4 泥漿泵活塞失效形式29-32
• 2.4.1 現(xiàn)場調(diào)研29-31
• 2.4.2 泥漿泵活塞主要失效形式31-32
• 2.4.2.1 活塞磨粒磨損失效31
• 2.4.2.2 活塞皮碗擠傷失效31-32
• 2.4.2.3 活塞皮碗密封失效及疲勞失效32
• 2.5 泥漿泵活塞失效原因分析32-34
• 2.5.1 泵壓、泵速的影響32-33
• 2.5.2 摩擦熱的影響33
• 2.5.3 活塞間隙的影響33-34
• 2.5.4 泥漿的影響34
• 2.5.5 缸套質(zhì)量的影響34
• 2.6 泥漿泵活塞仿生形態(tài)設(shè)計(jì)34-35
• 2.7 本章小結(jié)35-37
• 第3章 仿生泥漿泵活塞磨損試驗(yàn)研究37-69
• 3.1 泥漿泵活塞磨損試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)37-40
• 3.2 泥漿泵活塞磨損壽命試驗(yàn)方法40-41
• 3.3 仿生條紋形泥漿泵活塞磨損壽命試驗(yàn)研究41-53
• 3.3.1 仿生條紋形泥漿泵活塞設(shè)計(jì)41-43
• 3.3.2 仿生條紋形泥漿泵活塞試驗(yàn)方案43-44
• 3.3.3 仿生條紋形泥漿泵活塞試驗(yàn)結(jié)果與分析44-52
• 3.3.3.1 仿生條紋形活塞磨損壽命試驗(yàn)結(jié)果44-45
• 3.3.3.2 仿生條紋形活塞試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析45-52
• 3.3.4 條紋數(shù)量對仿生活塞壽命的影響52-53
• 3.4 仿生凹坑形泥漿泵活塞磨損壽命試驗(yàn)研究53-60
• 3.4.1 仿生凹坑形泥漿泵活塞設(shè)計(jì)53-54
• 3.4.2 仿生凹坑形泥漿泵活塞試驗(yàn)方案54-55
• 3.4.3 仿生凹坑形泥漿泵活塞試驗(yàn)結(jié)果與分析55-60
• 3.4.3.1 仿生凹坑形活塞磨損壽命試驗(yàn)結(jié)果55-56
• 3.4.3.2 仿生凹坑形活塞試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析56-60
• 3.5 仿生條紋形活塞與凹坑形活塞對比磨損試驗(yàn)60-63
• 3.5.1 磨損壽命試驗(yàn)結(jié)果61-62
• 3.5.2 等時(shí)間磨損試驗(yàn)結(jié)果62-63
• 3.6 仿生泥漿泵活塞現(xiàn)場鉆井試驗(yàn)63-66
• 3.6.1 現(xiàn)場鉆井仿生活塞設(shè)計(jì)63-64
• 3.6.2 F1300 型泥漿泵仿生活塞現(xiàn)場鉆井試驗(yàn)條件64-65
• 3.6.3 現(xiàn)場鉆井試驗(yàn)結(jié)果65-66
• 3.7 本章小結(jié)66-69
• 第4章 仿生活塞動(dòng)密封性能試驗(yàn)研究69-85
• 4.1 仿生活塞動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)69-70
• 4.2 動(dòng)密封試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)70-72
• 4.3 動(dòng)密封試驗(yàn)方法72-73
• 4.4 動(dòng)密封試驗(yàn)方案73-74
• 4.4.1 仿生條紋形活塞試驗(yàn)方案73-74
• 4.4.2 仿生凹坑形活塞試驗(yàn)方案74
• 4.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析74-83
• 4.5.1 仿生條紋形活塞試驗(yàn)結(jié)果74-81
• 4.5.1.1 仿生條紋形活塞泄漏量試驗(yàn)結(jié)果74
• 4.5.1.2 試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析74-80
• 4.5.1.3 仿生條紋形結(jié)構(gòu)對活塞推力的影響80-81
• 4.5.2 仿生凹坑形活塞與條紋形活塞試驗(yàn)結(jié)果對比分析81-83
• 4.5.2.1 泄漏量對比分析81-82
• 4.5.2.2 活塞推力對比分析82-83
• 4.6 本章小結(jié)83-85
• 第5章 仿生泥漿泵活塞耐磨密封有限元分析85-109
• 5.1 有限元方法及 ANSYS Workbench 軟件85-86
• 5.2 泥漿泵活塞缸套摩擦有限元仿真前處理86-89
• 5.2.1 泥漿泵活塞缸套有限元模型建立86-87
• 5.2.2 分析載荷步及邊界條件設(shè)定87-89
• 5.3 泥漿泵活塞缸套摩擦有限元仿真結(jié)果分析89-106
• 5.3.1 標(biāo)準(zhǔn)活塞受力分析89-91
• 5.3.2 仿生活塞與標(biāo)準(zhǔn)活塞受力對比分析91-96
• 5.3.2.1 等效應(yīng)力分析91-94
• 5.3.2.2 接觸壓力分析94-96
• 5.3.3 仿生條紋結(jié)構(gòu)參數(shù)對活塞受力的影響96-100
• 5.3.3.1 條紋寬度對活塞受力的影響96-98
• 5.3.3.2 條紋間距對活塞受力的影響98-99
• 5.3.3.3 條紋數(shù)量對活塞受力的影響99-100
• 5.3.4 仿生凹坑結(jié)構(gòu)參數(shù)對活塞受力的影響100-104
• 5.3.4.1 凹坑直徑對活塞受力的影響100-101
• 5.3.4.2 凹坑中心夾角對活塞受力的影響101-103
• 5.3.4.3 凹坑深度對活塞受力的影響103-104
• 5.3.5 仿生條紋形與凹坑形對活塞表面潤滑效果影響104-106
• 5.4 本章小結(jié)106-109
• 第6章 仿生泥漿泵活塞耐磨密封機(jī)理分析109-117
• 6.1 仿生泥漿泵活塞表面磨損分析109-112
• 6.2 仿生泥漿泵活塞表面潤滑分析112-113
• 6.3 仿生泥漿泵活塞動(dòng)密封性能分析113-114
• 6.4 本章小結(jié)114-117
• 第7章 結(jié)論與展望117-121
• 7.1 結(jié)論117-119
• 7.2 展望119-121
• 參考文獻(xiàn)121-129
• 作者簡介及攻讀博士學(xué)位期間的科研成果129-131
• 致謝131

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉國敏;蚯蚓體表減粘降阻功能耦合仿生研究[D];吉林大學(xué);2009年

本文編號：626959