本文關(guān)鍵詞：壓裂泵織構(gòu)化柱塞密封副的摩擦學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 壓裂泵 密封摩擦副 表面織構(gòu) 單元實驗 摩擦學(xué)性能

【摘要】：壓裂施工在油氣田開采中提高采收率、保持產(chǎn)能的作用越來越顯著。壓裂泵作為壓裂、酸化設(shè)備的關(guān)鍵組成,其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性以及使用壽命將直接影響壓裂施工的進(jìn)展。如何有效降低壓裂泵液力端柱塞密封系統(tǒng)的磨損速率已成為提升壓裂泵綜合性能的亟待解決的問題。大量研究資料表明表面織構(gòu)技術(shù)在潤滑、減磨、降噪等方面具有顯著作用,目前已成摩擦學(xué)研究的熱點領(lǐng)域。如何有效的將表面織構(gòu)技術(shù)引入到柱塞表面,以改善其密封摩擦副的摩擦學(xué)性能是本文的主要研究內(nèi)容。表面織構(gòu)(Surface Texturing)是指在相互接觸的摩擦副表面,采用某種加工方式使其形成具有一定尺寸和規(guī)則排列的幾何圖案點陣。國內(nèi)外研究已證明表面織構(gòu)具有捕捉磨粒、充當(dāng)儲油槽、產(chǎn)生局部微流體動壓等的作用。本文將結(jié)合MDW-100型立式萬能摩擦磨損試驗機(jī)性能,設(shè)計出近似模擬柱塞動密封摩擦副材料摩擦磨損的單元實驗方案。然后在柱塞單元試樣表面加工出所優(yōu)選不同織構(gòu)參數(shù)的微米級凹坑用于摩擦磨損試驗,初步探索了不同織構(gòu)形狀及固定圓形凹坑不同幾何參數(shù)變化時表面織構(gòu)對柱塞動密封單元試樣配對副的摩擦學(xué)性能影響,并根據(jù)一維Reynolds方程推導(dǎo)實際工況下柱塞與密封橡膠間的油膜厚度。最后,采用激光燒蝕技術(shù)在全尺寸柱塞試樣表面進(jìn)行了初步優(yōu)選織構(gòu)的加工。通過上述研究,主要取得了以下結(jié)論：(1)具有表面織構(gòu)的20#鋼剛體與丁腈橡膠彈性密封體單元試樣摩擦副測試出的摩擦學(xué)性能不一定優(yōu)于無織構(gòu)柱塞密封配對摩擦副,也存在增大磨損的可能。在高接觸應(yīng)力且摩擦副具有彈性體存在時,表面織構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)選取較小凹坑、較低面積比參數(shù),以免彈性體產(chǎn)生凹陷,反而增大摩擦。(2)柱塞-密封橡膠單元摩擦實驗工況為固定轉(zhuǎn)速928r/min、試驗時長3600s、潤滑介質(zhì)為L-CKD150,當(dāng)摩擦副為環(huán)-環(huán)配對時,圓形、橢圓形、方形和條形等四種微結(jié)構(gòu)的14種織構(gòu)組合的柱塞-密封橡膠單元摩擦磨損實驗中,表現(xiàn)最優(yōu)減磨性能的是面積比5%、凹坑深度401μm、均勻分布圓形微凹坑,與無織構(gòu)配對摩擦副相比,柱塞單元試件的磨損量降低42.0%,表面磨痕輕微；當(dāng)摩擦副為銷-環(huán)配對時,所設(shè)計的20組圓形微凹坑柱塞-密封橡膠單元試樣的摩擦磨損實驗中,織構(gòu)化柱塞-密封橡膠配對副的摩擦學(xué)性能均優(yōu)于無織構(gòu)試樣,表現(xiàn)最優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)組合為直徑為0.2mmm、深度在30-40μm、面積比為2%的圓形凹坑,相比無織構(gòu)試樣,單元試驗的平均摩擦系數(shù)降低56.2%、溫升減少55.4%、表面磨痕方向也相對一致。(3)基于一維Reynolds方程得出柱塞動密封副的油膜厚度約為0.96μm,該摩擦副的潤滑狀態(tài)處于邊界潤滑和混合潤滑之間�；贜-S方程對單元實驗初步優(yōu)選織構(gòu)參數(shù)的單凹坑進(jìn)行了油膜壓力分布的仿真分析,結(jié)果表明,優(yōu)選的微凹坑織構(gòu)幾何參數(shù)產(chǎn)生了局部流體動壓潤滑,改善了柱塞-密封橡膠摩擦副的潤滑狀態(tài)。(4)搭建了表面織構(gòu)布置于全尺寸柱塞圓柱形表面的納秒激光燒蝕的加工平臺,初步形成了優(yōu)選織構(gòu)布置于柱塞試樣表面的激光加工工藝及測試方法。綜上所述,本文創(chuàng)新性地提出了利用表面織構(gòu)改善壓裂泵柱塞-密封橡膠配對副的摩擦學(xué)性能新思路。通過單元實驗和仿真分析得出了優(yōu)選表面織構(gòu)參數(shù)組合可顯著提升柱塞-密封橡膠配對副的摩擦學(xué)性能,該研究方法為進(jìn)一步提高柱塞密封副的潤滑性能、增強(qiáng)其耐磨性提供了一條新途徑。
【關(guān)鍵詞】：壓裂泵 密封摩擦副 表面織構(gòu) 單元實驗 摩擦學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE934.2;TH117
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-29
• 1.1 課題來源10
• 1.2 課題研究工程背景10-12
• 1.3 壓裂柱塞泵研究現(xiàn)狀12-18
• 1.3.1 柱塞泵的工作原理12-14
• 1.3.2 壓裂泵柱塞失效形式14-15
• 1.3.3 柱塞密封系統(tǒng)15-18
• 1.4 表面織構(gòu)研究現(xiàn)狀18-27
• 1.4.1 表面織構(gòu)的發(fā)展18-25
• 1.4.2 表面織構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域25-27
• 1.5 主要研究內(nèi)容及思路27-28
• 1.5.1 主要研究內(nèi)容27-28
• 1.5.2 論文研究思路28
• 1.6 論文創(chuàng)新點28-29
• 第2章 單元試件摩擦試驗方案設(shè)計29-39
• 2.1 試驗裝置的選擇及試樣設(shè)計29-32
• 2.1.1 試驗裝置的選擇29-30
• 2.1.2 試樣的設(shè)計30-32
• 2.2 柱塞密封摩擦副運動試驗轉(zhuǎn)換32-35
• 2.2.1 實際工況下柱塞密封摩擦副運動情況32-34
• 2.2.2 單元試件摩擦磨損實驗工況的確定34-35
• 2.3 單元摩擦磨損試驗流程35-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第3章 不同形狀表面織構(gòu)的單元摩擦試驗39-53
• 3.1 表面織構(gòu)參數(shù)簡介39-40
• 3.2 不同表面織構(gòu)形狀設(shè)計及加工40-43
• 3.2.1 不同形狀的表面織構(gòu)參數(shù)設(shè)計40-41
• 3.2.2 表面織構(gòu)的雕刻機(jī)加工41-43
• 3.3 摩擦磨損試驗結(jié)果及分析43-52
• 3.3.1 摩擦副摩擦系數(shù)及溫升的影響44-45
• 3.3.2 摩擦副試件磨損量的影響45-47
• 3.3.3 摩擦副單元試件的磨損形貌分析47-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 第4章 不同參數(shù)圓形織構(gòu)的單元摩擦試驗53-70
• 4.1 橡膠單元試件的優(yōu)化53-54
• 4.2 圓形表面織構(gòu)的設(shè)計及加工54-56
• 4.2.1 圓形表面織構(gòu)設(shè)計54-55
• 4.2.2 表面織構(gòu)激光加工55-56
• 4.3 摩擦磨損試驗結(jié)果及分析56-62
• 4.3.1 摩擦副摩擦系數(shù)的影響56-58
• 4.3.2 摩擦副溫升的影響58-59
• 4.3.3 試驗前后試件表面形貌對比59-62
• 4.4 變速變載荷的摩擦系數(shù)變化62-65
• 4.4.1 摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律62-64
• 4.4.2 摩擦系數(shù)隨加載力的變化規(guī)律64-65
• 4.5 帶涂層單元摩擦磨損試驗65-68
• 4.5.1 單元試件的設(shè)計與加工65-67
• 4.5.2 涂層試件的摩擦系數(shù)分析67-68
• 4.6 本章小結(jié)68-70
• 第5章 優(yōu)選織構(gòu)形式的布置與數(shù)值模擬70-81
• 5.1 表面織構(gòu)在柱塞上的加工區(qū)域70-72
• 5.2 柱塞密封潤滑理論分析72-76
• 5.2.1 流體潤滑一維Reynolds方程72-74
• 5.2.2 柱塞密封油膜厚度的計算74-76
• 5.3 單個織構(gòu)仿真模型的建立76-78
• 5.4 有限元分析結(jié)果78-80
• 5.5 本章小結(jié)80-81
• 第6章 全尺寸柱塞激光表面織構(gòu)化工藝81-93
• 6.1 表面織構(gòu)加工技術(shù)81-84
• 6.2 激光設(shè)備的選取84
• 6.3 全尺寸加工設(shè)備組裝方案84-86
• 6.3.1 初定組裝方案84-85
• 6.3.2 組裝方案的優(yōu)化85-86
• 6.4 激光加工參數(shù)的確定86-90
• 6.4.1 DSX500型顯微鏡簡介86
• 6.4.2 激光參數(shù)對凹坑深度的影響86-90
• 6.5 激光加工工藝流程90-91
• 6.6 織構(gòu)化柱塞加工實物展示91-92
• 6.7 本章小結(jié)92-93
• 第7章 結(jié)論與展望93-96
• 7.1 結(jié)論93-94
• 7.2 展望94-96
• 致謝96-97
• 參考文獻(xiàn)97-102
• 附錄102-105
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果105

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：683600