第 1 章  緒論

1.1  選題目的與意義
隨著石油、煤炭、天然氣等緊缺礦產(chǎn)資源的不斷減少，我國對礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)逐漸開始向深井和復雜地層發(fā)展。鉆井深度不斷加深，地層變得愈加復雜，對鉆井設備的要求也會更加嚴格。在鉆井設備中，泥漿泵是不可缺少的部件之一（如圖 1.1），深井鉆探對泥漿泵使用性能的要求非常嚴格。為了增大鉆頭的輸出壓力，提高巖屑上返能力，在鉆井過程中，泥漿泵就需要較高的泵壓和排量。為了滿足深地層鉆井條件的需求，鉆井作業(yè)急需一種工作穩(wěn)定、使用壽命長的泥漿泵[1]。 在泥漿泵的使用過程中，人們不斷地對它進行研究、改進、完善。因此，泥漿泵技術越來越成熟，泥漿泵的使用范圍和功能也更加廣泛。輸送泥漿、沖刷巖屑、冷卻鉆頭和形成井壁是早期泥漿泵的主要功能。到了 20 世紀 40 年代后期，隨著新技術的應用和鉆井工藝的改進，出現(xiàn)了井下鉆具鉆井和噴射式鉆井。渦輪鉆具的驅動主要依賴泥漿泵，同時泥漿泵的高壓泥漿可以輔助破壞巖石。20 世紀 70、80 年代，隨著深井和超深井的出現(xiàn)，對泥漿泵的工作壓力、使用穩(wěn)定性提出了更高要求[2][3]。 往復式泥漿泵是現(xiàn)代鉆井用泥漿泵中最基本的型式。和其他工業(yè)用泵相比，往復式泥漿泵可以在高壓環(huán)境下工作，還可以循環(huán)粘度大、含沙量多的液體，因此在礦產(chǎn)資源開采中得到了十分廣泛的應用。 早期在鉆井作業(yè)中使用的泥漿泵，具有代表性的是雙缸雙作用活塞泵，這種泥漿泵的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，缺點是泥漿泵比較笨重、工作壓力不穩(wěn)定。到了 60年代中期，三缸單作用泥漿泵得到了越來越多的使用。三缸單作用泥漿泵比雙缸雙作用泥漿泵有更好的使用性能，例如流量均勻、泵壓高、體積小、工作壓力穩(wěn)定等[4]。三缸單作用泥漿泵經(jīng)過不斷地改進和完善，在鉆井作業(yè)中使用的越來越多，后來逐漸替代了雙缸泵[5]。 在鉆井過程中，泥漿泵不斷地向井底輸送鉆井液，為井底的鉆具提供動力。泥漿是泥漿泵使用的最主要的鉆井液，其具有粘性大、濃度高、含沙量多的特點。泥漿泵一般都在惡劣的環(huán)境中運行，所以泥漿泵出現(xiàn)的事故比較多。據(jù)統(tǒng)計，泥漿泵常常工作不到 20 小時就出現(xiàn)損壞，因泥漿泵的問題而停止用泵占到了停泵次數(shù)的 70%，這表明泥漿泵在很大程度上限制了鉆井進度。 
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1.2  泥漿泵活塞的研究現(xiàn)狀
隨著泥漿泵活塞不斷地改進，泥漿泵活塞的使用性能也不斷提高。在泥漿泵出現(xiàn)的早期，使用的活塞都是整體式活塞（如圖 1.3）。整體式泥漿泵活塞結構簡單，便于標準化、系列化，具有通用性強的特點[8]。但是，整體式泥漿泵活塞也有自身的缺陷，其橡膠皮碗容易脫落[9]，這主要是由于橡膠皮碗和鋼芯的粘結度較低，活塞皮碗在運動時受到連續(xù)的交變應力導致的。當活塞在往復運動時，，活塞皮碗還可能因為硫化效果差而被撕裂，從而進入鋼芯和缸套的間隙中，加快活塞的磨損。整體式泥漿泵活塞因使用壽命短，不能滿足現(xiàn)代鉆井的需要，逐漸就被淘汰了。為了解決整體式泥漿泵活塞皮碗易脫落、壽命短的問題，人們又研制出了組裝式活塞（橡膠皮碗可以從活塞鋼芯上拆卸）。組裝式泥漿泵活塞（如圖 1.4）主要由橡膠皮碗、鋼芯、壓板、卡簧四部分組成，其中壓板和卡簧的作用就是把橡膠皮碗和鋼芯牢牢的結合在一起，防止橡膠皮碗與鋼芯分離。整體式活塞皮碗的過盈量不可調(diào)節(jié)，而組裝式活塞可以通過調(diào)整壓板和卡簧的預緊力調(diào)節(jié)過盈量。組裝式活塞加工制造成本較高，但在正常使用情況下，其利用率比整體式活塞要高。有試驗數(shù)據(jù)表明[10]，在組裝式活塞中，有 1/3~1/2 的鋼芯可以回收，2/3 左右的壓板和卡簧可以回收。總的來講，與整體式活塞相比，組裝式活塞更為經(jīng)濟。 
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第 2 章  泥漿泵工作原理和泥漿泵活塞的失效形式 

2.1  泥漿泵的工作原理
本文選用 BW-160 型三缸單作用泥漿泵為研究對象，該泵可分為液力端和動力端兩部分。液力端最主要的功能是輸送泥漿，其包括零件主要有：活塞連桿、活塞缸套摩擦副、吸入閥和排出閥。動力端為泥漿泵提供動力，調(diào)整活塞的運動速度及運動方向，其包括零件主要有輸入軸、曲軸、連桿機構。 泥漿泵完成一個工作循環(huán)包含吸入過程和排出過程[44]。當泥漿泵活塞從最右端向左移動時，缸套內(nèi)的密閉空間會逐漸增大、氣壓不斷降低。在壓強差的作用下，將使排出閥關閉、吸入閥開啟，泥漿進入缸套內(nèi)，直到活塞運動到最左端的位置，吸入過程結束；當泥漿泵活塞從最左端向右移動時，缸套內(nèi)的密閉空間會逐漸減小、氣壓不斷增大，這會使排出閥開啟、吸入閥關閉，泥漿從缸套內(nèi)排出，直到活塞運動到最右端的位置，排出過程結束。泥漿泵就是利用吸入和排出這兩個過程不斷循環(huán)來輸送泥漿。圖 2.1 為 BW-160 型泥漿泵的工作原理簡圖，活塞運動時的相位差為 120°。 
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2.2  泥漿泵活塞的運動規(guī)律
詳細了解泥漿泵活塞的運動規(guī)律是研究活塞使用性能的前提條件。泥漿泵活塞的使用性能與活塞的運動速度、加速度緊密相關。泥漿泵活塞的速度、加速度對活塞缸套摩擦副的磨損密封情況有很大影響。曲柄連桿機構帶動活塞不停地運動，圖 2.2 為曲柄連桿機構運動的示意圖。 本文主要研究泥漿泵活塞總成中的活塞皮碗，活塞皮碗的受力情況對其使用壽命有著至關重要的影響。對活塞皮碗進行靜態(tài)受力分析、動態(tài)受力分析，可以更加深入的了解活塞的受力分布情況，進而對活塞的改進提供參考依據(jù)。圖 2.3為活塞缸套摩擦副的示意圖[46]。 
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第 3 章  仿生條紋形活塞設計加工及耐磨密封試驗 .... 21 
3.1  仿生條紋形活塞設計 .... 21 
3.2  試驗方案與方法 .... 22 
3.2.1  試驗方案 .......... 22 
3.2.2  試驗方法 .......... 23 
3.3  仿生條紋形活塞加工方法 .... 24 
3.4  試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析 .... 26 
3.5  最優(yōu)接觸面積探究試驗及分析 .... 33 
第 4 章  標準活塞 ABAQUS 有限元分析 ...... 37 
4.1  有限元分析與 ABAQUS 介紹 ...... 37 
4.1.1  有限元法的基本原理 ...... 37 
4.1.2 ABAQUS 簡介 .......... 38 
4.2  活塞缸套摩擦副有限元計算 ........ 38
4.3  計算結果與分析 .... 48
第 5 章  仿生條紋形活塞 ABAQUS 有限元分析 ........... 51 
5.1  仿生條紋形活塞有限元模型建立 ........ 51 
5.2  仿生條紋形活塞有限元模擬分析 ........ 53
5.3  仿生活塞最優(yōu)條紋數(shù)目分析及驗證試驗 .... 58
5.4  仿生條紋形活塞耐磨密封機理分析 .... 61 

第5章  仿生條紋形活塞ABAQUS有限元分析及耐磨密封機理分析 

前文中已經(jīng)對泥漿泵的工作原理及活塞的運動規(guī)律進行了分析，也對標準活塞進行了有限元數(shù)值模擬分析，得到了活塞與缸套接觸表面受力情況。利用有限元軟件進行分析可以把復雜的工程問題轉變?yōu)楹唵蔚哪Ｐ颓蠼鈫栴}、減少不必要的試驗成本投入、有效地提高工作效率。本章主要是利用計算機對仿生活塞、缸套等各部件建立模型，并對模型進行數(shù)值模擬分析，尋找仿生條紋形活塞表面的結構參數(shù)對活塞受力的影響規(guī)律。在最優(yōu)接觸面積不變時，考慮條紋數(shù)目對活塞受力情況的影響，通過分析尋找到仿生條紋形活塞最優(yōu)的結構參數(shù)。然后，對仿生條紋形活塞最優(yōu)結構參數(shù)進行試驗驗證，并為研究活塞的耐磨密封性能提供理論依據(jù)。 

5.1  仿生條紋形活塞有限元模型建立

為了對仿生條紋形活塞的耐磨密封效果進行分析，對 9 種仿生條紋形活塞的運動過程也要進行了模擬計算。仿生條紋形活塞與標準活塞的有限元模擬分析唯一的區(qū)別就是活塞的建模，根據(jù)表 3.2 仿生活塞試驗方案，建立 9 種仿生條紋形活塞的模型。為了讓有限元模擬分析結果具有對比性，活塞模型進行網(wǎng)格劃分時使用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度統(tǒng)一設置為 1.5mm，即 Approximate  global size=0.0015（模型建立時單位長度為米）。網(wǎng)格劃分完畢后，可以得到本文需要的 9 中仿生條紋形活塞，如圖 5.1 所示。 

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總結

泥漿泵是鉆井設備中的關鍵部件，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較短，嚴重制約了泥漿泵的工作效率，影響了鉆井速度、提高了鉆井成本。本文對泥漿泵工作原理及活塞運動規(guī)律進行了分析，研究了活塞的失效形式及其失效原因。依據(jù)仿生非光滑耐磨理論，設計了仿生條紋形活塞，探索了仿生條紋形結構對活塞使用壽命的影響，分析了仿生條紋形活塞的耐磨密封機理。 本文的主要工作與結論如下：
1、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，活塞失效的影響因素主要有摩擦熱、活塞間隙、泥漿、缸套質(zhì)量、泵壓和沖次。通過對活塞運動規(guī)律的推導，得到了活塞的位移、速度方程。 
2、依據(jù)仿生非光滑耐磨理論，設計了仿生條紋形活塞，進行了仿生活塞耐磨密封試驗。試驗表明，合理的條紋結構可以提高活塞的使用壽命，最大提高壽命 78.7%，而不合理的條紋結構也會降低活塞的使用壽命，最大降低壽命 63.7%。通過對 9 種活塞使用壽命的極差分析，確定了試驗的主次因素 A、B，最優(yōu)組合A2B2，即條紋寬度為 4.5mm，條紋間距為 5.0mm。研究了仿生活塞接觸面積對使用壽命的影響，活塞與缸套最優(yōu)的接觸面積為 73.5%。 
3、對標準活塞進行了 ABAQUS 受力分析，泥漿泵活塞唇部的接觸應力大于泥漿泵的工作壓力，能夠阻止泥漿進入活塞缸套摩擦副，表明活塞剛開始工作時密封性良好。而活塞根部的 Mises 應力很大，導致活塞根部容易出現(xiàn)擠傷、磨損嚴重的現(xiàn)象。 
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參考文獻(略)

本文編號：44070