复合织构化压裂泵柱塞密封副动压润滑性能仿真研究

为改善压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损性能,在压裂泵柱塞密封副表面建立不同的复合表面织构(不同复合织构类型、不同分布方式、不同截面形状等),并在结合柱塞密封副几何结构特征、压力边界条件及雷诺方程的基础上,建立织构化柱塞密封副动压润滑理论模型,采用有限差分对雷诺方程进行求解,仿真分析复合织构对柱塞密封副动压润滑性能的影响规律。数值仿真研究结果表明:复合织构对动压润滑性能的影响与外织构深度有密切关系;内织构为凹坑或凸起,以及内织构为不同截面形状的复合织构,主要是通过影响织构平均深度与摩擦副间隙的大小关系,而对复合织构的动压润滑性能造成不同的影响规律;内织构分布于外织构右侧(润滑介质入口一侧)对复合织构动压润滑性能的提升最大。

压裂泵柱塞优化设计研究

在油田开采的过程中,压裂设备常被用在油井的压裂酸化过程中,压裂设备中的重要组成部分是压裂车,而压裂车的核心部件是压裂泵,因此研究压裂泵的优化设计有着重大的意义。在压裂泵的组成部件中,柱塞的数量和布局直接影响到压裂泵的排量、排量波动及曲轴的受力,另外柱塞部件是压裂泵中的易损件,其密封性能关系到泵能否正常工作,压裂酸化作业能否顺利进行。柱塞是压裂泵中较为关键的部分,主要以压裂泵的柱塞为对象进行泵性能分析并介绍其优化方法。

考虑表面粗糙度与空化效应的组合密封润滑分析

为了研究表面粗糙度及空化效应对压裂泵柱塞密封副密封性能的影响,基于稳态Reynolds方程,建立了粗糙峰和空化效应影响下组合密封的弹流润滑数值模型.在数值模拟基础上,采用有限体积法求解稳态Reynolds方程,研究了密封副在表面粗糙度影响下的油膜厚度、油膜压力、油膜流速分布规律,以及不同的往复速度和滑环表面粗糙度对密封性能的影响.结果表明,外行程流体动压效应微弱,油膜在空气侧附近会出现空化现象;较高的往复速度有利于减小泄漏量及摩擦阻力;滑环表面粗糙度从0.8μm增加到1.8μm时,净泄漏量与外行程摩擦力分别升高了180.4%和11.17%.因此,在工作过程中应设置较高的往复速度和使用较低粗糙度的滑环以提高密封性能.

沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响

目的提高压裂泵柱塞表面的摩擦学性能。方法基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立沟槽形表面织构化柱塞动压润滑理论模型,然后利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解柱塞表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦系数,开展最小油膜厚度、织构的深度、横截面形状、面积占比以及分布角度对柱塞密封副油膜承载能力和摩擦系数影响规律的数值分析。结果随矩形沟槽织构深度从2μm增加到40μm,织构的动压润滑性能先增大后减小,当深度约为最小油膜厚度的0.6倍时达到最佳,并且最小油膜厚度越大,织构的动压效应越差。4种横截面沟槽织构的动压润滑性能优劣顺序为:矩形>内凸阶梯型>椭圆形>V型。随织构宽度从100μm增加到480μm,油膜承载力先增加后减小,宽度在360μm(72%面积占比)时达到最大。在6种分布角度中,60°矩形沟槽织构的润滑减磨性能最好。结论在流体动压润滑范围内,适当减小最小油膜厚度,沟槽底部尽可能平整,保持织构深度略小于最小油膜厚度,并使垂直速度方向油膜收敛区域的织构长度较长,便能获得润滑减摩性能较好的沟槽形表面织构。合理参数的沟槽形织构能够极大提高压裂泵柱塞表面的油膜承载力,降低摩擦系数,有利于延长柱塞密封副的使用寿命。

纳秒激光雕刻柱塞表面工艺参数研究

采用纳秒激光在压裂泵柱塞表面进行激光雕刻实验,考虑激光功率、扫描速度、烧结次数、移动路径4种工艺参数,借助白光干涉仪获得雕刻后的织构三维形状及其几何尺寸,对比分析各工艺参数对织构体积的影响。研究结果表明:增加激光功率可以显式提高柱塞表面织构的体积;激光扫描速度对织构体积的影响程度随速度的增加而降低;适当增加烧结次数可以实现对烧蚀体积微弱修正;采用弓形路径相比环形路径所获得的烧蚀体积增量较大。

织构尺寸对柱塞密封副摩擦学性能的影响

借助ABAQUS软件开展不同压力和尺寸织构对柱塞密封副丁腈橡胶弹性变形影响的仿真模拟,以及裂泵模拟工况下柱塞密封副单元的摩擦学试验。结合仿真模拟和单元摩擦学试验结果分析表面织构对压裂泵柱塞密封副摩擦学性能的影响机理,并探索织构尺寸的影响。结果表明:在相同条件下,工作压力和织构直径越大,丁腈橡胶的弹性变形越大;压裂泵工况下织构直径小于300μm对摩擦学性能更有利。