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.

压裂泵柱塞密封副优化技术的发展与展望

为了打破压裂泵柱塞密封副优化技术的瓶颈、进一步提升压裂设备的工作性能、实现油气增产,从压裂泵柱塞密封系统的实际工况和密封机理出发,概述了压裂泵柱塞密封副失效的研究现状,梳理和总结了现有的压裂泵柱塞密封副优化技术;在此基础上,结合摩擦学和材料学等相关领域的最新研究成果,对我国压裂泵柱塞密封副优化技术未来的发展提出了建议和展望。研究结果表明:①表面织构技术已被证实能显著降低柱塞密封副的摩擦磨损,应积极设计和开展压裂泵实际工况下的全尺寸织构化柱塞密封系统试验,以推动表面织构化柱塞的应用进程;②针对橡胶密封件的性能短板以及压裂泵柱塞密封系统的工作要求,亟需采用材料改性技术来进一步增强密封橡胶的综合性能;③表面织构技术、表面涂层技术、材料改性技术在减摩抗磨等方面的协同效应决定了将其复合成压裂泵柱塞密封副优化新技术的可行性和必要性,未来应着手解决复合技术在压裂泵工况下的实际应用问题。结论认为,我国油气资源的勘探开发现状对压裂设备的工作性能提出了更高的要求,压裂泵柱塞密封副的优化必须结合自身实际,对多学科领域的相关理论和方法进行借鉴、消化、吸收与再创新,进而形成一套符合我国实际的压裂泵柱塞密封副优化技术。

正弦微沟槽织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响

目的研究不同工况下正弦沟槽织构对柱塞密封副摩擦性能的影响,以降低压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损。方法基于压裂泵柱塞密封副几何模型和流体润滑理论,建立了正弦微沟槽织构化柱塞-橡胶密封副动压润滑数值理论模型,通过仿真模拟研究了不同柱塞密封压力、运动速度对正弦织构减磨性能的影响。结果不同密封压力下,从40 MPa增至140 MPa时,织构化柱塞表面的油膜承载力及其增长率都不断增大,摩擦系数增大,增长率减小,且柱塞运动速度越高,油膜承载力及摩擦系数越大。不同柱塞运动速度下,油膜承载力和柱塞速度成线性增长关系,摩擦系数不断增大,增长率则呈现减小趋势。针对常用的压裂泵工况,柱塞运动速度和密封压力为错峰配合。根据仿真结果可以看出,在柱塞运动速度-密封压力为150冲次/min-80 MPa工况下,油膜承载力最大,摩擦系数最小,而300冲次/min-40 MPa工况下的油膜承载力最小,摩擦系数系数最大。结论正弦沟槽织构能够有效改善柱塞密封副的动压润滑性能,在文中的正弦沟槽织构参数下,随着柱塞密封压力、运动速度的上升,油膜承载力和摩擦系数均呈现增长趋势。

高压海水泵柱塞副密封的改进设计

柱塞副为海水泵的关键部件,其密封性能将直接影响泵的最高工作压力和容积效率。分析高压海水泵进口阀座和柱塞缸及密封座和密封刚套之间的静密封,柱塞缸和柱塞杆之间的滑动密封存在的失效问题,通过对柱塞副结构、密封形式的设计和改进,提出一种解决高压柱塞密封的方案,并通过实验验证。设计和改进后,海水泵的输出压力、流量、电机功率、容积效率均满足设计要求。

基于流动因子的高压柱塞副往复密封性能研究

采用数值计算方法,建立了基于平均流动因子的往复密封混合润滑模型。分析了阶梯形组合密封圈表面粗糙度对其往复密封摩擦力、泄漏量和油膜厚度的影响规律。结果表明:内行程摩擦力随粗糙度的增大而增大,而外行程摩擦力无明显变化。存在临界粗糙度σc,当σ<σc时,随粗糙度的增大,内行程向内的剪切流量大于向外的压差流量,内行程泄漏量为正值,表现为越来越小的内泄漏;当σ≥σc时,随粗糙度的增大,内行程向内的剪切流量小于向外的压差流量,内行程泄漏量为负值,表现为越来越大的外泄漏。随着速度的增大,其临界粗糙度随之增大;随粗糙度的增大,平均油膜厚度增大,而粗糙度对量纲一化油膜厚度影响很小。研究方法为往复密封结构设计与优化提供了依据。

基于渗透边界的O形组合圈密封特性研究

为准确研究高压柱塞副O形组合密封圈的密封特性,考虑流体向密封接触区渗透对接触压力的影响,基于逐点比较法提出了综合渗透与非接触边界的数值仿真方法,研究高压流体作用下O形组合密封圈的接触压力与von Mises应力分布。进一步讨论不同预压缩量与流体压力下O形组合密封结构参数对其密封性能的影响。分析结果表明:综合渗透边界与非接触边界的分析方法具有较高的可靠性,试验对比误差为2.9%~4.3%;随着O形圈预压缩量增大,主接触压力与密封长度明显增大,而内部von Mises应力与侧接触压力的变化较小;随着流体压力的增大,O形圈von Mises应力与主、侧接触压力均明显增大,但密封长度的变化较小。此外,组合密封挡圈应用于高压柱塞副可有效避免O形圈局部应力集中,挡圈接触压力随流体压力的增大而增大,但明显小于O形圈主接触压力,仅起辅助密封作用。研究结果为高压柱塞副动密封结构设计与优化提供了依据。

考虑橡胶弹性变形及织构直径对压裂泵柱塞密封摩擦学性能研究

压裂泵柱塞因为磨损较多易于失效,因此有必要对其密封副摩擦学性能进行研究。根据有限元原理,建立了橡胶密封圈处轴对称模型,利用有限元分析软件和实验验证研究了橡胶弹性变形以及织构直径对柱塞摩擦学性能的影响。结果表明,织构的存在对橡胶总体变形量的影响不大,但是织构直径或载荷越大,其橡胶压入织构内的深度越大,即压入的体积越大,当橡胶与柱塞相对运动时刮擦掉的橡胶体积越多,增大了磨损量和摩擦系数,不利于摩擦学性能;选择较小直径和介质压力,以得到较好的减磨性能,优选出,圆形织构,在载荷为1 MPa、织构直径为200μm、面积比为20%、深度为80μm、均布。