织构化柱塞密封副在流体动压润滑条件下的摩擦学性能

织构化柱塞密封副在流体动压润滑条件下的摩擦学性能

在油气勘探过程中，减压泵柱塞密封副失效形状主要是磨损条件下的磨损磨损，随着油气开采的难度的增加，压裂泵柱塞密封系统的使用寿命不满。因此，20世纪90年代以后，et解决了提高20世纪90年代以后的问题。因此,本文作者利用MDW-100型摩擦试验机,开展不同织构柱塞与密封丁晴橡胶的摩擦学性能研究,从而初步优选润滑性能较好的表面织构组合参数,将其布置到柱塞摩擦副表面,进而延长压裂泵柱塞密封摩擦副的使用寿命.1用于纺织结构柱的密封性能的实验方案1.1静环表面织构加工工艺图1所示为压裂泵柱塞密封系统的示意图,柱塞在动力端曲柄连杆机构的带动下与密封环之间产生往复相对滑动,从而形成泵阀内压裂液的吸入和排出的效应.为了模拟柱塞与密封环的往复运动及工况参数,结合MDW-100型摩擦试验机摩擦副的运动形式,这里把柱塞与密封环的往复运动转化为等效试验工况下盘-盘摩擦副的相对转动(如图2所示),其中丁晴橡胶试件为动环,其尺寸为外径52mm,内径40mm,高6mm;20号钢的柱塞试件作为静环,其尺寸为内径38mm,外径54mm,高10mm.压裂泵柱塞密封系统的摩擦副为金属-橡胶摩擦副,静环经抛光处理,其表面粗糙度为0.04μm,表面硬度为HRC42~56,丁腈橡胶密封试件的硬度为HS90,表面粗糙度为0.06μm.图3所示是静环表面织构的制作工艺,首先利用研磨机和抛光机对柱塞试样进行研磨和抛光去除表面的缺陷;接着用超声波清洗、烘干试样,再用北京精雕公司生产的JDPMS-V08-A型雕刻机对研磨的静环进行织构加工;然后对雕刻后的试样进行水研磨和抛光处理,以此去除机械加工织构边缘生成的毛刺;最终使织构静环与无织构静环试样的表面光洁度完全相同.结合表面织构的加工工艺,进行柱塞试样表面织构参数的设计(如表1所示),抛光处理后静环的表面形貌如图4所示,其次利用三坐标测量仪中的CCD影像功能进行形貌观察,可见,经机械雕刻的织构化柱塞表面形成了按一定规律排列的微凹坑结构.1.2柱塞试样摩擦磨损性能本单元试验在常温(21℃)、长城德威L-CKD150润滑油的浸泡条件下进行的,根据参考文献[9]压裂泵柱塞密封系统中柱塞与密封环的最大接触应力约为工作介质压力的1.23倍,然后结合试验机试验力的量程,则静环与动环摩擦副的接触应力取0.4MPa,动环的中心线转速取柱塞往复运动速度的平均值1.96m/s(800r/min).该工况参数下,压裂泵柱塞密封单元试样的摩擦性能变化曲线如图5所示,从图5中可以看出该摩擦副磨损存在磨合期,此段时间约为20min,因此,这里取磨合期之后约40min作为实验数据采集阶段并且每隔5min采集3次数据,然后取平均值作为该时间点的摩擦性能指标的数据.图5给出了无织构摩擦副试样和面积比为5.86%,深度为40μm,直径为600μm圆柱形凹坑与长度为5000μm,宽度为600μm的条形混合凹坑柱塞试样摩擦副在试验工况下摩擦系数及温升随时间的变化规律曲线.柱塞密封摩擦副摩擦系数为稳定阶段所测摩擦系数试验数据的平均值;磨损量是试验前后摩擦副试件清洗、烘干后的质量差(重复称量3次求平均值);而压裂泵柱塞密封系统单元试件表面磨痕的测量方法是摩擦磨损试验后采用三坐标测量仪中的CCD影像测量对磨损后试件表面形貌进行观测,这里共进行17组柱塞密封摩擦副摩擦学性能试验(具体织构参数如表1所示).2结果与讨论2.1润滑、减摩性能分析图6为不同织构参数组合下柱塞密封摩擦副正常磨损阶段的平均摩擦系数曲线,从图6可以看出:编号为15、14、16、3、2、4、6、10、1的织构试样摩擦副的摩擦系数均大于无织构试样17,即该织构参数组合下柱塞密封单元试件的润滑、减摩性能较差;同样,从图7可知,相同试验工况下,以上编号摩擦副的温升较高,结合图6和图7还可得出编号为5、8、11、12、13的织构摩擦副的摩擦系数和温升均小于无织构试件,即这些编号的织构密封摩擦副的润滑、减摩性能优于普通无织构试件摩擦副.图中4号试样摩擦副的摩擦系数及温升均最大,即在相同试验工况下,其摩擦副表面磨损最严重,完全发生塑性变形,同时橡胶密封试件表面还发生老化现象,即其润滑、减摩性能是最差的.2.2混合织构的磨损量全油膜润滑试验条件下,不同织构参数组合的静环-动环配对摩擦副的磨损量变化如图8和图9所示.由图8可知:浸油润滑条件下10、11、12、13号织构试件的磨损量要比无织构试件的磨损量小很多,其中10号、11号、12号正方形凹坑及13号条形圆柱形混和凹坑织构试件的磨损量(0.43、0.3、0.5和0.2mg)分别比17号无织构试件的磨损量(0.97mg)降低了55.7%、69.1%、48.5%和79.3%.从图9可知:5、8、11、12、13号橡胶试件的磨损量基本为0,而4号、15号和16号橡胶试件磨损较为严重.因此该实验研究表明:面积比为5.86%、均匀分布的圆柱形与条形混合凹坑(132.3柱塞织构磨痕形貌压裂泵柱塞-橡胶密封摩擦副单元试样磨损磨痕的观察是分析柱塞-橡胶摩擦副磨损类型及磨损机理的重要环节.从柱塞织构磨痕(图10所示)可以看出43柱塞织构参数对压裂泵柱塞密封摩擦副润滑减摩特性的影响a.合理的表面织构组合可以有效地提高3000型压裂泵柱塞-橡胶密封摩擦副的润滑和减摩性能.b.面积比为5.86%,且均匀分布的椭圆形凹坑,面积比为11.7%、交错分布的椭圆形凹坑,面积比为11.7%均匀分布和交错分布的正方形凹坑及面积比为5.86%均匀分布的圆柱形和条形混合凹坑织构等在0.4MPa压力,转速1.96m/s的试验工况下,组合摩擦副的摩擦系数、温升、磨损量及表面磨痕均显著低于无织构柱塞-橡胶密封试件摩擦副,因此这些织构参数的组合有利于提高压裂泵柱塞密封系统的润滑和减摩性能.特别是面积比为11.7%、排列方式分别为均匀分布和交错分布的正方形织构(边长为600μm,深度为40μm)和面积比为5.86%、排列方式为均匀分布的圆柱形与条形交错织构(直径600μm的圆柱形凹坑,宽为600μm、长为5mm的条形凹坑,织构深度均为40μm),其柱塞单元试件的磨损量相对于无织构柱塞分别降低了69.1%、48.5和79.3%.c.面积比为11.7%、排列方式分别为均匀分布和交错分布的正方形织构及面积比为5.86%、排列方式为均匀分布的圆柱形与条形交错织构组合的柱塞密封摩擦副其表面仅有轻微的磨痕或划痕,而其他织构柱塞-橡胶密封试样摩擦副的表面磨痕或划痕均较为严重.d.织构柱塞-橡胶摩擦副的润滑减磨性能主要是因为微型织构在摩擦副相对运动过程中形成流体动压润滑效应,从而使橡胶与柱塞界面形成非接触式密封与润滑;微型织构具有储存磨粒及润滑介质的功能,能够减少摩擦界面间磨粒随摩擦副的