柱塞密封副單元摩擦學性能試驗研究

柱塞密封副單元摩擦學性能試驗研究

壓裂技術(shù)作為提高氣田采收率的主要手段，在氣田開發(fā)過程中得到了廣泛應用。在壓裂作業(yè)過程中，壓裂泵作為關(guān)鍵設備之一，其工作性能和使用壽命對壓裂施工的開展有決定性影響。由于高壓、循環(huán)載荷及腐蝕性工況的影響，壓裂泵柱塞密封副的摩擦磨損失效成為限制壓裂泵使用壽命的主要因素。因此，如何降低壓裂泵柱塞密封副的磨損率是提升壓裂泵綜合性能亟需解決的問題。近年來，由于仿生表面織構(gòu)技術(shù)對摩擦學性能的極大改善，引起了研究人員的極大關(guān)注，且在滑動軸承由國內(nèi)外的研究可知，為促進仿生表面織構(gòu)技術(shù)在實際工程項目的運用并達到良好效果，結(jié)合實際工況開展織構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計非常有必要?？紤]壓裂泵柱塞密封副潤滑減磨性能研究是壓裂泵設計亟需解決的問題，但當前缺乏關(guān)于表面織構(gòu)對壓裂泵柱塞密封副摩擦學性能影響的相關(guān)研究。因此，作者通過開展柱塞密封副丁腈橡膠彈性變形仿真模擬及單元摩擦學試驗，從織構(gòu)尺寸對橡膠彈性變形影響的角度討論表面織構(gòu)對柱塞密封副摩擦學性能的影響，為表面織構(gòu)在壓裂泵柱塞密封副領域的深入研究奠定基礎。1單元摩擦學試驗開展柱塞密封副丁腈橡膠彈性變形仿真及單元摩擦學試驗，首先結(jié)合柱塞密封副實際結(jié)構(gòu)完成相應仿真模型建立及單元摩擦學試驗方案設計，圖1為柱塞泵結(jié)構(gòu)及柱塞磨損圖。1.1橡膠材料力學模型橡膠具有非線性特性，在基本假設的基礎上，國內(nèi)外學者提出多種用于描述橡膠類非線性材料的模型，選用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的力學模型，其應變能函數(shù)式中：w為應變能密度；C式中：σ為應力；ε為應變。在ABAQUS軟件中柱塞、凹槽和密封圈的二維軸對稱有限元模型，文中主要討論織構(gòu)存在時對橡膠彈性變形的影響，因此，將柱塞和凹槽設置為剛體，橡膠密度為1200kg/m1.2織構(gòu)化柱塞表面三維形貌對柱塞密封副單元摩擦學試驗，MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗機銷、盤摩擦副，銷試樣模擬密封副丁腈橡膠，盤試樣模擬20鋼柱塞，如圖2所示。柱塞試樣表面橢圓織構(gòu)采用納秒激光進行加工（TG-20GTlasermarkingmachine），織構(gòu)具體參數(shù)：類型為圓形，橫截面形狀為矩形，直徑為200、300、400、500μm，深度為20μm。圖3為織構(gòu)化柱塞表面三維形貌圖。結(jié)合摩擦試驗機結(jié)構(gòu)參數(shù)及壓裂柱塞泵實際工況，設計室溫（20℃）環(huán)境下，試驗載荷為100～400N（接觸壓力p=38～151.7MPa）、主軸轉(zhuǎn)速為335r/min（柱塞運動速度v=0.8m/s）以及潤滑介質(zhì)為L-CKD150潤滑油的單一模擬工況下壓裂泵柱塞密封副單元摩擦學試驗，單次試驗時間為3600s，試樣磨損量為試驗前后試樣質(zhì)量差，并對試驗后試樣表面形貌進行觀察。2結(jié)果與討論2.1織構(gòu)直徑對摩擦磨損性能的影響圖4為工作介質(zhì)壓力相同時織構(gòu)直徑對橡膠最大彈性變形量的影響?？芍斂棙?gòu)直徑為200～500μm，隨織構(gòu)直徑的增加，織構(gòu)區(qū)處的密封副橡膠最大彈性變形量逐漸呈拋物線增大，且織構(gòu)直徑越大，密封副橡膠最大彈性變形量的增加幅度越大。圖5是工作介質(zhì)壓力為3MPa,4種不同直徑織構(gòu)區(qū)內(nèi)密封副橡膠彈性變形圖?？梢钥闯?，織構(gòu)直徑越大，密封副橡膠由于彈性變形被壓入凹坑織構(gòu)內(nèi)的體積越多，即橡膠的彈性變形量越大。圖6為織構(gòu)直徑相同時工作介質(zhì)壓力對織構(gòu)區(qū)處橡膠最大彈性變形量的影響。可以看出，4種不同織構(gòu)直徑下，隨工作介質(zhì)壓力增加，密封副橡膠織構(gòu)區(qū)處最大彈性變形量均呈線性增加趨勢。圖7為織構(gòu)直徑為300μm，工作介質(zhì)壓力為1、3、5MPa下橡膠彈性變形圖?？梢钥闯?，工作介質(zhì)壓力越大，織構(gòu)區(qū)處的橡膠彈性變形也越大，與圖7中的數(shù)據(jù)吻合。圖8為壓裂泵柱塞密封副單元試驗工況下，不同織構(gòu)直徑對柱塞密封副試樣表面摩擦因數(shù)及橡膠試樣的影響。由圖8a可知，載荷分別為100、200、400N（對應接觸壓力為38.00、75.85、151.70MPa）條件下織構(gòu)直徑由200μm增加到500μm，摩擦因數(shù)總體呈增大趨勢。此外，相比于無織構(gòu)柱塞密封副，載荷為100N時柱塞表面4種不同直徑圓形凹坑的存在均能減小試樣表面的平均摩擦因數(shù)，且織構(gòu)直徑為300μm時最明顯，達到30.4%。載荷為200N時，直徑為200、300、400μm的表面織構(gòu)才能起減小摩擦因數(shù)的作用，織構(gòu)直徑為200μm時減小幅度最大，達到29.97%；織構(gòu)直徑為500μm時對柱塞密封副表面有消極影響，使摩擦因數(shù)增加6.06%。當載荷為400N時，僅織構(gòu)直徑為200、300μm時才能減小柱塞密封副試樣表面的摩擦因數(shù)，但最大減小幅度僅為15.27%，織構(gòu)直徑為400、500μm，均對柱塞密封副摩擦表面產(chǎn)生消極影響，摩擦因數(shù)增大了28.83%。由圖8b可以看出，在不同載荷條件下，橡膠密封副試樣磨損量隨織構(gòu)直徑變化與織構(gòu)直徑對摩擦因數(shù)的影響類似，且無織構(gòu)橡膠試樣磨損量與不同直徑圓形織構(gòu)橡膠試樣磨損量的大小關(guān)系也和圖8a基本一致，即摩擦因數(shù)越大，橡膠密封副試樣磨損量也越大，符合摩擦學基本定理。因此，在相同載荷條件下，對于柱塞剛體與橡膠密封副彈性體而言，小直徑織構(gòu)對提高柱塞密封副表面的潤滑及摩擦學性能更有利。圖9是載荷為400N，不同直徑圓形織構(gòu)化柱塞密封副橡膠試樣磨損后的表面形貌?？梢钥闯?，圓形織構(gòu)直徑為200μm時，橡膠密封副試樣表面有較多的磨痕，但磨痕分布雜亂，且磨痕深度很淺；為300μm時，橡膠密封副試樣表面存在較多且規(guī)則分布的磨痕，磨痕深度也比織構(gòu)直徑為200μm時更深；為400μm時，橡膠密封副試樣表面存在明顯的3條溝槽，而織構(gòu)深度為500μm時，相比與織構(gòu)直徑為400μm,3條溝槽變得更寬更深，且溝槽內(nèi)部也存在許多雜亂分布的磨痕。圖10為不同織構(gòu)直徑條件下的橡膠彈性變形示意圖。針對圖8所示的織構(gòu)直徑對摩擦因數(shù)和橡膠密封副試樣磨損量的影響，結(jié)合2.1中的研究結(jié)果可知，這是由于橡膠密封副為超彈性材料，織構(gòu)直徑越大，橡膠密封副試樣由于彈性變形更易壓入凹坑織構(gòu)內(nèi)，與柱塞試樣相對運動過程中，壓入凹坑內(nèi)的橡膠越易被刮切掉，因此，形成圖9所示織構(gòu)直徑對應的不同磨痕形貌，也驗證了圖8中摩擦因數(shù)和磨損量的變化：被壓入凹坑織構(gòu)內(nèi)橡膠體積越大，橡膠由于刮切產(chǎn)生的摩擦力也將越大，刮切作用完成后橡膠試樣的磨損量也就越大。圖11為相同圓形織構(gòu)直徑條件下，不同載荷對柱塞密封副試樣表面摩擦因數(shù)及橡膠密封副試樣磨損量的影響。由圖11a可以看出，在相同織構(gòu)直徑條件下，載荷越大，摩擦因數(shù)也越大，且表現(xiàn)出載荷為100N和200N之間的差距較小，而載荷為400N時摩擦因數(shù)相比而言增量更大。圖11b中相同織構(gòu)直徑條件下不同載荷對橡膠密封副試樣的影響也與不同載荷對摩擦因數(shù)的影響基本類似。圖12是織構(gòu)直徑為500μm時，不同載荷條件下對應的橡膠密封副試樣表面磨損形貌對比?？梢钥闯?，載荷為100、200N時，橡膠密封副試樣表面均存在較多且雜亂分布的磨痕，磨痕的深度也較淺；當載荷為400N時，橡膠密封副試樣表面則有又寬又深的明顯溝槽，其外部非常光滑，內(nèi)部存在許多刮痕。對于圖11中相同織構(gòu)直徑條件下，不同載荷對摩擦因數(shù)、橡膠試樣磨損量的影響，其主要是載荷越大，橡膠壓入凹坑織構(gòu)中的體積越多（圖13），繼而導致橡膠往復運動過程中的刮切作用越明顯，增加摩擦因數(shù)和橡膠磨損量（圖12）。因此，由不同直徑織構(gòu)壓裂泵柱塞密封副單元摩擦學試驗結(jié)果可知，由于密封副橡膠彈性變形的影響，在柱塞剛體表面加工的凹坑織構(gòu)尺寸將對柱塞密封副表面的潤滑及摩擦學性能產(chǎn)生不同影響，為使表面織構(gòu)對潤滑及摩擦學性能產(chǎn)生積極影響，加工織構(gòu)尺寸應在一定范圍內(nèi)。相比于無織構(gòu)試樣，載荷為100、200、400N，只有織構(gòu)直徑小于300μm才能獲得更小摩擦因數(shù)和磨損量，因此，圓形織構(gòu)直徑應小于300μm。3織構(gòu)尺寸的影響1）織構(gòu)直徑和工作壓力越大，織構(gòu)區(qū)密封副橡膠的最大彈性變形量越大，即壓入織構(gòu)區(qū)內(nèi)的橡膠體積將越多。2）相同載荷條件下，圓形織構(gòu)直徑越大，柱塞密封副試樣摩擦副表面的摩擦因數(shù)越大、密