柱塞密封副单元摩擦学性能试验研究

柱塞密封副单元摩擦学性能试验研究

压裂技术作为提高气田采收率的主要手段，在气田开发过程中得到了广泛应用。在压裂作业过程中，压裂泵作为关键设备之一，其工作性能和使用寿命对压裂施工的开展有决定性影响。由于高压、循环载荷及腐蚀性工况的影响，压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损失效成为限制压裂泵使用寿命的主要因素。因此，如何降低压裂泵柱塞密封副的磨损率是提升压裂泵综合性能亟需解决的问题。近年来，由于仿生表面织构技术对摩擦学性能的极大改善，引起了研究人员的极大关注，且在滑动轴承由国内外的研究可知，为促进仿生表面织构技术在实际工程项目的运用并达到良好效果，结合实际工况开展织构参数优化设计非常有必要。考虑压裂泵柱塞密封副润滑减磨性能研究是压裂泵设计亟需解决的问题，但当前缺乏关于表面织构对压裂泵柱塞密封副摩擦学性能影响的相关研究。因此，作者通过开展柱塞密封副丁腈橡胶弹性变形仿真模拟及单元摩擦学试验，从织构尺寸对橡胶弹性变形影响的角度讨论表面织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响，为表面织构在压裂泵柱塞密封副领域的深入研究奠定基础。1单元摩擦学试验开展柱塞密封副丁腈橡胶弹性变形仿真及单元摩擦学试验，首先结合柱塞密封副实际结构完成相应仿真模型建立及单元摩擦学试验方案设计，图1为柱塞泵结构及柱塞磨损图。1.1橡胶材料力学模型橡胶具有非线性特性，在基本假设的基础上，国内外学者提出多种用于描述橡胶类非线性材料的模型，选用Mooney-Rivlin模型描述橡胶材料的力学模型，其应变能函数式中：w为应变能密度；C式中：σ为应力；ε为应变。在ABAQUS软件中柱塞、凹槽和密封圈的二维轴对称有限元模型，文中主要讨论织构存在时对橡胶弹性变形的影响，因此，将柱塞和凹槽设置为刚体，橡胶密度为1200kg/m1.2织构化柱塞表面三维形貌对柱塞密封副单元摩擦学试验，MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机销、盘摩擦副，销试样模拟密封副丁腈橡胶，盘试样模拟20钢柱塞，如图2所示。柱塞试样表面椭圆织构采用纳秒激光进行加工（TG-20GTlasermarkingmachine），织构具体参数：类型为圆形，横截面形状为矩形，直径为200、300、400、500µm，深度为20µm。图3为织构化柱塞表面三维形貌图。结合摩擦试验机结构参数及压裂柱塞泵实际工况，设计室温（20℃）环境下，试验载荷为100～400N（接触压力p=38～151.7MPa）、主轴转速为335r/min（柱塞运动速度v=0.8m/s）以及润滑介质为L-CKD150润滑油的单一模拟工况下压裂泵柱塞密封副单元摩擦学试验，单次试验时间为3600s，试样磨损量为试验前后试样质量差，并对试验后试样表面形貌进行观察。2结果与讨论2.1织构直径对摩擦磨损性能的影响图4为工作介质压力相同时织构直径对橡胶最大弹性变形量的影响。可知，当织构直径为200～500µm，随织构直径的增加，织构区处的密封副橡胶最大弹性变形量逐渐呈抛物线增大，且织构直径越大，密封副橡胶最大弹性变形量的增加幅度越大。图5是工作介质压力为3MPa,4种不同直径织构区内密封副橡胶弹性变形图。可以看出，织构直径越大，密封副橡胶由于弹性变形被压入凹坑织构内的体积越多，即橡胶的弹性变形量越大。图6为织构直径相同时工作介质压力对织构区处橡胶最大弹性变形量的影响。可以看出，4种不同织构直径下，随工作介质压力增加，密封副橡胶织构区处最大弹性变形量均呈线性增加趋势。图7为织构直径为300µm，工作介质压力为1、3、5MPa下橡胶弹性变形图。可以看出，工作介质压力越大，织构区处的橡胶弹性变形也越大，与图7中的数据吻合。图8为压裂泵柱塞密封副单元试验工况下，不同织构直径对柱塞密封副试样表面摩擦因数及橡胶试样的影响。由图8a可知，载荷分别为100、200、400N（对应接触压力为38.00、75.85、151.70MPa）条件下织构直径由200µm增加到500µm，摩擦因数总体呈增大趋势。此外，相比于无织构柱塞密封副，载荷为100N时柱塞表面4种不同直径圆形凹坑的存在均能减小试样表面的平均摩擦因数，且织构直径为300µm时最明显，达到30.4%。载荷为200N时，直径为200、300、400µm的表面织构才能起减小摩擦因数的作用，织构直径为200µm时减小幅度最大，达到29.97%；织构直径为500µm时对柱塞密封副表面有消极影响，使摩擦因数增加6.06%。当载荷为400N时，仅织构直径为200、300µm时才能减小柱塞密封副试样表面的摩擦因数，但最大减小幅度仅为15.27%，织构直径为400、500µm，均对柱塞密封副摩擦表面产生消极影响，摩擦因数增大了28.83%。由图8b可以看出，在不同载荷条件下，橡胶密封副试样磨损量随织构直径变化与织构直径对摩擦因数的影响类似，且无织构橡胶试样磨损量与不同直径圆形织构橡胶试样磨损量的大小关系也和图8a基本一致，即摩擦因数越大，橡胶密封副试样磨损量也越大，符合摩擦学基本定理。因此，在相同载荷条件下，对于柱塞刚体与橡胶密封副弹性体而言，小直径织构对提高柱塞密封副表面的润滑及摩擦学性能更有利。图9是载荷为400N，不同直径圆形织构化柱塞密封副橡胶试样磨损后的表面形貌。可以看出，圆形织构直径为200µm时，橡胶密封副试样表面有较多的磨痕，但磨痕分布杂乱，且磨痕深度很浅；为300µm时，橡胶密封副试样表面存在较多且规则分布的磨痕，磨痕深度也比织构直径为200µm时更深；为400µm时，橡胶密封副试样表面存在明显的3条沟槽，而织构深度为500µm时，相比与织构直径为400µm,3条沟槽变得更宽更深，且沟槽内部也存在许多杂乱分布的磨痕。图10为不同织构直径条件下的橡胶弹性变形示意图。针对图8所示的织构直径对摩擦因数和橡胶密封副试样磨损量的影响，结合2.1中的研究结果可知，这是由于橡胶密封副为超弹性材料，织构直径越大，橡胶密封副试样由于弹性变形更易压入凹坑织构内，与柱塞试样相对运动过程中，压入凹坑内的橡胶越易被刮切掉，因此，形成图9所示织构直径对应的不同磨痕形貌，也验证了图8中摩擦因数和磨损量的变化：被压入凹坑织构内橡胶体积越大，橡胶由于刮切产生的摩擦力也将越大，刮切作用完成后橡胶试样的磨损量也就越大。图11为相同圆形织构直径条件下，不同载荷对柱塞密封副试样表面摩擦因数及橡胶密封副试样磨损量的影响。由图11a可以看出，在相同织构直径条件下，载荷越大，摩擦因数也越大，且表现出载荷为100N和200N之间的差距较小，而载荷为400N时摩擦因数相比而言增量更大。图11b中相同织构直径条件下不同载荷对橡胶密封副试样的影响也与不同载荷对摩擦因数的影响基本类似。图12是织构直径为500µm时，不同载荷条件下对应的橡胶密封副试样表面磨损形貌对比。可以看出，载荷为100、200N时，橡胶密封副试样表面均存在较多且杂乱分布的磨痕，磨痕的深度也较浅；当载荷为400N时，橡胶密封副试样表面则有又宽又深的明显沟槽，其外部非常光滑，内部存在许多刮痕。对于图11中相同织构直径条件下，不同载荷对摩擦因数、橡胶试样磨损量的影响，其主要是载荷越大，橡胶压入凹坑织构中的体积越多（图13），继而导致橡胶往复运动过程中的刮切作用越明显，增加摩擦因数和橡胶磨损量（图12）。因此，由不同直径织构压裂泵柱塞密封副单元摩擦学试验结果可知，由于密封副橡胶弹性变形的影响，在柱塞刚体表面加工的凹坑织构尺寸将对柱塞密封副表面的润滑及摩擦学性能产生不同影响，为使表面织构对润滑及摩擦学性能产生积极影响，加工织构尺寸应在一定范围内。相比于无织构试样，载荷为100、200、400N，只有织构直径小于300µm才能获得更小摩擦因数和磨损量，因此，圆形织构直径应小于300µm。3织构尺寸的影响1）织构直径和工作压力越大，织构区密封副橡胶的最大弹性变形量越大，即压入织构区内的橡胶体积将越多。2）相同载荷条件下，圆形织构直径越大，柱塞密封副试样摩擦副表面的摩擦因数越大、密