發(fā)布時(shí)間：2016-05-11 16:07

第 1 章  緒論

1.1  選題目的與意義
隨著石油、煤炭、天然氣等緊缺礦產(chǎn)資源的不斷減少，我國對礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)逐漸開始向深井和復(fù)雜地層發(fā)展。鉆井深度不斷加深，地層變得愈加復(fù)雜，對鉆井設(shè)備的要求也會(huì)更加嚴(yán)格。在鉆井設(shè)備中，泥漿泵是不可缺少的部件之一（如圖 1.1），深井鉆探對泥漿泵使用性能的要求非常嚴(yán)格。為了增大鉆頭的輸出壓力，提高巖屑上返能力，在鉆井過程中，泥漿泵就需要較高的泵壓和排量。為了滿足深地層鉆井條件的需求，鉆井作業(yè)急需一種工作穩(wěn)定、使用壽命長的泥漿泵[1]。 在泥漿泵的使用過程中，人們不斷地對它進(jìn)行研究、改進(jìn)、完善。因此，泥漿泵技術(shù)越來越成熟，泥漿泵的使用范圍和功能也更加廣泛。輸送泥漿、沖刷巖屑、冷卻鉆頭和形成井壁是早期泥漿泵的主要功能。到了 20 世紀(jì) 40 年代后期，隨著新技術(shù)的應(yīng)用和鉆井工藝的改進(jìn)，出現(xiàn)了井下鉆具鉆井和噴射式鉆井。渦輪鉆具的驅(qū)動(dòng)主要依賴泥漿泵，同時(shí)泥漿泵的高壓泥漿可以輔助破壞巖石。20 世紀(jì) 70、80 年代，隨著深井和超深井的出現(xiàn)，對泥漿泵的工作壓力、使用穩(wěn)定性提出了更高要求[2][3]。 往復(fù)式泥漿泵是現(xiàn)代鉆井用泥漿泵中最基本的型式。和其他工業(yè)用泵相比，往復(fù)式泥漿泵可以在高壓環(huán)境下工作，還可以循環(huán)粘度大、含沙量多的液體，因此在礦產(chǎn)資源開采中得到了十分廣泛的應(yīng)用。 早期在鉆井作業(yè)中使用的泥漿泵，具有代表性的是雙缸雙作用活塞泵，這種泥漿泵的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是泥漿泵比較笨重、工作壓力不穩(wěn)定。到了 60年代中期，三缸單作用泥漿泵得到了越來越多的使用。三缸單作用泥漿泵比雙缸雙作用泥漿泵有更好的使用性能，例如流量均勻、泵壓高、體積小、工作壓力穩(wěn)定等[4]。三缸單作用泥漿泵經(jīng)過不斷地改進(jìn)和完善，在鉆井作業(yè)中使用的越來越多，后來逐漸替代了雙缸泵[5]。 在鉆井過程中，泥漿泵不斷地向井底輸送鉆井液，為井底的鉆具提供動(dòng)力。泥漿是泥漿泵使用的最主要的鉆井液，其具有粘性大、濃度高、含沙量多的特點(diǎn)。泥漿泵一般都在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，所以泥漿泵出現(xiàn)的事故比較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，泥漿泵常常工作不到 20 小時(shí)就出現(xiàn)損壞，因泥漿泵的問題而停止用泵占到了停泵次數(shù)的 70%，這表明泥漿泵在很大程度上限制了鉆井進(jìn)度。 
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1.2  泥漿泵活塞的研究現(xiàn)狀
隨著泥漿泵活塞不斷地改進(jìn)，泥漿泵活塞的使用性能也不斷提高。在泥漿泵出現(xiàn)的早期，使用的活塞都是整體式活塞（如圖 1.3）。整體式泥漿泵活塞結(jié)構(gòu)簡單，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)[8]。但是，整體式泥漿泵活塞也有自身的缺陷，其橡膠皮碗容易脫落[9]，這主要是由于橡膠皮碗和鋼芯的粘結(jié)度較低，活塞皮碗在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到連續(xù)的交變應(yīng)力導(dǎo)致的。當(dāng)活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，，活塞皮碗還可能因?yàn)榱蚧�效果差而被撕裂，從而進(jìn)入鋼芯和缸套的間隙中，加快活塞的磨損。整體式泥漿泵活塞因使用壽命短，不能滿足現(xiàn)代鉆井的需要，逐漸就被淘汰了。為了解決整體式泥漿泵活塞皮碗易脫落、壽命短的問題，人們又研制出了組裝式活塞（橡膠皮碗可以從活塞鋼芯上拆卸）。組裝式泥漿泵活塞（如圖 1.4）主要由橡膠皮碗、鋼芯、壓板、卡簧四部分組成，其中壓板和卡簧的作用就是把橡膠皮碗和鋼芯牢牢的結(jié)合在一起，防止橡膠皮碗與鋼芯分離。整體式活塞皮碗的過盈量不可調(diào)節(jié)，而組裝式活塞可以通過調(diào)整壓板和卡簧的預(yù)緊力調(diào)節(jié)過盈量。組裝式活塞加工制造成本較高，但在正常使用情況下，其利用率比整體式活塞要高。有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[10]，在組裝式活塞中，有 1/3~1/2 的鋼芯可以回收，2/3 左右的壓板和卡簧可以回收�？偟膩碇v，與整體式活塞相比，組裝式活塞更為經(jīng)濟(jì)。 
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第 2 章  泥漿泵工作原理和泥漿泵活塞的失效形式 

2.1  泥漿泵的工作原理
本文選用 BW-160 型三缸單作用泥漿泵為研究對象，該泵可分為液力端和動(dòng)力端兩部分。液力端最主要的功能是輸送泥漿，其包括零件主要有：活塞連桿、活塞缸套摩擦副、吸入閥和排出閥。動(dòng)力端為泥漿泵提供動(dòng)力，調(diào)整活塞的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)方向，其包括零件主要有輸入軸、曲軸、連桿機(jī)構(gòu)。 泥漿泵完成一個(gè)工作循環(huán)包含吸入過程和排出過程[44]。當(dāng)泥漿泵活塞從最右端向左移動(dòng)時(shí)，缸套內(nèi)的密閉空間會(huì)逐漸增大、氣壓不斷降低。在壓強(qiáng)差的作用下，將使排出閥關(guān)閉、吸入閥開啟，泥漿進(jìn)入缸套內(nèi)，直到活塞運(yùn)動(dòng)到最左端的位置，吸入過程結(jié)束；當(dāng)泥漿泵活塞從最左端向右移動(dòng)時(shí)，缸套內(nèi)的密閉空間會(huì)逐漸減小、氣壓不斷增大，這會(huì)使排出閥開啟、吸入閥關(guān)閉，泥漿從缸套內(nèi)排出，直到活塞運(yùn)動(dòng)到最右端的位置，排出過程結(jié)束。泥漿泵就是利用吸入和排出這兩個(gè)過程不斷循環(huán)來輸送泥漿。圖 2.1 為 BW-160 型泥漿泵的工作原理簡圖，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的相位差為 120°。 
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2.2  泥漿泵活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
詳細(xì)了解泥漿泵活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是研究活塞使用性能的前提條件。泥漿泵活塞的使用性能與活塞的運(yùn)動(dòng)速度、加速度緊密相關(guān)。泥漿泵活塞的速度、加速度對活塞缸套摩擦副的磨損密封情況有很大影響。曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活塞不停地運(yùn)動(dòng)，圖 2.2 為曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的示意圖。 本文主要研究泥漿泵活塞總成中的活塞皮碗，活塞皮碗的受力情況對其使用壽命有著至關(guān)重要的影響。對活塞皮碗進(jìn)行靜態(tài)受力分析、動(dòng)態(tài)受力分析，可以更加深入的了解活塞的受力分布情況，進(jìn)而對活塞的改進(jìn)提供參考依據(jù)。圖 2.3為活塞缸套摩擦副的示意圖[46]。 
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第 3 章  仿生條紋形活塞設(shè)計(jì)加工及耐磨密封試驗(yàn) .... 21 
3.1  仿生條紋形活塞設(shè)計(jì) .... 21 
3.2  試驗(yàn)方案與方法 .... 22 
3.2.1  試驗(yàn)方案 .......... 22 
3.2.2  試驗(yàn)方法 .......... 23 
3.3  仿生條紋形活塞加工方法 .... 24 
3.4  試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析 .... 26 
3.5  最優(yōu)接觸面積探究試驗(yàn)及分析 .... 33 
第 4 章  標(biāo)準(zhǔn)活塞 ABAQUS 有限元分析 ...... 37 
4.1  有限元分析與 ABAQUS 介紹 ...... 37 
4.1.1  有限元法的基本原理 ...... 37 
4.1.2 ABAQUS 簡介 .......... 38 
4.2  活塞缸套摩擦副有限元計(jì)算 ........ 38
4.3  計(jì)算結(jié)果與分析 .... 48
第 5 章  仿生條紋形活塞 ABAQUS 有限元分析 ........... 51 
5.1  仿生條紋形活塞有限元模型建立 ........ 51 
5.2  仿生條紋形活塞有限元模擬分析 ........ 53
5.3  仿生活塞最優(yōu)條紋數(shù)目分析及驗(yàn)證試驗(yàn) .... 58
5.4  仿生條紋形活塞耐磨密封機(jī)理分析 .... 61 

第5章  仿生條紋形活塞ABAQUS有限元分析及耐磨密封機(jī)理分析 

前文中已經(jīng)對泥漿泵的工作原理及活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，也對標(biāo)準(zhǔn)活塞進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析，得到了活塞與缸套接觸表面受力情況。利用有限元軟件進(jìn)行分析可以把復(fù)雜的工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚哪Ｐ颓蠼鈫栴}、減少不必要的試驗(yàn)成本投入、有效地提高工作效率。本章主要是利用計(jì)算機(jī)對仿生活塞、缸套等各部件建立模型，并對模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，尋找仿生條紋形活塞表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)對活塞受力的影響規(guī)律。在最優(yōu)接觸面積不變時(shí)，考慮條紋數(shù)目對活塞受力情況的影響，通過分析尋找到仿生條紋形活塞最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，對仿生條紋形活塞最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并為研究活塞的耐磨密封性能提供理論依據(jù)。 

5.1  仿生條紋形活塞有限元模型建立

為了對仿生條紋形活塞的耐磨密封效果進(jìn)行分析，對 9 種仿生條紋形活塞的運(yùn)動(dòng)過程也要進(jìn)行了模擬計(jì)算。仿生條紋形活塞與標(biāo)準(zhǔn)活塞的有限元模擬分析唯一的區(qū)別就是活塞的建模，根據(jù)表 3.2 仿生活塞試驗(yàn)方案，建立 9 種仿生條紋形活塞的模型。為了讓有限元模擬分析結(jié)果具有對比性，活塞模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)使用智能網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度統(tǒng)一設(shè)置為 1.5mm，即 Approximate  global size=0.0015（模型建立時(shí)單位長度為米）。網(wǎng)格劃分完畢后，可以得到本文需要的 9 中仿生條紋形活塞，如圖 5.1 所示。 

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總結(jié)

泥漿泵是鉆井設(shè)備中的關(guān)鍵部件，對礦產(chǎn)資源的開采起到了非常重要的作用。然而泥漿泵活塞的使用壽命較短，嚴(yán)重制約了泥漿泵的工作效率，影響了鉆井速度、提高了鉆井成本。本文對泥漿泵工作原理及活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了活塞的失效形式及其失效原因。依據(jù)仿生非光滑耐磨理論，設(shè)計(jì)了仿生條紋形活塞，探索了仿生條紋形結(jié)構(gòu)對活塞使用壽命的影響，分析了仿生條紋形活塞的耐磨密封機(jī)理。 本文的主要工作與結(jié)論如下：
1、泥漿泵活塞的失效形式主要包括磨粒磨損失效和擠傷失效，活塞失效的影響因素主要有摩擦熱、活塞間隙、泥漿、缸套質(zhì)量、泵壓和沖次。通過對活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的推導(dǎo)，得到了活塞的位移、速度方程。 
2、依據(jù)仿生非光滑耐磨理論，設(shè)計(jì)了仿生條紋形活塞，進(jìn)行了仿生活塞耐磨密封試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，合理的條紋結(jié)構(gòu)可以提高活塞的使用壽命，最大提高壽命 78.7%，而不合理的條紋結(jié)構(gòu)也會(huì)降低活塞的使用壽命，最大降低壽命 63.7%。通過對 9 種活塞使用壽命的極差分析，確定了試驗(yàn)的主次因素 A、B，最優(yōu)組合A2B2，即條紋寬度為 4.5mm，條紋間距為 5.0mm。研究了仿生活塞接觸面積對使用壽命的影響，活塞與缸套最優(yōu)的接觸面積為 73.5%。 
3、對標(biāo)準(zhǔn)活塞進(jìn)行了 ABAQUS 受力分析，泥漿泵活塞唇部的接觸應(yīng)力大于泥漿泵的工作壓力，能夠阻止泥漿進(jìn)入活塞缸套摩擦副，表明活塞剛開始工作時(shí)密封性良好。而活塞根部的 Mises 應(yīng)力很大，導(dǎo)致活塞根部容易出現(xiàn)擠傷、磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：44070