20161105仿生表面织构及其在油气装备中的应用研究.ppt

沟槽瞬时速度云图 沟槽平均速度云图 沟槽平均压力云图 升力功率谱密度图 升力系数曲线图 阻力系数曲线图 (a)光滑圆柱 (b)沟槽圆柱 (a)光滑圆柱 (b)沟槽圆柱 (a)光滑圆柱 (b)沟槽圆柱 结论：合理的参数显著降低隔水管绕流的阻力和升力系数 h=0.2,d=1.4,n=32 结论 五、结论与展望 实验和理论研究论证了仿生表面织构可有效提升井下工具润滑、减磨和减阻等摩擦学性能。 基于精密机械、纳秒激光和飞秒激光加工工艺和技术，所设计的表面织构可有效的布置于井下工具的相对滑动摩擦副表面。 展望 基于已有的研究进展，采用改进现有试验平台和修正理论分析模型相结合的研究方法，开展织构摩擦学性能的研究必将为仿生织构在井下工具中的应用和推广提供广阔的前景。 敬请各位专家批评指正 谢 谢！ * * * * * * * * * * * * * 仿生表面织构及其在油气装备中的应用 王国荣 2016-11-5 西南石油大学 目 录 三、仿生织构减磨研究-钻头轴承与柱塞动密封副 四、仿生表面织构减阻研究-深水钻井隔水管 二、仿生织构摩擦学的简介 一、油气装备的工程背景 五、总结和展望 一、油气装备工程背景 石油和天然气是目前一次能源的重要组成部分 油气装备是石油天然气勘探开发的重要支撑，其性能和寿命在很大程度上影响着石油的开发成本和安全 一、油气装备工程背景 1 牙轮钻头工程背景 牙轮钻头结构示意图 牙轮钻头工况示意图 钻头破岩过程模拟 1.1 牙轮钻头结构与工况 1.2 牙轮钻头轴承失效形式 牙轮钻头轴承失效破坏形式 塑性变形 磨料磨损 黏着磨损 轴承断裂 2 柱塞泵液力端工程背景 2.1 柱塞泵液力端结构与工况 大功率、大排量 高排出压力 冲击动载 交变往复运动 工况恶劣和复杂 2.1 柱塞泵液力端零部件失效形式 泵阀冲蚀磨损 柱塞密封失效 阀箱疲劳断裂 压裂泵液力端是目前出现事故最多、失效最严重的部件。主要表现为泵阀冲蚀磨损、柱塞密封失效和阀箱疲劳断裂等三个方面； 柱塞动密封组件的磨损引起泵腔压裂液的密封泄漏，严重影响柱塞泵的综合工作性能，因此，亟需新的工艺及技术来提升柱塞动密封组件的耐磨性能。 3. 隔水管的工程背景 隔水管是连接平台与海底防喷器的关键设备，钻具、钻井液要通过数千米的隔水管内部到达井底，隔水管受外部海洋环境与内部钻井工况的耦合作用，容易发生磨损、断裂等事故； 深水钻井隔水管 墨西哥湾隔水管破坏 安哥拉钻井中隔水管破裂 深水钻井示意图 1.表面织构的概念 自然界生物的体表微观形貌 表面织构（surface texture）:就是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸、形状和排列的微小结构阵列。 表面织构优异功能：降低摩擦、减小磨损和提高承载能力，是改善摩擦副摩擦学性能的一种有效手段。 二、仿生织构摩擦学简介 2.表面织构的润滑减磨机理 产生附件流体动压 储存和补充润滑介质 捕捉磨损颗粒 提升润滑状态 3.表面织构的应用领域 发动机气缸内部微结构 发动机凸轮轴 织构切削刀具 高尔夫球 提升了相对滑动摩擦副的润滑、减磨性能；延长了产品的使用寿命； 降低了高尔夫球在运动过程中的空气阻力，提高了运动过程中的平稳性； 降低了刀具粘着磨损，提高了刀具的切削寿命； 三、仿生织构减磨-钻头轴承与柱塞动密封副 1.表面织构在钻头轴承润滑减磨应用中的研究 钻头轴承与销-盘摩擦副脂润滑示意图 钻头轴承工况转换为销-盘摩擦副工况的示意图 1.1单元试验方案 基于赫兹接触理论，钻头轴承轴颈与轴套简化为销-盘试样的相对滑动。 发明专利：织构化牙轮钻头滑动轴承及单元摩擦学性能测试(授权：ZL201310416270.6） 几何相似 索莫菲尔德相似 基于相似理论的钻头滑动轴承试样设计 钻头滑动轴承模拟实验装置 1.2 缩比试验方案 1.3 钻头轴承摩擦副表面织构的设计 圆柱形凹坑 椭圆形凹坑 十字交叉形沟槽 波浪形沟槽 低速重载工况下润滑、减磨效果较优织构━引入钻头轴承 1.4 钻头轴承配对副表面织构的微加工 机械精密雕刻 纳秒激光雕刻 飞秒激光雕刻 曲面纳秒激光烧蚀- 1.圆形凹坑 2.椭圆形凹坑 3.人字形沟槽 4.三角形凹坑 优选织构磨损量随深度参数的变化 椭圆形和圆柱形织构摩擦系数变化曲线 微沟槽织构摩擦系数变化曲线 微沟槽织构磨损量变化曲线 G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 12,1392(2014) G. Wang, L. Zhong, et al, Proc IMechE Part J:,J Engineering Tribology, 230,7783(2015) 优选圆柱形凹坑d=300μm， γ=5.04%，h=40μm