CN116181803B - 一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构，主要解决现有技术中存在的轴承单一表面织构在磨损过程中润滑能力持续减弱的问题。该轴瓦梯度表面织构包括半圆轴瓦，开设在半圆轴瓦上的织构，半圆轴瓦包括未磨损区、轻磨损区和重磨损区；未磨损区为对应圆心角范围在0°～30°、150°～180°区域；轻磨损区为对应圆心角范围在30°～40°、140°～150°区域；重磨损区为对应圆心角范围在40°～140°区域；织构直径满足200～500um、深度满足30～100um，织构直径和深度从未磨损区、轻磨损区到重磨损区呈梯度增长。通过上述方案，本发明轴瓦表面织构梯度在磨损过程中能够持续保持良好的动力润滑状态，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构

技术领域

本发明属于油气开采中压裂泵的滑动轴承技术领域，具体地讲，是涉及一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构。

背景技术

压裂泵车为油井提供高速流体，使油层岩石破裂产生裂缝，从而增强油井排油能力并提高石油产量。三缸柱塞泵是压裂泵主体，其滑动轴承的使用寿命直接影响柱塞泵的工作效率，从而影响压裂泵的工作性能。

压裂泵滑动轴承采用对开式径向滑动轴承(两个半圆轴瓦采用对开式与轴承座、轴承盖配合成为对开式径向滑动轴承)，其在启动和停止阶段不可避免的会和曲轴发生摩擦，其失效形式为黏着磨损。为提高滑动轴承使用寿命，针对该种失效形式，要求轴承内侧的轴瓦具有良好的减摩性、耐磨性和抗咬合性。

现有的轴承表面织构，是通过改变表面织构形状，或改变某一单一形状的凹坑深度来改善轴承的减摩润滑性能。如中国专利号CN110681882A公开的“一种梯度微织构刀具”专利，是将深度梯度的圆坑织构加工到刀具表面上，仅仅只能解决单一深度微织构磨屑堆积或涂层结合力不足的问题。因此，如何提高滑动轴承表面织构在磨损过程中润滑能力保持相对稳定是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构，主要解决现有技术中存在的轴承单一表面织构在磨损过程中润滑能力持续减弱的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构，包括半圆轴瓦，若干开设在半圆轴瓦上的织构，所述半圆轴瓦包括未磨损区、轻磨损区和重磨损区；

所述未磨损区为对应圆心角范围在0°～30°、150°～180°区域；

所述轻磨损区为对应圆心角范围在30°～40°、140°～150°区域；

所述重磨损区为对应圆心角范围在40°～140°区域；

其中，所述织构直径满足200～500um、深度满足30～100um，且所述织构直径和深度从未磨损区、轻磨损区到重磨损区呈梯度增长。

进一步地，所述未磨损区包括对应圆心角0°～15°、165°～180°范围的光滑区，对应圆心角15°～30°、150°～165°范围的过渡织构区，其中，所述过渡织构区中的织构直径和深度相比光滑区中织构呈梯度增长，能有效缓冲轴瓦在启动和停止阶段对轻磨损区织构的突然磨损。

具体地，所述重磨损区设有大直径、小深度的第一织构，以及小直径、大深度凹坑的第二织构，其中，所述第一织构和第二织构的直径和深度相比轻磨损区中的织构呈梯度增长。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明表面织构的直径和深度呈梯度增长后，轴瓦运动过程中将润滑最优的小直径、小深度织构磨损平滑的同时，大直径、大深度的织构也逐渐变浅并达到最优润滑时的数值，表面织构梯度设计方法可使轴瓦在磨损过程中持续保持良好的动力润滑状态。

(2)本发明将表面织构的形状和该形状对应的最优深度两种因素相结合，考虑到轴瓦实际应用过程中受力的不均匀性，调整梯度表面织构的布置方式，可有效解决表面织构在磨损过程中润滑能力持续减弱的问题。

附图说明

图1是曲轴与轴瓦运动示意图。

图2是本发明织构梯度设计在轴瓦上的示意图。

图3是本发明织构梯度设计展开图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-半圆轴瓦，2-圆柱形织构，3-曲轴，4-连杆体，5-上轴瓦，6-下轴瓦，7-未磨损区，71-过渡织构区，8-轻磨损区，9-重磨损区，91-第一织构，92-第二织构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

由图1可知，曲轴3带动上轴瓦5、下轴瓦6做顺时针偏心转动，再通过连杆体4将旋转运动变成直线运动。当曲轴3带动轴瓦运动至右极位时，连杆体4约束下轴瓦6的水平运动，此时曲轴3对下轴瓦6中间部分施加的压力最大，受力方向沿轴瓦圆心向外。之后曲轴3带动轴瓦向下运动，连杆体4不在极位处对轴瓦起固定作用，下轴瓦6所受压力逐渐下降，在曲轴3到达下极位时，为了避免轴瓦衔接处产生较大的应力突变，曲轴3与轴瓦之间几乎不产生力。曲轴3带动轴瓦向左极位运动时，上轴瓦5受运动惯性影响，与曲轴3之间几乎不产生力。因此下轴瓦6存在受力不均现象，导致轴瓦的磨损程度不一致，从而降低了润滑能力。

研究表明，与光滑表面相比，具有主动设计的规则图案阵列的织构表面可以产生额外流体动压力、存储润滑剂、收集磨粒和减小接触面积，从而显著降低与接触表面的摩擦和磨损，防止胶合。所述表面织构可以是圆柱形织构、矩形织构、凹球形织构、三角形织构等，不同类型表面织构引起最优流体动压效应时的尺寸不同。因此本发明对现有轴瓦进行改进设计，将轴瓦梯度表面织构根据圆心角不同范围分别划分未磨损区、轻磨损区和重磨损区如图2和图3所示。

以圆柱形的表面织构为例，在高速重载工况下圆柱形织构直径为500um，深度为40um，面积比为5.04％时，滑动轴承的润滑减磨性能最优。用激光加工的方式在轴瓦上加工圆柱凹坑织构。所述未磨损区7加工少量织构，所述轻磨损区8加工中等直径、中等深度织构，所述重磨损区9交错加工大直径、小深度及小直径、大深度织构。所述圆柱凹坑织构分别从直径(200～500um)、深度(30～100um)两个角度呈梯度增长。

所有织构直径呈梯度增长，在过渡织构区71上加工直径为200～250um的圆柱凹坑织构。在轻磨损区8上加工直径为300～350um的圆柱凹坑织构。在重磨损区9上沿圆周方向交替加工直径为470～500um的第一织构91，直径为400～430um的第二织构92，其中，重磨损区9中布置圆柱形织构的最优直径，其他所述区域的圆柱织构直径不高于最优直径。所有织构深度呈梯度增长，在过渡织构区71上加工圆柱凹坑织构的深度为30～50um。在轻磨损区8上加工圆柱凹坑织构的深度为50～70um。在第一织构91上加工圆柱凹坑织构的深度为50～80um，在第二织构92上加工圆柱凹坑织构的深度为80～100um。所述过渡织构区71中布置圆柱形织构的最优深度，其他所述区域的圆柱织构深度不低于最优深度。

本发明将表面织构的形状和该形状对应的最优深度两种因素相结合，考虑到轴瓦实际应用过程中受力的不均匀性，调整梯度表面织构的布置方式，可有效解决表面织构在磨损过程中润滑能力持续减弱的问题，从而使得轴瓦在磨损过程中持续保持良好的动力润滑状态。

加工方法：基于光纤激光打标机(激光功率20W，光波长1064nm，加工范围100mm×100mm，深度小于等于1.2mm，定位精度±3um，速度小于等于7000mm/s，工作温度环境：15℃～35℃)和安装于打标机XY移动平台上的同步旋转装置(步进电机、三爪卡盘和半轴瓦夹具组成)，从而利用该加工平台来实现纳秒激光光源对轴瓦曲面所设计几何参数和布置形式织构的激光雕刻加工。

首先利用研磨抛光设备对轴瓦的内曲面进行研磨抛光处理使其达到表面的摩擦度为0.4um的要求，然后利用石油醚试剂对待雕刻试样进行超声波清洗及烘干处理；其次把试样安装半轴瓦夹具上，并将夹具安装于加工平台旋转设备上的三爪卡盘夹具上并通过水平调平装置对试样进行调平处理，从而消除试样安装误差对滑动轴承轴瓦布置几何精度和位置精度的影响。按照图3所设计的织构尺寸及布置形式生产加工程序，调整激光功率和烧蚀次数参数完成所加工织构激光加工，然后抛光处理消除激光雕刻织构边缘熔融技术的堆积效应，最后对试样进行超声清洗、烘干及封存。

激光定位在未磨损区7边界上，沿轴向激光加工一列圆柱凹坑，周向转动轴瓦再加工下一列，所述过渡织构区71织构直径范围为200～250um，深度为30～50um，未磨损区7中织构面积占半圆轴瓦内侧总面积的5％～6％；在轻磨损区8边界上，沿轴向激光加工一列圆柱凹坑，直径范围为300～350um，深度为50～70um，周向转动轴瓦再加工下一列，在轻磨损区8中织构面积占半圆轴瓦内侧总面积的5％～6％；在重磨损区9中40°左右的边界上，先轴向加工一列圆柱凹坑，第一织构91直径范围为470～500um，深度为50～80um，再周向转动轴瓦，轴向加工一列圆柱凹坑，第二织构92直径范围为400～430um，深度为80～100um，转动一次轴瓦即更换一次圆柱凹坑参数，重磨损区9中织构面积占半圆轴瓦内侧总面积的5％～6％。所有织构面积占半圆轴瓦内侧总面积的5％～6％。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构，其特征在于，包括半圆轴瓦，若干开设在半圆轴瓦上的织构，所述半圆轴瓦包括未磨损区、轻磨损区和重磨损区；

所述未磨损区为对应圆心角范围在0°～30°、150°～180°区域；

所述轻磨损区为对应圆心角范围在30°～40°、140°～150°区域；

所述重磨损区为对应圆心角范围在40°～140°区域；

其中，所述织构直径满足200～500um、深度满足30～100um，在所述未磨损区加工少量织构，所述轻磨损区加工中等直径、中等深度织构，所述重磨损区交错加工大直径、小深度及小直径、大深度织构，且所述织构直径和深度从未磨损区、轻磨损区到重磨损区呈梯度增长；

所述未磨损区包括对应圆心角0°～15°、165°～180°范围的光滑区，对应圆心角15°～30°、150°～165°范围的过渡织构区，其中，所述过渡织构区中的织构直径和深度相比光滑区中织构呈梯度增长，能有效缓冲轴瓦在启动和停止阶段对轻磨损区织构的突然磨损。

2.根据权利要求1所述的一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构，其特征在于，所述重磨损区设有大直径、小深度的第一织构，以及小直径、大深度凹坑的第二织构，其中，所述第一织构和第二织构的直径和深度相比轻磨损区中的织构呈梯度增长。

3.根据权利要求1所述的一种提高压裂泵滑动轴承润滑能力的轴瓦梯度表面织构，其特征在于，在过渡织构区上加工直径为200～250um的圆柱凹坑织构，在轻磨损区上加工直径为300～350um的圆柱凹坑织构，在重磨损区上沿圆周方向交替加工直径为470～500um的第一织构，直径为400～430um的第二织构，其中，重磨损区中布置圆柱形织构的最优直径，其他所述区域的圆柱织构直径不高于最优直径，所有织构深度呈梯度增长，在过渡织构区上加工圆柱凹坑织构的深度为30～50um，在轻磨损区上加工圆柱凹坑织构的深度为50～70um，在第一织构上加工圆柱凹坑织构的深度为50～80um，在第二织构上加工圆柱凹坑织构的深度为80～100um，所述过渡织构区中布置圆柱形织构的最优深度，其他所述区域的圆柱织构深度不低于最优深度。