抽油泵柱塞的仿生耐磨和減阻原理及關鍵技術研究

《抽油泵柱塞的仿生耐磨和減阻原理及關鍵技術研究》是依託吉林大學，由劉鎮寧擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：抽油泵柱塞的仿生耐磨和減阻原理及關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉鎮寧
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

抽油泵是我國油田機采的主要方式，也是油田高耗能和易磨損的主要裝備，而油田開發後期的高含水量和高含砂量工況加劇了抽油泵柱塞和泵筒間的磨損。目前的抽油泵研究尚未理想地解決柱塞和泵筒摩擦副的減阻和耐磨問題，而仿生非光滑表面理論為其減阻和耐磨研究開闢了新的方向。本研究擬針對抽油泵工作時的磨損問題和失效的主要形式，借鑑自然界中新疆岩蜥體表鱗片的近六邊形結構，建立相關的數學模型、力學模型和流體力學模型，並通過理論推導和計算機模擬等手段開展幾何學分析、力學分析和流體力學分析，揭示六邊形非光滑結構的減阻和耐磨機理與規律，同時探索六邊形非光滑結構在近抽油泵工況下對抽油泵密封性的影響，從而確立運動副非光滑表面形貌對其耐磨、減阻、密封三個功能影響的基礎研究理論，並通過摩擦磨損實驗台和模擬井下實驗裝置實驗驗證和最佳化相關參數。在保證和提高現有抽油泵密封性的前提下，套用仿生非光滑理論解決抽油泵柱塞表面減阻和耐磨問題，形成六邊形非光滑表面結構的密封、減阻和耐磨的基礎理論和關鍵技術，拓展仿生非光滑理論的套用。

結題摘要

有桿抽油泵（簡稱“抽油泵”）是我國油田高耗能和易磨損的主要裝備之一，目前的抽油泵研究尚未理想地解決柱塞和泵筒摩擦副的減阻和耐磨問題。本項目針對抽油泵工作時柱塞磨損的主要問題，選取東方沙蚺和紅尾蚺作為仿生研究的生物模本，設計仿生六邊形織構表面，利用仿真模擬研究仿生六邊形織構在抽油泵柱塞耐磨、減阻、密封方面的作用，並搭建多個加工和檢測裝置，開展試驗驗證和相關參數最佳化，基於仿生非光滑理論解決抽油泵柱塞表面的耐磨、減阻、密封三個關鍵問題，形成相應關鍵技術，拓展仿生非光滑理論的套用。 生物模板研究結果表明，形狀近似於六邊形的紅尾蚺與東方沙蚺體表鱗片從外至記憶體在硬度梯度，且單一鱗片的前端和後部也存在硬度變化，蛇體表具有軟硬相間的特性，而鱗片表面形貌特徵與材料力學特性對摩擦學性能具有耦合作用。耦合機制的提出，合理地解釋了蛇體表鱗片具有良好耐磨減阻性能的自然現象。 基於生物模板特徵，利用聚亞胺開發出仿生軟硬相間材料，證實了軟硬相間的複合材料具有協同效應，可以表現出比單一材料更為優異的機械性能與摩擦性能。利用雷射淬火技術製備的仿生六邊形織構樣件，從外至記憶體在硬度梯度變化，且在乾摩擦條件下比傳統淬火技術加工的光滑表面樣件具有更為優異的摩擦學性能。這些結果佐證了生物模板研究中提出的協同效應和耦合機制，發展了仿生耦合理論。 本項目將仿真模擬分析與實際試驗相結合，證明了在混合摩擦與全潤滑摩擦狀態下仿生六邊形織構樣件具有比光滑表面樣件更低的摩擦係數、更小的磨損量和更優的密封性能，豐富和發展了非光滑理論，開發了新型密封技術。 此外，本項目設計開發的多種新型設備和裝置可滿足摩擦磨損和密封性試驗的需求，而仿生抽油泵柱塞的實際套用則推動了新技術的推廣和普及，促進了科研成果的轉化和利用。 綜上，本項目已完成了項目計畫書的研究內容及目標，本研究推動了仿生科學與工程知識體系的構建和完善，促進了新理論與新技術的發展與套用。