沟槽形表面织构对柱塞密封副摩擦性能的影响

目的 提高压裂泵柱塞表面的摩擦学性能.方法 基于稳态二维不可压缩Reynolds方程,建立沟槽形表面织构化柱塞动压润滑理论模型,然后利用有限差分法和高斯-赛德尔迭代法求解柱塞表面的油膜压力分布和剪切应力,进而获得油膜承载力和摩擦系数,开展最小油膜厚度、织构的深度、横截面形状、面积占比以及分布角度对柱塞密封副油膜承载能力和摩擦系数影响规律的数值分析.结果 随矩形沟槽织构深度从2μm增加到40 μm,织构的动压润滑性能先增大后减小,当深度约为最小油膜厚度的0.6倍时达到最佳,并且最小油膜厚度越大,织构的动压效应越差.4种横截面沟槽织构的动压润滑性能优劣顺序为:矩形＞内凸阶梯型＞椭圆形＞V型.随织构宽度从100 μm增加到480 μm,油膜承载力先增加后减小,宽度在360 μm(72％面积占比)时达到最大.在6种分布角度中,60°矩形沟槽织构的润滑减磨性能最好.结论 在流体动压润滑范围内,适当减小最小油膜厚度,沟槽底部尽可能平整,保持织构深度略小于最小油膜厚度,并使垂直速度方向油膜收敛区域的织构长度较长,便能获得润滑减摩性能较好的沟槽形表面织构.合理参数的沟槽形织构能够极大提高压裂泵柱塞表面的油膜承载力,降低摩擦系数,有利于延长柱塞密封副的使用寿命.