[发明专利]表面织构化的压裂泵柱塞及其动密封系统性能测试方法

权利要求书

1.一种表面织构化柱塞动密封系统，其特征在于，所述的表面织构化柱塞动密封系统包括柱塞及密封组合，所述的密封组合主要包括密封圈和夹布密封圈，所述密封组合的左侧为强制润滑剂，所述的柱塞右侧为腔内压裂液，在所述柱塞的圆柱面上雕刻表面织构，所述表面织构为沿柱塞圆柱面圆周方向均匀分布或交错分布的若干圆柱形或圆锥形凹坑。

2.如权利要求1所述的表面织构化柱塞动密封系统，其特征在于，所述柱塞采用20号钢材料制成，柱塞表面喷涂T15E-10材料，且喷涂厚度为0.4mm，所述密封组合的密封圈为丁晴橡胶材料，夹布密封圈的材料为夹布丁晴橡胶。

3.如权利要求1所述的表面形织构化柱塞动密封系统，其特征在于，当所述的柱塞圆柱面的表面织构为沿其圆周方向上均匀分布或交错分布的圆柱形凹坑时，所述圆柱形凹坑的直径d为50μm～400μm，所述圆柱形凹坑的面积比S_p为0.5％～5％，且所述圆柱形凹坑的深度h为5μm～30μm；当所述的柱塞圆柱面的表面织构为沿其圆周方向上均匀或交错分布的圆锥形凹坑时，所述的圆锥形凹坑的大端直径d为60μm～700μm，所述圆锥形凹坑的面积比S_p为0.5％～8％，且所述圆锥形凹坑的深度h为10μm～50μm。

4.如权利要求3所述的圆柱形织构柱塞动密封系统，其特征在于，所述的柱塞表面的圆柱形织构沿柱塞外圆周向均匀分布，凹坑直径d为0.2mm，面积比为2％，深度为10μm时，压裂泵柱塞动密封系统的润滑减阻性能最优。

5.如权利要求3所述的圆柱形或圆锥形织构柱塞动密封系统，其特征在于，所述的圆柱形或圆锥形柱塞表面织构是通过激光雕刻技术完成的，步骤为先将表面织构形貌通过绘图软件绘制出，然后导入激光雕刻机自带路径软件生成代码从而进行雕刻，最后对激光雕刻完后的柱塞进行抛光处理去除毛刺。

6.一种压裂泵柱塞动密封系统的性能测试方法，其特征在于，所述柱塞动密封系统性能测试方法包括：组装试验部件、调试试验装置、记录初始数据、启动电机并采集该实验阶段各传感器的读数、对柱塞试件和密封组合试件的磨损量及表面磨痕观测、对记录的实验数据进行处理分析，具体步骤如下：

步骤一、组装测试压裂泵柱塞动密封系统密封性能和摩擦学性能的各试验装置部件；

步骤二、调试试验装置，运行该实验装置，调整各传感器的输出信号使其都为电压信号或电流信号，调整数据采集卡的采集频率保证各传感器都能采集到信号且采集的数据信号满足后续实验数据处理的要求；

步骤三、记录初始数据，包括实验前柱塞试件的质量m1、密封组合件的质量m2，柱塞试件和组合密封圈实验前的表面形貌；

步骤四、启动电机运行该实验装置，同时采集该实验阶段各传感器的读数，这里定义液体压力传感器采集的柱塞动密封系统左侧的润滑剂压力为P1(t)，液体压力传感器采集的阀体工作腔内的压裂液压力为P2(t)，温度传感器采集的柱塞动密封系统的摩擦副的温升为T(t)，加速度传感器采集的柱塞往复运动加速度为a(t)，轮辐式拉压力传感器采集的柱塞往复作用力为F(t)；

步骤五、分解压裂泵柱塞动密封系统，对柱塞试件和密封组合试件的磨损量及表面磨痕观测，记录试验后柱塞的质量为m3、密封组合试件的质量为m4；

步骤六、对记录的实验数据进行处理分析。

7.如权利要求6所述的压裂泵柱塞动密封系统的性能测试方法，其特征在于，所述的柱塞动密封系统性能测试的实验装置包括电机、与电机相连的减速器和联轴器组合、连接于联轴器的曲轴、曲轴连接于连杆、连杆通过转动销连接于十字头、十字头连接于柱塞，而柱塞安装于阀体的工作腔内，与阀体内的密封组件组成压裂泵的柱塞动密封系统，十字头与柱塞之间连接有轮辐式拉压力传感器和加速度传感器，轴向力传感器与十字头通过螺纹相连，然后通过螺栓与柱塞连接，而加速度传感器通过螺纹连接于柱塞内部的螺纹孔，所述的柱塞动密封系统压裂泵上连接有强制润滑装置和液体压力传感器，所述柱塞动密封系统部位连接有温度传感器，所述压裂泵的吸入端通过灌注泵和吸入管汇与压裂液池相连，所述压裂泵的排出端通过排出管汇和调压阀后，经冷却池冷却后再与压裂池连接，从而形成压裂泵吸入、排出过程压裂液的循环利用，所述压裂泵的锁紧螺母部位连接有测量工作腔压裂液压力变化的液体压力传感器，所述的液体压力传感器、温度传感器、轴向力传感器和加速度传感器均与高频数据采集卡连接，所述数据采集卡与数据显示装置连接。