CN102691654B - 表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞，由活塞芯(1)、皮碗(2)、压板(3)、卡环(4)组成，皮碗(2)由尼龙护根环(5)及唇部橡胶(6)粘接组成。所述的泥浆泵活塞皮碗(2)表面规则排布凹坑阵列，凹坑阵列面积占活塞皮碗(2)表面积的10％～25％。凹坑的直径(a)、间距(b)、深度(c)根据活塞尺寸而定，凹坑深度(c)一般为凹坑直径(a)的0.5～1倍，相邻两个凹坑中心间距(b)一般为凹坑直径(a)的1.2～1.8倍，相邻两排凹坑的中心至活塞圆心的夹角(d)一般为6°～12°，凹坑纵截面为矩形或圆弧形。在活塞皮碗表面添加凹坑的目的是提高活塞的密封、润滑、耐磨性能，从而延长活塞使用时间。

Description

表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞

技术领域：

本发明涉及一种表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞。应用于开采石油、煤层气、油页岩、地下水等的钻井泥浆泵活塞。

背景技术：

泥浆泵是钻探设备的重要组成部分，是钻井液循环系统的“心脏”。钻井时由泥浆泵向井下输送高压泥浆，以便冷却钻头，携带出岩削，并作为井底钻具的动力液，辅助钻头钻进。实践证明，泥浆泵在使用过程中最容易失效的就是缸套活塞组，与缸套相比，活塞的使用寿命则更低。

根据试验结果，发现泥浆泵活塞失效往往是由于从皮碗唇部到皮碗根部磨损严重所致。活塞在高压、高速的往复运动中，活塞皮碗表面材料被大量磨掉而丢失，使活塞直径变小，导致泥浆冲过缸套活塞摩擦副，使活塞失效。活塞与缸套直接接触的部位就是活塞皮碗，目前的活塞皮碗由于存储润滑油的能力差，使缸套活塞摩擦副润滑性能差，也是造成活塞磨损严重而失效的重要原因。通过在试验过程中观察发现，尽管活塞没有失效，但由于活塞的微量磨损，使活塞密封性能下降，导致排出钻井液的压力、流量下降，影响整个钻井效率。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有泥浆泵活塞的上述种种缺欠和不足，提供一种表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞。通过改变活塞皮碗表面形态，提高活塞的耐磨、润滑、密封性能，从而延长活塞使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现，结合附图说明如下：

一种表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞，由活塞芯1、皮碗2、压板3、卡环4组成，其中皮碗2由尼龙护根环5及唇部橡胶6粘接组成。所述的泥浆泵活塞皮碗2表面规则排布凹坑阵列，凹坑阵列面积占活塞皮碗2表面积的10％～25％。凹坑的直径a、间距b、深度c根据活塞尺寸而定，凹坑深度c一般为凹坑直径a的0.5～1倍，相邻两个凹坑中心间距b一般为凹坑直径a的1.2～1.8倍，相邻两排凹坑的中心至活塞圆心的夹角d一般为6°～12°。

所述凹坑纵截面为矩形或圆弧形。

所述凹坑在唇部橡胶(6)的轴向排布按等个数平行排布，或按不等个数错位排布。

所述凹坑在尼龙护根环5处，排布在其轴向长度的中间部位。

所述唇部橡胶6表面所加凹坑形态距皮碗唇口保持一段距离，该距离为凹坑直径a的1.5～2倍。

本发明与现有的泥浆泵活塞相比，其优点是：

提高了活塞表面的耐磨性能。一方面，活塞表面的凹坑形态可以使磨损颗粒对其的连续刮划变为间断非连续刮划，使磨损阻力减小，另一方面，活塞表面的凹坑可以容纳一定数量的磨损颗粒，避免这部分磨损颗粒参于到对缸套活塞的磨损，从而延长活塞寿命。

改善了缸套活塞摩擦副的润滑条件。由于表面凹坑的存在，加大了润滑油的存储空间，同时延缓润滑油从摩擦界面溢出的时间。

提高了活塞的密封性能。表面多个凹坑的存在，使整个密封界面构成多级密封结构，从而提高密封性能。

附图说明：

图1是本发明的一种结构示意图；

图2(a)是本发明的活塞皮碗(2)结构示意图；

图2(b)是图2(a)的局部放大图；

图2(c、d)分别是图2(a)的A-A剖面图，其中：图2(c)是凹坑纵截面为矩形，图2(d)是凹坑纵截面为圆弧形；

图3是唇部橡胶(6)的唇口局部放大图；

图4是本发明的另一种凹坑排布形式结构示意图，即凹坑在唇部橡胶(6)的轴向排布按等个数平行排布；

附图中1.活塞芯  2.皮碗  3.压板  4.卡环  5.尼龙护根环  6.唇部橡胶；

a.凹坑直径b.相邻两个凹坑中心间距c.凹坑深度d.相邻两排凹坑的中心至活塞圆心的夹角。

具体实施方式：

下面接附图进一步说明本发明的具体内容及实施方式。

一种表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞由活塞芯1、皮碗2、压板3、卡环4组成，其中皮碗2由尼龙护根环5及唇部橡胶6粘接组成。皮碗2通过压板3和卡环4固定在活塞芯1上。所述的泥浆泵活塞皮碗2表面有凹坑阵列，凹坑阵列面积占活塞皮碗2表面积的10％～25％，凹坑的纵截面可以是矩形或圆弧形。其皮碗2表面的凹坑阵列可以是一次压铸成型，也可以采用在皮碗表面再次加工的方法制备。

所述的皮碗表面的凹坑直径a、间距b、深度c根据活塞尺寸而定，凹坑深度c一般为凹坑直径a的0.5～1倍，相邻两个凹坑中心间距b一般为凹坑直径a的1.2～1.8倍，相邻两排凹坑的中心至活塞圆心的夹角d一般为6°～12°。

所述的泥浆泵活塞为避免所加凹坑距活塞唇口过近，而导致活塞唇口在发生向心弯曲时泥浆直接冲进摩擦界面，造成活塞磨损严重。所以，唇部橡胶6表面所加凹坑形态距皮碗唇口应保持一段距离，此距离一般为凹坑直径a的1.5～2倍，如图3所示。

所述的凹坑在唇部橡胶6的轴向排布按等个数平行排布，如图4所示，也可以按不等个数错位排布，如图1所示。凹坑在尼龙护根环5处，排布在其轴向长度的中间部位。

本发明应用于开采石油、煤层气、油页岩、地下水等的钻井泥浆泵，安装拆卸与常规活塞相同，无特殊使用要求。

本发明的技术特点在于活塞皮碗2表面的凹坑形阵列。凹坑形态可以使磨损颗粒对活塞的连续刮划磨损变为间断非连续刮划，使磨损阻力减小，同时凹坑可以容纳一定数量的磨损颗粒，避免这部分磨损颗粒参于到对缸套活塞的磨损，从而提高活塞耐磨性能。由于表面凹坑的存在，加大了润滑油的存储空间，同时延缓润滑油从摩擦界面溢出的时间，改善了摩擦界面润滑条件。表面多个凹坑的存在，使整个密封界面构成多级密封结构，利于活塞保持密封性能。

在吉林大学工程仿生教育部重点实验室搭建了泥浆泵易损件试验台，对本发明的泥浆泵活塞进行台架试验，以考察本发明的使用效果。数据如下：

寿命试验在国产bw-160泥浆泵上进行；活塞外径：70mm；泥浆泵泵速：200冲/分钟；泥浆比重：1.135；泥浆含砂量约为1％；泥浆泵泵压：0.7～1.1MPa。

在相同试验条件下，对普通光滑泥浆泵活塞与表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞分别进行磨损试验，直到每组3个活塞完全磨损失效。试验中所用本发明的泥浆泵活塞规格参数为：凹坑阵列面积占活塞皮碗2表面积的18％，凹坑纵截面是矩形，凹坑在唇部橡胶6的轴向排布按不等个数错位排布，凹坑直径a为4mm，相邻两个凹坑中心间距b为6mm，凹坑深度c为3mm，相邻两排凹坑的中心至活塞圆心的夹角d为12°，唇部橡胶6表面所加凹坑形态距皮碗唇口的距离为6.3mm。在试验中测量活塞皮碗2试验前后的质量并记录每个活塞使用寿命，得到试验数据如表1～2。

表1：普通光滑泥浆泵活塞试验结果

表2：表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞试验结果

通过对比试验结果证明：本发明可以提高泥浆泵活塞使用寿命。在如上所述的试验条件和活塞规格下，活塞平均使用寿命提高了约2.3倍。

Claims (1)

1.一种表面具有凹坑形态的泥浆泵活塞，由活塞芯(1)、皮碗(2)、压板(3)、卡环(4)组成，其中皮碗(2)由尼龙护根环(5)和唇部橡胶(6)组成，其特征在于，所述的泥浆泵活塞皮碗(2)表面规则排布凹坑阵列，凹坑阵列面积占活塞皮碗(2)表面积的10％～25％，凹坑的直径(a)、间距(b)和深度(c)根据活塞尺寸而定，凹坑深度(c)为凹坑直径(a)的0.5～1倍，相邻两个凹坑中心间距(b)为凹坑直径(a)的1.2～1.8倍，相邻两排凹坑的中心至活塞圆心的夹角(d)为6°～12°；

所述凹坑纵截面为圆弧形或矩形；

所述凹坑在唇部橡胶(6)的轴向排布按等个数平行排布，或按不等个数错位排布；

在尼龙护根环(5)处，凹坑排布在其轴向长度的中间部位；

所述唇部橡胶(6)表面所加凹坑形态距皮碗唇口保持一段距离，该距离为凹坑直径(a)的1.5～2倍。