前言
泥浆泵是石油钻探的重要设备，是向井底输送 高压泥浆并将钻屑带回地面的动力核心。活塞与缸 套是泥浆泵实现循环的最重要部件，其性能直接影响钻井效率与能耗。实践证明，泥浆泵最容易失效 的部件就是活塞-缸套组，其中活塞更换最为频繁， 泥浆泵80%的失效形式是由活塞磨损严重、密封性 能差引起的[1-2]。因此，提高泥浆泵活塞使用寿命对 提高钻井效率，节约生产成本具有重大现实意义。
磨损失效是泥浆泵活塞失效的最主要形式，提 高活塞的耐磨性可以有效提升活塞使用寿命。以往 的研究多以改用新材料、改进加工工艺的方法提高 活塞的使用寿命，从目前的研究来看这些方法已经 很难有突破性进展。自然界中生物体表经过亿万年 的进化已经具有非常好的耐磨、减阻、脱附等特性， 如蜣螂、穿山甲、沙漠蝎、蚯蚓和脉红螺等体表具 有凹坑、凹槽形等结构，在其各自的生存环境中表 现了很好的耐磨、减阻特性[3-5]。目前，仿生技术已 在多个行业展开应用研究，如医学、汽车、模具设 计等行业[6-8]。在石油钻井工程中高科等人利用仿生 非光滑理论研制的仿生钻头[9]，宣扬等人基于海洋 生物开发的仿生钻井液[10]，都取得了较好的效果。 本文以蚯蚓体表凹槽形态为仿生原型，设计泥浆泵 仿生活塞。蚯蚓体表有多道凹槽形结构，蚯蚓在运 动过程中会分泌体液[11-12]，凹槽形体表利于蚯蚓体 液的分布并帮助其在土壤中行进，这与泥浆泵活塞 工作情况十分相似。本文基于仿生学原理，不改变 泥浆泵活塞原有材料、尺寸和结构，通过对活塞表 面进行仿生非光滑设计，改善界面润滑和应力分布 状态。加工不同凹槽宽度、间距的泥浆泵仿生活塞， 进行寿命试验研究，探讨不同凹槽形结构参数对活 塞寿命的影响。利用有限元方法，通过分析BW-160 型活塞表面的受力和润滑状态，揭示凹槽形泥浆泵 活塞的耐磨机理。仿生活塞加工简单、成本低且易 于实现，开辟了利用仿生学方法提高泥浆泵活塞寿 命的新途径。
1 试验部分
1.1 凹槽形泥浆泵仿生活塞设计
泥浆泵活塞工作主要是活塞皮碗与缸套接触， 皮碗由尼龙根部及橡胶唇部构成，尼龙根部主要起 保护、过渡作用，本试验凹槽形仿生形态设计在活 塞皮碗橡胶唇部上。由于三缸单作用泥浆泵活塞结 构组成大体相同，工作原理一致，考虑到试验成本 及周期，本试验选取相对小型的BW-160 型三缸单 作用泥浆泵活塞为研究对象，其活塞皮碗直径70 mm，活塞皮碗长度34 mm，试验结果及结论也适 用于大型泥浆泵活塞。基于BW-160 型泥浆泵活塞 皮碗结构，在橡胶唇部设计凹槽单元，仿生单元的 设计如图1 所示，每个凹槽单元的截面为一个直角 三角形，凹槽底部为直角，两个锐角分别为30°和 60°，且30°角朝向活塞前端(高压泥浆侧)，凹槽距 离活塞唇口保持相同距离为5 mm。为了突出仿生 结构对活塞寿命的影响，综合考虑可加工范围和因 素水平之间的有效差值，选取凹槽宽度D 最大值为 7 mm，最小值为2 mm；凹槽间距L 最大值为8 mm，
最小值为2 mm，凹槽数量N=2。
1.2 试验台及试验方法
依据DZ/T0120-94 国家标准，在吉林大学工程 仿生教育部重点实验室搭建泥浆泵活塞磨损试验 台，试验台设计成闭路循环系统以减小泥浆用量， 且可保证泥浆浓度恒定，图2 为试验台工作原理。 本研究所有试验都是在相同条件下进行的。试验泥 浆由水、膨润土(符合API 标准)、石英砂(直径0.3～ 0.5 mm)混合而成，泥浆比重1.306，泥浆含砂量约 为2.13%。试验台进水管内径51 mm，排水管内径 32 mm。活塞往复运动速度为130 次/min，活塞行 程70 mm，缸径70 mm，变径阀阀芯内径7 mm， 工作压力0.8～1.2 MPa。
BW-160 型泥浆泵为三缸泵，可同时进行3 个 活塞磨损试验。试验时每隔半个小时观测缸套尾部 通气孔是否有泥浆泄漏。当有连续的泥浆从缸套尾 部通气孔滴漏时，定义此缸内活塞失效，并记录相 应试验活塞寿命，同时更换新试验活塞及新缸套。
2 试验方案及试验结果分析
以凹槽宽度D、凹槽间距L 为试验因素，按照 L9(34)正交表安排试验，对每组参数加工3 个相同的 活塞进行试验，每组寿命取3 个活塞寿命的平均值。 以标准活塞寿命作为对比组，三个标准活塞的寿命 同条件测得46 h、43 h、45.5 h，平均寿命为44.83 h。 仿生活塞L9(34)正交试验分析结果如表1 所示，图3 为部分活塞磨损后图片。
正交试验极差分析表明，凹槽宽度对活塞寿命 的影响大于凹槽间距的影响。对试验结果进行正交 多项式分析，获得仿生活塞凹槽宽度D 和凹槽间距 L 对使用寿命的影响回归方程为
由式(1)可见，活塞寿命随两个仿生结构参数呈 现抛物线规律变化。仿生凹槽宽度过小时，如凹槽 宽度为2 mm 的试验组，寿命提高不多，这是因为 仿生结构在磨损初期已褪化，没有发挥足够作用， 如图3b；凹槽宽度为7 mm 的活塞，活塞寿命大幅 度减小，减小最多的是凹槽宽度为7 mm、凹槽间 距为8 mm 的活塞，寿命降低了63.19%，这是因为 仿生凹槽宽度过大，活塞工作时在高压下发生较大 形变，如图3d 所示，尺寸过大的仿生结构影响活塞 整体结构强度，直接导致失效。而合理的仿生凹槽 设计可以有效提高活塞寿命，本试验中，活塞寿命 提高最多的为凹槽宽度4.5 mm、凹槽间距5 mm 的 仿生活塞，平均寿命提高69.52%。
3 泥浆泵仿生活塞耐磨机理分析
BRIZMER 等[13]研究发现，在平行滑动的机械 密封表面，非光滑表面可以起到加大承载能力，优 化表面受力的作用。泥浆泵活塞往复工作，在经历 排出高压泥浆的运动行程时，活塞唇部易出现“向 心效应”，唇部与缸套间产生间隙，活塞唇部与缸套 之间接触应力越大，间隙越小，高压泥浆越不容易 进入活塞与缸套的接触面，活塞密封性能越好，寿 命越高；而活塞根部在高压作用下易发生形变挤伤， 根部承受等效应力越小，挤伤越不易发生。因此为 提高活塞使用寿命，通过仿生非光滑凹槽结构优化 活塞表面受力状态，提高唇部接触应力和降低根部 等效应力，采用有限元法，分析活塞表面受力状态， 为衡量泥浆泵活塞使用寿命并揭示活塞耐磨机理提 供理论依据。
3.1 活塞缸套摩擦副模型的建立
有限元分析有直接建模和间接建模两种方式， 活塞缸套摩擦副模型结构简单，选择直接建模，即 在软件自带的图形编辑界面，基于BW-160 型泥浆 泵活塞，设计活塞缸套摩擦副的各部件模型如图 4(以标准活塞为例)所示。
为了真实模拟活塞缸套摩擦副的受力情况，根 据各部件实际材料，设置各装配件的材料属性。其 中缸套、钢芯、压板的材料为45 钢，其泊松比为 0.3，弹性模量为210 GPa，密度为7800 kg/m3。活 塞皮碗材料为橡胶，属于超弹性材料，选用二参数 Mooney-Rivlin 模型，设定C10 为2.5 MPa，C01 为 0.625 MPa，密度为1 120 kg/m3。
本试验中设定活塞网格大小为2.5 mm，网格单 元为C3D8T，单元总数为8 892，对泥浆泵活塞的 网格划分如图5 所示。每个有限元分析模型只有一 个装配件，将划分好网格的各个部件组装成装配体， 即活塞缸套摩擦副，然后对其进行接触状态和边界 条件的设置。活塞缸套摩擦副中包含活塞皮碗和缸 套的摩擦接触对、钢芯和皮碗的摩擦接触对，活塞 和钢芯定义为不分离。BW-160 型泥浆泵缸套两端 靠螺栓固定，活塞在钢芯推动下进行往复运动，因 此需要在缸套两端施加全约束。
为尽量符合实际泥浆泵活塞运动过程，分成三 个载荷步骤进行分析：首先，使橡胶活塞与缸套过 盈配合；第二步，模拟开始排出的行程，对活塞受 力面施加工作压力，施加载荷面如图6 所示。保持 皮碗和钢芯静止，在有初始预紧力的前提下对活塞 施加工作压力；最后，活塞承载着前两步的载荷获 得一个向前的位移，即排出泥浆。图7 为分析步骤 设定。
3.2 泥浆泵仿生活塞的受力分析
利用有限元软件后处理模块，对标准活塞、寿 命提高效果最好的5 号活塞和寿命最差的9 号活塞 的唇部接触应力和根部Mises 应力进行对比分析。 对标准活塞和两种仿生凹槽形活塞唇部进行
接触应力分析，可获得三种活塞的接触应力云图如 图8 所示。
由三种活塞的接触应力云图可知，活塞表面的 凹槽结构改变了接触应力的分布状态。在每个活塞 唇部相同位置取三个节点获取接触应力值，节点位 置如图8c 所示，应力平均值为该活塞唇部的应力 值。标准活塞的接触应力值为2.87 MPa，5 号活塞 的接触应力值为3.05 MPa，9 号活塞的接触应力值 位为3.33 MPa。标准活塞唇部接触应力过小，泥浆 较容易进入到活塞缸套摩擦副中会加快活塞磨损。5 号活塞唇部接触应力增大，活塞与缸套的间隙变小， 密封性能增强，可有效防止泥浆进入到活塞缸套摩 擦副中，提高活塞耐磨性能。但9 号活塞凹槽宽度 和间距过大，产生了过大的接触应力，加快了活塞 的磨损，使活塞寿命大幅度降低。
对标准活塞和两种仿生凹槽形活塞根部进行 Mises 应力分析，获得三种活塞Mises 应力，如图9 所示。
由三种活塞的接触应力云图可知，活塞表面的 凹槽结构改变了接触应力的分布状态。在每个活塞 唇部相同位置取三个节点获取接触应力值，节点位 置如图8c 所示，应力平均值为该活塞唇部的应力 值。标准活塞的接触应力值为2.87 MPa，5 号活塞 的接触应力值为3.05 MPa，9 号活塞的接触应力值 位为3.33 MPa。标准活塞唇部接触应力过小，泥浆 较容易进入到活塞缸套摩擦副中会加快活塞磨损。5 号活塞唇部接触应力增大，活塞与缸套的间隙变小， 密封性能增强，可有效防止泥浆进入到活塞缸套摩 擦副中，提高活塞耐磨性能。但9 号活塞凹槽宽度 和间距过大，产生了过大的接触应力，加快了活塞 的磨损，使活塞寿命大幅度降低。
对标准活塞和两种仿生凹槽形活塞根部进行 Mises 应力分析，获得三种活塞Mises 应力，如图9 所示。
从三种活塞Mises 应力云图可以看出，标准活 塞根部受力较大，会加快活塞磨损，导致活塞使用 寿命较低。仿生结构能减小活塞根部的Mises 应力， 延长活塞使用寿命。在三个活塞根部的相同位置取 三个节点，位置如图9c 所示，三个节点的Mises 应力平均值为该活塞根部的Mises 应力值。标准活 塞根部Mises 应力值为2.31 MPa，5 号活塞的Mises 应力值为1.90 MPa，9 号活塞的Mises 应力值为2.22 MPa。5 号活塞的仿生结构能够在很大程度上减小 根部Mises 应力，9 号活塞Mises 应力值减小不 明显。
在对泥浆泵活塞Mises 应力的分析中，通过仿 真云图变形量放大，观测活塞根部，可以看出在活 塞根部Mises 应力值最大的区域，活塞根部有向钢 芯间隙挤入的倾向，如图10 所示，因此，5 号活塞 减小的活塞根部Mises 应力能帮助减少根部挤入钢 芯间隙的发生，减少因根部挤伤发生的活塞失效。
泥浆泵活塞在安装时，在表面涂抹润滑油，因 此活塞-缸套摩擦副的工作介质为润滑油。润滑油能 够减少活塞缸套磨损，提高活塞寿命，随着活塞的 往复运动，润滑油会流失，失去润滑效果，造成活 塞磨损，泥浆便会进入摩擦副工作界面内，活塞失 效。利用有限元流体力学软件CFX，建立仿生凹槽 活塞和标准活塞的流体域模型，分析活塞表面润滑 情况，活塞表面流线图如图11 所示。由图11 可知， 润滑流体经过标准活塞表面时，没有截断和回流现 象。而润滑流体流经仿生活塞表面时，在仿生结构 处流速明显变缓，被仿生结构阻断，显现不连续性 通过活塞表面。
图12 为活塞截面流线图，由图12 可见，仿生 结构的存在改变了活塞缸套接触面润滑流场的分布 情况，润滑油大量进入到仿生结构中，流速变缓。 仿生活塞表面的凹槽结构加大润滑油的存储空间， 使停留在仿生结构内的润滑油不易被缸套带走，从 而改善摩擦副界面润滑条件，降低活塞与缸套的摩 擦阻力，减少磨损，提高活塞寿命。
4 结论
(1) 合理的凹槽形泥浆泵仿生活塞可以明显提 高活塞寿命，凹槽宽度为4.5 mm、间距为5 mm、 条数为2 的仿生活塞最大提高BW-160 型泥浆泵活 塞寿命69.52%。
(2) 活塞寿命受凹槽宽度的影响大于凹槽间 距，仿生凹槽尺寸过小，对活塞结构改变较小，寿 命提高不明显；仿生凹槽尺寸过大，破坏活塞结构 强度反而会降低活塞寿命。
(3) 仿生凹槽形态不但可以改变活塞结构的应 力状态，提高活塞耐磨性、减少根部挤伤，还可以 增大储油空间，改善润滑条件，减少磨损提高活塞 寿命。