油气田开发过程中,压裂技术是一种提高油气井产量的有效方法,但在高压、循环载荷及腐蚀性工况下,压裂泵柱塞的磨粒磨损成为限制压裂泵工作性能和使用寿命的主要因素,如何降低压裂泵柱塞密封副的磨损率成为提升压裂泵综合性能亟需解决的问题。大量的研究资料表明,仿生表面织构技术能有效提高相对滑动摩擦副表面的摩擦学性能,但织构参数的选择对其减磨效果有重要的影响。基于此,本文开展压裂泵模拟工况下的织构化柱塞密封副润滑性能数值仿真及单元摩擦学实验,本文的主要工作如下:(1)在假设润滑介质为牛顿体、润滑介质流动状态为层流和不考虑流体体积力、边界滑移及惯性力条件下,结合柱塞密封副几何结构、雷诺方程和织构几何方程建立了单一织构化柱塞密封副润滑理论模型,完成了不同参数织构对柱塞密封副润滑性能影响的数值仿真,并得到:织构分布角度对动压润滑性能的影响与织构的对称性及织构深度有关;不同织构长宽比对织构动压润滑性能有不同的影响,但织构长宽比优选同样需结合织构深度进行;不同类型织构表面偏态越小、峰值越大,织构表面动压润滑性能越好;不同横截面形状织构平均深度与最小油膜厚度间的差距越小,织构的动压润滑性能越好。(2)结合摩擦磨损试验机(MDW-100型)摩擦副几何结构及3000型压裂泵的实际工况,完成织构化柱塞密封副试样单元摩擦磨损实验方案的设计。通过等效计算,确定了柱塞密封副单元实验模拟工况:润滑介质为L-CKD150润滑油、试验载荷为400N、转速为332r/min以及常温环境。在研究不同激光参数对所加工织构几何尺寸影响的基础上,确定了柱塞单元试样表面织构加工的激光加工参数为:激光扫描速度500mm/s、激光功率8W、加工次数2次。(3)通过数值仿真和单元摩擦学实验分析了织构加工缺陷对织构化柱塞密封副表面润滑及摩擦磨损性能的影响。结果表明:织构内部存在加工不足时将造成理论设计织构深度与实际织构深度间存在一定的差异,但并不会影响其余织构参数对织构动压润滑性能的影响规律;织构周围存在金属堆积时将增加摩擦副表面的相互刮擦和犁沟效应,继而对织构润滑减磨性能造成一定的消极影响。(4)单元摩擦学实验结果指出:合理参数织构才能有效提高销、盘单元试样摩擦副表面的摩擦学性能;椭圆织构在不同分布角度下,为获得较优的织构润滑减磨性能,应使织构长轴尽可能垂直速度方向,与此类似,等边三角形织构在不同分布角度下,为获得较优的织构润滑减磨性能,应使等边三角形织构任意一边垂直于速度方向;织构不同长宽比条件下,织构垂直于速度方向的轴长大于平行于速度方向轴长时织构润滑减磨性能更优;针对圆形、椭圆形和条形三种织构而言,圆形织构化摩擦副表面摩擦磨损性能最优,其次是条形织构化表面,椭圆形织构化表面最差。综上所述,本文通过开展压裂泵模拟工况下的织构化柱塞密封副动压润滑性能数值仿真和单元摩擦学实验,找到了织构分布角度、织构长宽比、织构类型和织构横截面形状等参数对柱塞密封副摩擦学性能的影响规律,并掌握了压裂泵柱塞密封副表面织构参数优选的基本方法,本文的研究成果对促进仿生表面织构技术在压裂柱塞泵领域的深入研究及最终的应用具有重要的意义。