十字頭和導(dǎo)板摩擦失效原因分析

西安石油大學 劉戰(zhàn)鋒

蘭州蘭石集團有限公司 李 俊

十字頭和導(dǎo)板摩擦失效原因分析

西安石油大學 劉戰(zhàn)鋒

蘭州蘭石集團有限公司 李 俊

根據(jù)摩擦學理論，分析了鉆井泵十字頭和導(dǎo)板摩擦失效的原因。通過改進導(dǎo)板材料，改善導(dǎo)板加工和熱處理工藝，基本解決了導(dǎo)板變形問題，從而大大降低了零件失效的發(fā)生。

十字頭和導(dǎo)板摩擦失效；導(dǎo)板變形；新材料；新工藝；去應(yīng)力退火

1.引言

國內(nèi)轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)的美國鉆井泵在試車和油田現(xiàn)場高壓作業(yè)時，經(jīng)常發(fā)生十字頭和導(dǎo)板摩擦失效的現(xiàn)象，因零件報廢而頻繁更換導(dǎo)致鉆機中斷作業(yè)，不但耽誤了生產(chǎn)進度，也給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失。由于造成摩擦失效的原因比較復(fù)雜，因此多年來始終沒有得到解決。為了盡量避免十字頭和導(dǎo)板之間的摩擦失效問題，本文擬分析十字頭和導(dǎo)板摩擦失效的原因，并通過改進導(dǎo)板材料，改善導(dǎo)板加工和熱處理工藝使該問題得以改善。

2.十字頭和導(dǎo)板摩擦失效機理分析

摩擦副在高速滑動中，當兩者之間的壓力負荷超過其中較軟材料的一定硬度值時，摩擦副表面的氧化膜被壓潰，兩表面之間微凸體互相嵌入而被粘結(jié)發(fā)生瞬間撕裂，撕下的金屬微粒作為磨料切削摩擦副表面，使摩擦零件急劇磨損，表面很快被破壞，導(dǎo)致摩擦副失效。造成摩擦副失效的主要因素有：(1)潤滑油脂因素；(2)材料因素；(3)溫度因素；(4)壓力因素；(5)滑動速度；(6)表面粗糙度。其中，潤滑狀態(tài)對摩擦副產(chǎn)生粘著磨損影響極大，為了確保摩擦副表面保持足夠強度的潤滑膜，避免產(chǎn)生干摩擦或半干摩擦，就會有效防止和控制粘著磨損的產(chǎn)生和發(fā)展。當摩擦副之間壓力負荷超過摩擦副材料硬度的一定值時，摩擦副表面氧化膜被壓潰，兩表面之間新生面的凸出點互相嵌入，相互移動時，使此類磨損急劇擴展，導(dǎo)致摩擦副失效。根據(jù)以上摩擦學理論分析可得出鉆井泵十字頭和導(dǎo)板發(fā)生摩擦失效的原因：(1)潤滑不充分；(2)摩擦副承受載荷較大；(3)摩擦副的材質(zhì)硬度不匹配。

當鉆井泵重負荷運轉(zhuǎn)時，十字頭和導(dǎo)板之間的低強度潤滑膜就會被破壞而造成摩擦副之間的干摩擦，當摩擦副承受的壓力負荷超過相對較軟的導(dǎo)板材料一定硬度值時，相對較硬的十字頭表面的微凸體將嵌入導(dǎo)板表面，當相對運動時導(dǎo)板瞬間被研傷，導(dǎo)致兩零件摩擦失效。如果摩擦副材料的石墨含量增大時，將有利于潤滑狀態(tài)的改善，形成足夠強度的潤滑膜，從而避免導(dǎo)板拉傷的發(fā)生。為此，通過采用新材料、新工藝、新技術(shù)是改善十字頭和導(dǎo)板摩擦失效問題的有效途徑。

3.國內(nèi)導(dǎo)板材料現(xiàn)狀分析

國內(nèi)導(dǎo)板采用的材料通常為HT250，其材料要求的抗拉強度≥250MPa，硬度值為HB170—210。對灰鑄鐵而言，設(shè)計手冊上對材料的成份含量并沒有嚴格規(guī)定，而是用材料的抗拉強度定義其材料牌號?；诣T鐵材料的抗拉強度和硬度由原材料、熔化工藝、處理工藝及鑄件的冷卻速度等因素確定。在國內(nèi)某個鑄造車間內(nèi)，對于同樣牌號、壁厚和質(zhì)量相近的灰鑄鐵件，上述因素基本保持一致。因此，我們對鑄造車間制造灰鑄鐵件提出硬度和抗拉強度的要求。經(jīng)現(xiàn)場核實，在正常情況下，導(dǎo)板硬度值大致在HB170左右。因此，為了達到設(shè)計要求的硬度值HB170—210，生產(chǎn)廠家必然采取以下傳統(tǒng)的工藝手段：(1)加快冷卻速度，在共析轉(zhuǎn)變溫度以上開箱；(2)合金化處理，通過添加鉻、鉬、銅等元素成份細化晶粒；(3)降低碳、硅含量，提高錳含量。

《機械設(shè)計手冊》第八篇“失效分析和故障診斷”中“摩擦副材料對磨損失效的影響”一文指出,鉻、鉬、銅、錳等與鐵元素所組成的材料副互溶性大，易與其粘著而導(dǎo)致粘著磨損失效，而鐵與非金屬材料(如塑料、石墨等)的互溶性小，可以避免磨損失效的問題。因此，通過增加導(dǎo)板材料中的石墨含量，可以改善因?qū)О逵捕雀咴斐膳c十字頭粘著而產(chǎn)生摩擦失效的問題。

當然，摩擦副失效并非某個單一因素造成，而是由綜合因素疊加而成的。美國鉆井泵導(dǎo)板所用的原材料牌號為ASTM A48 Gr.40(灰鐵)，國內(nèi)通常采用化學分析和力學性能與其相當?shù)腝T 450-10來替代，QT 450-10是鐵素體球墨鑄鐵，雖具有一定的強度和良好的塑性，但其彈性模數(shù)很高(約為E=170000～180000MN/m2參考)，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的傾向為灰鑄鐵的2～3倍。因此，采用熱處理去應(yīng)力不能完全消除導(dǎo)板筒在鑄造和加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。兩種應(yīng)力的疊加以及材料的穩(wěn)定性較差，使導(dǎo)板筒剖開成四片后導(dǎo)板產(chǎn)生更大的變形，這種變形的趨勢、大小和方向都無法通過檢測驗證，使導(dǎo)板變形問題在前期不易被發(fā)現(xiàn)。尤其美國鉆井泵的導(dǎo)板壁厚小于國內(nèi)3NB鉆井泵導(dǎo)板壁厚，使導(dǎo)板變形問題在美國鉆井泵上表現(xiàn)的更為突出。

4.改善十字頭和導(dǎo)板摩擦失效的工藝措施

在不改變導(dǎo)板零件尺寸和形位公差的前提下解決現(xiàn)有問題，需要對導(dǎo)板在材料、加工工藝和熱處理工藝三個方面進行優(yōu)化改進，以下是我們針對導(dǎo)板材料特性和加工特點所擬定的新工藝流程：

(1)鑒于球墨鑄鐵材料(QT 450-10)所存在的缺點，現(xiàn)將美國鉆井泵導(dǎo)板材料ASTM A48 Gr.40結(jié)合國家標準GB/T7216和GB/T9439，制定如下技術(shù)要求：

(2)在鑄造工序后增加一序去應(yīng)力退火以優(yōu)化導(dǎo)板筒的工藝流程：鑄造→去應(yīng)力退火→加工→去應(yīng)力退火→加工→裝配；

(3)在保證導(dǎo)板能夠完全加工出來的情況下，盡可能的減少毛坯粗加工余量和精加工余量，降低加工應(yīng)力對零件的影響；

(4)優(yōu)化兩次熱處理工藝參數(shù)，確保能夠基本消除鑄造和粗加工應(yīng)力。

采用ASTM A48 Gr.40美國灰鐵材料，按以上新工藝進行導(dǎo)板筒毛坯制作，然后按優(yōu)化后的工藝流程進行熱處理、加工，發(fā)現(xiàn)兩次去應(yīng)力熱處理的隨爐試樣的力學性能Rm≥276～325Mpa和硬度HB170～210均符合技術(shù)要求的規(guī)定，檢測數(shù)據(jù)表明去應(yīng)力熱處理溫度對該材料的強度和硬度沒有造成影響。加工后的導(dǎo)板筒按照圖樣要求逐件進行檢驗，合格后劃線轉(zhuǎn)銑床將導(dǎo)板筒剖開成四片、鉆孔、打毛刺；檢驗安裝孔中心距合格后進行安裝。導(dǎo)板安裝時，嚴格按照圖樣要求控制檢驗，檢查螺栓扭矩、導(dǎo)板與導(dǎo)板座之間的間隙。同時保證十字頭、連桿、十字頭銷、曲軸總成等零部件裝配符合鉆井泵總裝圖樣和形位公差的要求。

5.結(jié)束語

通過采用尺寸穩(wěn)定性較高、減震性能良好的灰鐵材料，以及在鑄造、力學性能、金相組織方面做的大量改進工作，提高了導(dǎo)板質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，加工后導(dǎo)板的變形基本得到有效控制。當然，十字頭和導(dǎo)板摩擦失效問題偶爾還會出現(xiàn)，但主要是由于機架焊接后的噴丸沒有及時清理或組裝環(huán)境的清潔度未得到充分保證而引起的，相信隨著操作工人質(zhì)量意識的不斷上升和各環(huán)節(jié)的有效控制，問題就會得到徹底改善，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了生產(chǎn)成本，最終滿足了使用要求。

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劉戰(zhàn)鋒（1962—），陜西西安人，1983年畢業(yè)于西安交通大學，西安石油大學教授，從事機械教學和科研工作。

李?。?971—），山東章丘人，1995年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學，蘭州蘭石集團有限公司高級工程師，從事質(zhì)量管理工作。