采油螺桿泵襯套橡膠摩擦磨損性能分析

杜秀華，黃金艷，田 密，仇亭亭

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

隨著采油螺桿泵在油田中的推廣和普及，對(duì)螺桿泵的壽命要求也越來(lái)越高。漏失是螺桿泵在采油過(guò)程中的主要失效形式之一[1]，漏失的產(chǎn)生是由螺桿-襯套副間的磨損造成的[2]。因此，針對(duì)螺桿-襯套副間的磨損性能展開(kāi)研究，對(duì)螺桿泵的壽命研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。螺桿-襯套副的力學(xué)分析和磨損研究都要以其摩擦因數(shù)和磨損量為基礎(chǔ)[3-4]。本工作利用試驗(yàn)手段模擬螺桿泵的實(shí)際工況，測(cè)定襯套橡膠的摩擦因數(shù)以及磨損量隨載荷和滑動(dòng)速度的變化規(guī)律，為螺桿-襯套副磨損的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

采用宣化北倫平衡機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的MPX-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)，并在原磨損機(jī)上加裝VFD022M43B型變頻器，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變頻調(diào)速，從而滿足試驗(yàn)要求。為模擬采油螺桿泵的實(shí)際工況，采用環(huán)盤(pán)對(duì)磨形式，盤(pán)狀試樣用襯套橡膠制成，厚度取6 mm，直徑為64 mm；圓環(huán)試樣采用40Cr鋼，內(nèi)徑為34.5 mm，外徑為39 mm，且對(duì)磨表面進(jìn)行拋光處理。另外，還設(shè)計(jì)了特定的夾具，以裝卡襯套橡膠圓盤(pán)試樣，并可容納試驗(yàn)介質(zhì)。在采油螺桿泵的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，利用螺桿泵螺桿-襯套副相對(duì)滑動(dòng)速度的計(jì)算公式[5]，以GLB120-27型螺桿泵為例計(jì)算出對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)速度，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算直徑換算成試驗(yàn)設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速：滑動(dòng)速度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m·s-1時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速分別為104，208，312，416，520 r·min-1。GLB120-27型采油螺桿泵螺桿-襯套副的接觸壓力為0.1～1.2 MPa[6]，在此區(qū)間取6個(gè)值。兩試樣的接觸面積為2.6×10-4m2，將壓力換算成試驗(yàn)機(jī)上所加載荷值：接觸壓力為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa時(shí)，載荷分別為50，100，160，210，260，310 N。

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第1組試驗(yàn)選油水介質(zhì)（油/水質(zhì)量比為20/80）；第2組試驗(yàn)選油水砂介質(zhì)（油/水/砂質(zhì)量比為20/78/2），分別模擬采油螺桿泵的兩種工況。

2 摩擦因數(shù)的測(cè)定

兩試樣對(duì)磨時(shí)，摩擦轉(zhuǎn)矩（M）的表達(dá)式為

式中N——法向載荷，N；

μ——摩擦因數(shù)；

d——計(jì)算直徑，m。

由式（1）得摩擦因數(shù)的表達(dá)式為

在磨損試驗(yàn)機(jī)上，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和載荷值，進(jìn)行磨損試驗(yàn)，當(dāng)摩擦轉(zhuǎn)矩值趨于恒定時(shí)，記錄摩擦轉(zhuǎn)矩值，再利用式（2）即可計(jì)算出摩擦因數(shù)。

在兩組環(huán)境介質(zhì)中，分別進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，得出摩擦因數(shù)隨法向載荷和滑動(dòng)速度的變化規(guī)律，如圖1—4所示。

圖1 油水介質(zhì)中摩擦因數(shù)與法向載荷的關(guān)系

圖3 油水砂介質(zhì)中摩擦因數(shù)與法向載荷的關(guān)系

圖4 油水砂介質(zhì)中摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系

由圖1和3可知：在兩組環(huán)境介質(zhì)中，當(dāng)滑動(dòng)速度一定時(shí)，摩擦因數(shù)均隨載荷增大而呈線性減小，在油水介質(zhì)中，速度越大，摩擦因數(shù)減小得越快；在油水砂介質(zhì)中，隨載荷的增大，摩擦因數(shù)下降的速度基本一致?；瑒?dòng)速度在0.4～0.8 m·s-1的范圍內(nèi)，速度越大，摩擦因數(shù)的水平越高，但是當(dāng)滑動(dòng)速度達(dá)到1.0 m·s-1時(shí)，摩擦因數(shù)的水平下降，這是由于高速下的熱效應(yīng)所致[7]。

由圖2和4可知，在兩組環(huán)境介質(zhì)中，當(dāng)法向載荷一定時(shí)，摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的提高而增大，在油水介質(zhì)中，當(dāng)速度超過(guò)0.8 m·s-1時(shí)，摩擦因數(shù)反而略有下降。

圖2 油水介質(zhì)中摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系

分別對(duì)比圖1與3及圖2與4可見(jiàn)，滑動(dòng)速度和法向載荷都相同時(shí)，襯套橡膠試樣在油水介質(zhì)中的摩擦因數(shù)比在油水砂介質(zhì)中低。

3 磨損量的測(cè)定及磨損表面形貌

表征材料磨損特性的參數(shù)很多，有磨損量、磨損率、磨損度、耐磨性系數(shù)、磨損系數(shù)和磨損速率等[8]。為方便測(cè)量，本工作通過(guò)測(cè)試襯套橡膠試樣在不同條件下的磨損量來(lái)分析襯套橡膠的磨損特性。試驗(yàn)條件同摩擦因數(shù)的測(cè)定條件。試驗(yàn)前將試樣清洗干凈，烘干，電子天平稱量，然后裝卡試樣，設(shè)定轉(zhuǎn)速，加載，開(kāi)始試驗(yàn)。當(dāng)金屬環(huán)旋轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)后停機(jī)，取下試樣，再清洗，烘干，稱量，計(jì)算磨損量。在兩組環(huán)境介質(zhì)中磨損量與法向載荷和滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線如圖5—8所示。利用日本日立公司生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)橡膠試樣的磨損表面進(jìn)行觀察，磨損形貌如圖9所示。

圖5 油水介質(zhì)中磨損量與法向載荷的關(guān)系

圖6 油水介質(zhì)中磨損量與滑動(dòng)速度的關(guān)系

圖7 油水砂介質(zhì)中磨損量與法向載荷的關(guān)系

圖8 油水砂介質(zhì)中磨損量與滑動(dòng)速度的關(guān)系

由圖5和7可知，襯套橡膠試樣磨損量隨法向載荷的增大，基本呈線性增大，在不同速度下，其增大的速率基本相同。由圖6和8可知，襯套橡膠試樣磨損量隨滑動(dòng)速度的提高明顯減小，在不同法向載荷下，其減小的速率也基本相同，這是由于滑動(dòng)速度提高，當(dāng)符合Lancaster判據(jù)時(shí)，將呈現(xiàn)局部流體潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)，從而改善摩擦表面的潤(rùn)滑狀態(tài)，使兩表面間的犁削作用減弱。兩組環(huán)境介質(zhì)中，磨損量隨載荷增大而增大的速率基本相同，油水砂介質(zhì)中磨損量隨滑動(dòng)速度提高而減小的趨勢(shì)比油水介質(zhì)中平緩。

由圖9可以看出，法向載荷為310 N時(shí)，橡膠試樣的磨損表面具有明顯的磨損條紋，且油水砂中磨損條紋較寬；法向載荷為210 N時(shí)，其磨損表面比較平滑，磨損條紋不明顯。這表明法向載荷對(duì)磨損量的影響較大，法向載荷增大，磨損量增大。

圖9 不同條件下的磨損形貌（放大500倍）

綜上所述，在油水介質(zhì)的試驗(yàn)條件下，襯套橡膠試樣的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為摩擦機(jī)理。在油水砂介質(zhì)的試驗(yàn)條件下，襯套橡膠試樣的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為摩擦機(jī)理和濕磨粒磨損機(jī)理。在濕磨粒磨損的過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的仍然是微切削作用機(jī)理和擦傷。

4 磨損速率

磨損速率是指在單位時(shí)間內(nèi)橡膠試樣所產(chǎn)生的磨耗。利用上述在油水介質(zhì)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)速度將磨損量換算成相應(yīng)的磨損速率，磨損速率與法向載荷和滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線分別如圖10和11所示。在油水砂介質(zhì)中的磨損速率與法向載荷和滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線分別如圖12和13所示。

圖10 油水介質(zhì)中磨損速率與法向載荷的關(guān)系

圖11 油水介質(zhì)中磨損速率與滑動(dòng)速度的關(guān)系

圖12 油水砂介質(zhì)中磨損速率與法向載荷的關(guān)系

圖13 油水砂介質(zhì)中磨損速率與滑動(dòng)速度的關(guān)系

由圖10和12可知，在油水介質(zhì)和油水砂介質(zhì)中，磨損速率均隨法向載荷的增大呈線性增大。

由圖11可知，在油水介質(zhì)中，隨滑動(dòng)速度的提高，磨損速率增大，當(dāng)滑動(dòng)速度超過(guò)0.8 m·s-1時(shí)，其磨損速率反而降低。這是由于滑動(dòng)速度的提高改善了摩擦表面的局部潤(rùn)滑狀態(tài)。由圖13可以看出，在油水砂介質(zhì)中，隨滑動(dòng)速度的提高，磨損速率一直增大，這是由油水砂介質(zhì)中的磨損機(jī)理決定的。

5 結(jié)論

（1）襯套橡膠試樣在油水和油水砂介質(zhì)中的摩擦因數(shù)隨法向載荷的增大而減小，隨滑動(dòng)速度的提高先增大后有所減小。滑動(dòng)速度和法向載荷都相同時(shí)，襯套橡膠試樣在油水介質(zhì)中的摩擦因數(shù)比在油水砂介質(zhì)中低。

（2）襯套橡膠試樣在油水和油水砂介質(zhì)中的磨損量隨法向載荷的增大而增加，隨滑動(dòng)速度的提高而減小。襯套橡膠試樣在油水介質(zhì)中的磨損主要表現(xiàn)為摩擦機(jī)理，而在油水砂介質(zhì)中則主要表現(xiàn)為摩擦機(jī)理和濕磨粒磨損機(jī)理。

（3）襯套橡膠試樣在油水和油水砂介質(zhì)中的磨損速率隨法向載荷的增大呈線性增大。在油水介質(zhì)中，隨滑動(dòng)速度的提高，磨損速率先增大后減??；在油水砂介質(zhì)中，隨滑動(dòng)速度的增加，磨損速率一直增大。