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，對螺桿泵的壽命要求也越來越高。漏失是螺桿泵在采油過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，針對螺桿-襯套副間的磨損性能展開研究，對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，測定襯套橡膠的摩擦因數(shù)以及磨損量隨載荷和滑動速度的變化規(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，使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無級變頻調(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)盤對磨形式，盤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-襯套副相對滑動速度的計(jì)算公式[5]，以GLB120-27型螺桿泵為例計(jì)算出對應(yīng)的滑動速度，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：滑動速度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m·s-1時，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，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)的測定

兩試樣對磨時，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，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)滑動速度一定時，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?；瑒铀俣仍?.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)滑動速度達(dá)到1.0 m·s-1時，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，摩擦因數(shù)隨滑動速度的提高而增大，在油水介質(zhì)中，當(dāng)速度超過0.8 m·s-1時，摩擦因數(shù)反而略有下降。

圖2 油水介質(zhì)中摩擦因數(shù)與滑動速度的關(guān)系

分別對比圖1與3及圖2與4可見，滑動速度和法向載荷都相同時，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]。為方便測量，本工作通過測試襯套橡膠試樣在不同條件下的磨損量來分析襯套橡膠的磨損特性。試驗(yàn)條件同摩擦因數(shù)的測定條件。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，這是由于滑動速度提高，當(dāng)符合Lancaster判據(jù)時，將呈現(xiàn)局部流體潤滑或混合潤滑狀態(tài)，從而改善摩擦表面的潤滑狀態(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)中磨損量隨滑動速度提高而減小的趨勢比油水介質(zhì)中平緩。

由圖9可以看出，法向載荷為310 N時，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，其磨損表面比較平滑，磨損條紋不明顯。這表明法向載荷對磨損量的影響較大，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，隨滑動速度的提高，磨損速率增大，當(dāng)滑動速度超過0.8 m·s-1時，其磨損速率反而降低。這是由于滑動速度的提高改善了摩擦表面的局部潤滑狀態(tài)。由圖13可以看出，在油水砂介質(zhì)中，隨滑動速度的提高，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，隨滑動速度的提高先增大后有所減小?；瑒铀俣群头ㄏ蜉d荷都相同時，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，隨滑動速度的增加，磨損速率一直增大。