于 洋 景卜卜 楊廣元 徐桂鵬 原晨康 李爭光

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710054)

在石油鉆井、固井中，使用隨行振動(dòng)膠塞進(jìn)行固井作業(yè)時(shí)，振動(dòng)膠塞與套管進(jìn)行共頻振動(dòng)，與井壁進(jìn)行自上而下的振動(dòng)接觸，并與井下的巖石、水泥漿等產(chǎn)生劇烈的摩擦磨損，因此要求振動(dòng)膠塞具有較好的耐磨性。此外，隨行振動(dòng)膠塞在套管里長期工作，環(huán)境溫度高，要求膠塞材料有較高的耐熱性；隨行振動(dòng)膠塞在鉆井、固井時(shí)，井下的水泥漿呈堿性，要求隨行振動(dòng)膠塞具有較強(qiáng)的耐堿性。因此，對振動(dòng)膠塞進(jìn)行改性，增強(qiáng)振動(dòng)膠塞的耐磨性，不僅可延長其使用壽命，減少振動(dòng)膠塞的更換頻率，而且可在固井時(shí)使得水泥漿固化更加密實(shí)，開采油氣的安全性大幅提高，從而提高社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

芳綸纖維具有各種優(yōu)良性能，例如高強(qiáng)度、高模量、耐堿性、密度小和耐磨損等，且芳綸纖維不污染環(huán)境、對人體無害，因此，芳綸纖維是一種較為理想的橡膠增強(qiáng)材料。研究人員通過試驗(yàn)對影響芳綸纖維的耐磨性因素進(jìn)行了研究。李鑫陵等[3]實(shí)驗(yàn)研究了影響芳綸織物撕破強(qiáng)力的因素，結(jié)果表明：高密度平紋機(jī)織物，織物撕破強(qiáng)力與織物經(jīng)緯密度成正比關(guān)系；中低密度平紋機(jī)織物，織物撕破強(qiáng)力與織物經(jīng)緯密度成反比關(guān)系。劉旭軍等[4]對芳綸纖維在不同負(fù)荷和速度條件下的摩擦磨損情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)負(fù)荷增大，芳綸纖維織物的摩擦因數(shù)降低，磨損率增大；摩擦速度對芳綸纖維織物的摩擦磨損情況影響不是很大；通過對織物擠壓變形和填充磨屑作用可改變摩擦?xí)r實(shí)際接觸面積，從而改善磨損現(xiàn)象。楊戰(zhàn)厚等[5]總結(jié)分析了芳綸纖維在復(fù)合摩擦材料中的應(yīng)用，認(rèn)為芳綸纖維較玻璃纖維、碳纖維等強(qiáng)度高、密度小、耐熱、穩(wěn)定性好，是作為增強(qiáng)易磨損材料耐磨性的首選增強(qiáng)材料；在摩擦材料添加40%(體積分?jǐn)?shù))以上凱夫拉纖維時(shí)，摩擦材料的磨損率會(huì)降到最低。陳東和魯亮[6]對芳綸纖維在制動(dòng)摩擦過程中摩擦表面變化和制動(dòng)摩擦過程中的作用進(jìn)行了分析，得出：在制動(dòng)摩擦過程中，芳綸表面出現(xiàn)了局部過熱、軟化現(xiàn)象，從而形成了黏著磨損，加劇了芳綸纖維的摩擦磨損，降低了摩擦因數(shù)；芳綸纖維在制動(dòng)摩擦過程中并不適合單獨(dú)作為耐磨性材料，應(yīng)和其他耐磨材料一起作為復(fù)合耐磨材料，才能達(dá)到在高強(qiáng)度的制動(dòng)摩擦條件下使摩擦材料的損耗減小。上述研究表明，研究人員已通過各種試驗(yàn)對影響纖維織物的耐磨性因素進(jìn)行了研究分析，而目前國內(nèi)外針對影響芳綸纖維織物耐磨性的因素研究相對較少，并且在研究織物不同經(jīng)緯密度對其耐磨性影響過程中并沒有提出如何試織不同經(jīng)緯密度的試驗(yàn)織物，因此研究影響芳綸纖維耐磨性的因素和提出試織不同經(jīng)緯密度織物的方法可為摩擦材料的研發(fā)提供參考。

目前國內(nèi)外研究表明，芳綸纖維是非常適合用于增強(qiáng)易摩擦材料的復(fù)合纖維材料。本文作者提出采用芳綸纖維來提高隨行振動(dòng)膠塞的耐磨性，探討影響芳綸纖維耐磨性的主要因素，從摩擦轉(zhuǎn)速和芳綸織物的經(jīng)緯密度2個(gè)方面分析對芳綸纖維耐磨性的影響，得出最合適的摩擦轉(zhuǎn)速和最優(yōu)經(jīng)緯密度；以最優(yōu)的經(jīng)緯密度來試織芳綸纖維織物，然后將試織好的芳綸纖維粘附于隨行振動(dòng)膠塞，研究其耐磨性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

李鑫陵等[3]實(shí)驗(yàn)研究指出：當(dāng)纖維織物的經(jīng)緯密度相等時(shí)織物的各種性能比較強(qiáng)；宋孝浜[7]實(shí)驗(yàn)研究指出：加捻的纖維織物耐磨性比退捻的纖維織物耐磨性高。因此在研究芳綸織物經(jīng)緯密度對其耐磨性能影響時(shí)，采用浙江軒泰新材料有限公司生產(chǎn)的6股21tex加捻芳綸1414長絲為原料。

采用YG020A-30kg型單紗強(qiáng)力機(jī)(常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)，如圖1所示)測得6股21tex加捻芳綸1414長絲的斷裂伸長率為15.33%，斷裂強(qiáng)力為7.35 N；采用YG155B型電子紗線捻度機(jī)(常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司生產(chǎn))測得紗線的捻度為764 T/m，紗線回潮率為5.11%。

圖1 YG020A-30kg型單紗強(qiáng)力機(jī)

1.2 試樣制備

根據(jù)Bnierley經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出芳綸織物最大的上機(jī)密度：

(1)

式中：Pmax為織物最大等經(jīng)緯密度，根/(10 cm)；K為紗線織物類別常數(shù)，芳綸1414長絲纖維紗取35.0；f為織物組織平均浮長，平紋組織取1；m為經(jīng)驗(yàn)法組織常數(shù)，平紋組織取1；Nt為紗線線密度，Nt=21tex。

由式(1)得：

Pmax=240根/(10 cm)

因此，根據(jù)Bnierley經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出芳綸織物最大的上機(jī)密度為240根/(10 cm)，則試驗(yàn)試樣織物的經(jīng)緯密度可設(shè)計(jì)為每10 cm 240根×240根、220根×220根、200根×200根、180根×180根、160根×160根、140根×140根。將試樣分別標(biāo)號為FL1、FL2、FL3、FL4、FL5、FL6。

根據(jù)設(shè)計(jì)的6種等經(jīng)緯密度織物，在寧波慈星股份有限公司生產(chǎn)的CX1-52EC橫機(jī)上(如圖2所示)進(jìn)行自動(dòng)制織試驗(yàn)樣品，每個(gè)樣品規(guī)定制織約100 mm×200 mm。

圖2 CX1-52EC橫機(jī)

1.3 主要設(shè)備與試驗(yàn)方法

采用中國臺(tái)灣高鐵檢測儀器公司生產(chǎn)的GT-7012-D DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)(如圖3所示)對6種試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。磨耗機(jī)的滾筒、摩擦測試示意圖分別如圖4、5所示。試驗(yàn)前后試樣質(zhì)量由電子天平測得。試驗(yàn)前，將制備的芳綸試樣粘貼于萬能磨耗機(jī)的摩擦基板表面，摩擦基板隨摩擦滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)[8-11]。試驗(yàn)載荷設(shè)為45 N，摩擦滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min，摩擦?xí)r間設(shè)為30 min。

圖3 DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)

圖4 DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)滾筒

圖5 DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)摩擦測試示意

由于摩擦因數(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中是不斷變化的，因此，當(dāng)摩擦處于相對穩(wěn)定狀態(tài)后選取幾個(gè)摩擦因數(shù)，取平均值。

摩擦因數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中：μ為摩擦因數(shù)；M為摩擦力矩(N·m)；F為試驗(yàn)載荷(N)；L為試樣摩擦表面的有效長度(cm)。

試樣磨損率計(jì)算公式為

(3)

式中：Δw為試樣的磨損率；m1為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量(g)；m2為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量(g)；ρ為試樣密度(g/cm3)；F為試驗(yàn)載荷(N)；L為試樣摩擦表面的有效長度(cm)。

試驗(yàn)前后試樣質(zhì)量m1、m2均由EX124ZH型電子天平測得，分別測試3次取平均值。試樣密度ρ為由芳綸生產(chǎn)廠家提供，制備的6種試樣的ρ均取1.44 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同織物經(jīng)緯密度對耐磨性的影響

根據(jù)振動(dòng)膠塞工作條件，設(shè)定載荷為45 N，摩擦滾筒轉(zhuǎn)速為100 r/min，摩擦?xí)r間為30 min，對制備的6種試樣進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同經(jīng)緯密度織物的摩擦因數(shù)和磨損率

由表1可得出不同經(jīng)緯密度織物試樣與摩擦因數(shù)變化曲線和擬合曲線如圖6所示，不同經(jīng)緯密度織物試樣與磨損率變化曲線和擬合曲線，如圖7所示。在復(fù)合材料進(jìn)行磨損試驗(yàn)時(shí)，纖維織物經(jīng)緯紗線的上表層受壓，經(jīng)緯紗線的下表層則受拉，如圖8所示[12-15]。

由圖6可分析出，在相同摩擦轉(zhuǎn)速(100 r/min)和載荷(45 N)條件下，隨著芳綸纖維的經(jīng)緯密度的增加，織物的摩擦因數(shù)呈下降的趨勢。其中從試樣FL1(每10 cm 140根×140根)到試樣FL2(每10 cm 200根×200根)摩擦因數(shù)下降趨勢最大，從試樣FL4(每10 cm 200根×200根)到試樣FL6(每10 cm 240根×240根)摩擦因數(shù)下降趨勢趨于穩(wěn)定。

由圖7可分析出，隨著織物經(jīng)緯密度不斷增加，芳綸纖維的磨損率在不斷減小。其中從試樣FL1(每10 cm 140根×140根)到試樣FL4(每10 cm 200根×200根)的磨損率減小較大，從試樣FL4(每10 cm 200根×200根)到試樣FL6(每10 cm 240根×240根)的磨損率減小較小。

圖7 不同經(jīng)緯密度試樣的磨損率曲線

由圖8可分析出纖維的經(jīng)紗受力大小與屈曲角有關(guān)，當(dāng)纖維的緯紗密度增加時(shí)，纖維的經(jīng)紗與水平的夾角α增大，當(dāng)夾角α增大會(huì)使垂直于在經(jīng)紗上的分力Fcosα而減小，所以作用在復(fù)合材料上的彈性模量會(huì)隨緯密的增加而增大。

圖8 芳綸纖維布經(jīng)緯截面與受力

由圖6、7可總結(jié)出：芳綸纖維布紡織的密度越大，紗線間的間隙越小，則耐磨性越強(qiáng)。這是因?yàn)榧喚€越粗，在擠壓作用下纖維間的抱合力越大，承受摩擦的纖維根數(shù)也越多，紗線耐磨壽命增加，織物的磨損率降低，所以耐磨性越好。即6股21tex加捻芳綸1414織物經(jīng)緯密度在每10 cm 240根×240根時(shí)耐磨性可達(dá)最佳狀態(tài)。

圖6 不同經(jīng)緯密度試樣的摩擦因數(shù)曲線

2.2 不同摩擦轉(zhuǎn)速下芳綸纖維的耐磨性

采用耐磨性最好的試樣FL6(每10 cm 240根×240根)，設(shè)定試驗(yàn)載荷為45 N，摩擦?xí)r間為30 min，在不同摩擦轉(zhuǎn)速下考察芳綸纖維的耐磨性[16-18]。試驗(yàn)?zāi)Σ赁D(zhuǎn)速分別設(shè)為80、90、100、110、120、130 r/min，結(jié)果如表2所示。

表2 不同摩擦轉(zhuǎn)速下織物的摩擦因數(shù)和磨損率

由表2可得出織物不同摩擦轉(zhuǎn)速與摩擦因數(shù)變化曲線和擬合曲線，如圖9所示，織物不同摩擦轉(zhuǎn)速與磨損率變化曲線和擬合曲線，如圖10所示。

由圖9可分析出：芳綸纖維織物經(jīng)緯密度不變時(shí)，其摩擦因數(shù)隨著摩擦轉(zhuǎn)速的增加呈先減小后增加的變化規(guī)律；在轉(zhuǎn)速為110 r/min時(shí)摩擦因數(shù)最小，為0.42。由圖10可分析出：芳綸纖維織物經(jīng)緯密度不變時(shí)，其磨損率隨著摩擦轉(zhuǎn)速的提高呈先降低后升高的變化規(guī)律；在轉(zhuǎn)速為110 r/min時(shí)磨損率最小，為1.4×10-3mm3/(N·m)。

圖10 不同摩擦轉(zhuǎn)速下試樣的磨損率曲線

由圖9、10可總結(jié)出：織物經(jīng)緯密度(每10 cm 240根×240)一定的條件下，在一定摩擦轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，織物耐磨性可達(dá)到最佳狀態(tài)；當(dāng)摩擦轉(zhuǎn)速過高時(shí)，摩擦運(yùn)動(dòng)就會(huì)過于劇烈，紗線的摩擦因數(shù)和磨損率就會(huì)提高；當(dāng)摩擦速度為110 r/min時(shí)，6股21tex加捻芳綸1414織物的耐磨性可達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖9 不同摩擦轉(zhuǎn)速下試樣的摩擦因數(shù)曲線

3 結(jié)論

(1)芳綸復(fù)合材料的耐磨性與芳綸織物的經(jīng)緯密度有很大的關(guān)系，隨著芳綸纖維織物經(jīng)緯密度的增大，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率減小。這是因?yàn)殡S芳綸復(fù)合材料經(jīng)緯密度的增大，芳綸織物的間隙逐漸減小，致密性則越來越好，紗線越粗，在擠壓作用下纖維間的抱合力越大，承受摩擦的纖維根數(shù)越多，從而提高了材料的抗拉、抗彎曲性能，增加了材料的接觸面積，進(jìn)而提高了織物的抗磨損性能。

(2)摩擦轉(zhuǎn)速影響芳綸復(fù)合材料的耐磨性，隨著摩擦轉(zhuǎn)速的提高，芳綸復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率呈先減小后增加的變化規(guī)律，存在一個(gè)最佳摩擦轉(zhuǎn)速范圍，可使芳綸復(fù)合材料的耐磨性達(dá)到最佳狀態(tài)。即當(dāng)摩擦速度為110 r/min時(shí)，6股21tex加捻芳綸1414織物的耐磨性可達(dá)到最佳狀態(tài)。

(3)當(dāng)摩擦速度過高時(shí)，芳綸織物運(yùn)動(dòng)劇烈，其摩擦因數(shù)和磨損率增大，導(dǎo)致其抗磨損性能下降?？紤]到速度過高會(huì)對芳綸織物造成劇烈損傷，所以隨行振動(dòng)膠塞在下井時(shí)必須控制在一定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)。