黃志強，熊辰，錢韋吉，王美玲，楊仁松

采油液力馬達轉(zhuǎn)子表面織構(gòu)參數(shù)對其摩擦副摩擦學性能的影響

黃志強，熊辰，錢韋吉，王美玲，楊仁松

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

研究微溝槽織構(gòu)對采油液力馬達定轉(zhuǎn)子配副表面摩擦學性能的影響，為減小液力馬達螺旋副的摩擦阻力矩，從而解決大慶油田某型號液力驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)停機后啟動困難的問題提供設(shè)計方向。根據(jù)螺桿馬達螺旋副，建立金屬-橡膠平板往復(fù)摩擦模型，在金屬試件表面加工出不同織構(gòu)角度和深度的矩形微溝槽，采用正交試驗方法，研究不同織構(gòu)參數(shù)對液力馬達螺旋副摩擦性能的影響規(guī)律，最后再對比分析橡膠試件摩擦磨損試驗前后的表面形貌，以掌握織構(gòu)存在對橡膠定子使用壽命的影響規(guī)律?？棙?gòu)角度一定時，除90-5號試件以外，其余各組試件的摩擦因數(shù)表現(xiàn)出隨織構(gòu)深度的增加而增加的現(xiàn)象?？棙?gòu)深度一定時，各組試件的摩擦因數(shù)隨織構(gòu)角度的增大而表現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象?？棙?gòu)角度是摩擦因數(shù)的主要影響因素。相同試驗條件下，0—5號試件的摩擦因數(shù)比未織構(gòu)試件降低了20.2%。在液力馬達定轉(zhuǎn)子這種金屬-橡膠接觸對中，織構(gòu)的減摩機理主要是通過微溝槽輸送潤滑介質(zhì)，改善潤滑條件。織構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理的試樣，在不縮減液力馬達使用壽命的條件下可以有效減小摩擦副的摩擦因數(shù)，有利于液力驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)順利啟動。

采油液力馬達；表面織構(gòu)；正交試驗；織構(gòu)參數(shù)；摩擦學性能

隨著我國許多油田進入開采后期，為滿足高黏度稠油、高含砂石油等各種特殊油藏的開采需求，螺桿泵采油系統(tǒng)得到了越來越廣泛的運用[1-2]。液力馬達作為其重要的動力傳遞部件，在低速重載的條件下，液壓馬達的運動副表面油膜難以建立或容易破裂，導(dǎo)致橡膠定子發(fā)生嚴重磨損，降低了液壓馬達的機械效率和使用壽命，成為了影響螺桿泵采油系統(tǒng)工作效率的關(guān)鍵因素[3-4]。目前對液力馬達配副表面的減摩降阻關(guān)鍵技術(shù)研究，多集中在金屬轉(zhuǎn)子表面涂層、橡膠定子表面化學改性等方面[5-8]。

織構(gòu)化處理是一種通過超精密加工，在材料表面加工出具備特定形狀、尺寸特征的微形貌，以達到改善配副間摩擦學性能的表面改性技術(shù)[9]。目前，人們主要通過改變織構(gòu)的形狀、角度、深度、寬度、密度等參數(shù)，使表面微織構(gòu)能夠在不同工況中起到減摩降阻的效果，廣泛應(yīng)用于活塞[10-11]、切削刀具[12]、滑動軸承[13]、計算機硬盤[14]等部件表面。通過引入表面微織構(gòu)起到減摩降阻作用的成果案例。Ulrika Pettersson等[3]采用壓花工藝在往復(fù)式液壓馬達活塞-滾輪摩擦副上進行了織構(gòu)化處理，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)角度對試件的摩擦學性能的影響較大。張東亞等[15-16]研究了面密度對織構(gòu)減摩降阻效果的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)面密度為10%時能獲得最好的摩擦學性能。蘇峰華等[17-18]探究了溝槽織構(gòu)深度對不銹鋼表面在油潤滑條件下的摩擦學性能的影響機理，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)深度對摩擦學性能有顯著影響，當織構(gòu)深度為10 μm時，配副表面能獲得最好的摩擦學性能。何霞等[19]研究了織構(gòu)邊緣凸起對配副摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)存在邊緣凸起的織構(gòu)會加劇其摩擦磨損，控制表面織構(gòu)的加工質(zhì)量可有效提高織構(gòu)試件的減摩降阻性能。莫麗等[20]研究了金屬-橡膠配副中的織構(gòu)直徑對摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)選擇較小的織構(gòu)直徑，可以獲得較好的減摩性能。國內(nèi)外學者對織構(gòu)化處理在摩擦行為中的摩擦學性能進行了大量研究，并普遍認為其減摩機理是潤滑介質(zhì)在微溝槽中產(chǎn)生的動壓潤滑效應(yīng)[21-23]，很少有學者針對金屬-橡膠配副表面織構(gòu)化處理展開研究。相對于金屬接觸對，金屬-橡膠接觸對中的摩擦情況更復(fù)雜，且缺乏較深入的研究，引入表面織構(gòu)技術(shù)來改善金屬-橡膠配副表面摩擦學性能，具有很強的工程意義。

本文根據(jù)液力馬達實際工況建立了42CrMo-丁腈橡膠（NBR）平板往復(fù)模型，采用正交試驗方法，研究了不同織構(gòu)參數(shù)對其摩擦學性能的影響規(guī)律，得到了各參數(shù)對摩擦因數(shù)的影響權(quán)重，找到了減摩降阻的最優(yōu)參數(shù)組合，為解決采油液力馬達停機后再啟動困難的問題提供了設(shè)計方向。

1 試驗

1.1 模型建立

本研究的重點是探究在過盈配合條件下，金屬-橡膠配副中引入表面微織構(gòu)能否解決液力馬達停機后再啟動困難的問題。圖1a是液力馬達螺旋副結(jié)構(gòu)示意圖。圖1b是液力馬達的軸向截面圖。由于橡膠與摩擦物的接觸面積與正壓力相關(guān)，一般來說，壓力越大，接觸面積越大，所以接觸面積和摩擦力的關(guān)系，與正壓力和摩擦力的關(guān)系基本一致[24]。因此，本研究重點考慮金屬轉(zhuǎn)子與橡膠定子間接觸面積更大的線接觸區(qū)域。實際工況中的液力馬達定、轉(zhuǎn)子之間為過盈配合，在本研究中認為線接觸區(qū)域過盈量處處相等，即橡膠定子變形量處處相等，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備條件，將線接觸區(qū)域展開簡化得到如圖1c所示的兩平行表面。實驗?zāi)Ｐ偷脑嚰牧稀⒀b配條件、潤滑條件設(shè)置與實際模型一致。

圖1 試驗?zāi)Ｐ秃喕?/p>

1.2 試樣制備

目前，已經(jīng)形成了十分成熟的表面織構(gòu)化技術(shù)，常見的有激光、壓刻、微切削、離子刻蝕、微磨料射流、光刻電解、LIGA等表面織構(gòu)化處理技術(shù)。在眾多表面織構(gòu)化技術(shù)中，激光加工技術(shù)因其精度較高、成本低、污染小、效率高等優(yōu)點而得到了最廣泛的運用[25-26]。

進行激光加工前，先使用磨床將金屬試件進行粗磨，然后利用線切割機床將金屬試件切割成符合試驗機尺寸要求的小塊，再對上試件表面進行倒圓角處理，以模擬定轉(zhuǎn)子間的接觸情況。本研究中所需的織構(gòu)化試驗數(shù)量不多，在保證加工精度要求的條件下，選用YLP-20W光纖激光打標機在粗磨后的42CrMo表面加工出如表1（代號中的左側(cè)數(shù)字表示織構(gòu)角度，右側(cè)數(shù)字表示織構(gòu)深度）所示的溝槽形織構(gòu)，織構(gòu)寬度=400 μm，面積比為10%。激光加工參數(shù)為：加工速度300 mm/s，功率15 W，激光頻率20 kHz。

表1 試樣代號

Tab.1 The sample code

通過改變試件在激光打標機工作臺上的擺放角度以改變織構(gòu)角度，受激光熱沖擊效應(yīng)的影響，會使織構(gòu)周邊產(chǎn)生凸起[25]，在完成激光織構(gòu)化處理后，再用2000目的砂紙進行打磨，得到如圖2所示符合液力馬達金屬轉(zhuǎn)子表面粗糙度要求的金屬試件。

通過改變激光加工次數(shù)控制織構(gòu)深度，本次試驗選用的加工次數(shù)分別為1、3、5、7次，通過ContourGT InMotion三維光學顯微鏡觀測織構(gòu)形貌，得到如圖3所示的表面輪廓。從觀測結(jié)果可知，不同加工次數(shù)所對應(yīng)的溝槽深度分別為5、10、15、20 μm。

圖2 不同角度的織構(gòu)化試件

圖3 不同掃描次數(shù)對應(yīng)的織構(gòu)深度

1.3 正交試驗

表2為正交試驗影響因素水平表。本試驗選用如圖4所示的UMT-Tribolab型摩擦磨損試驗機。以42CrMo金屬塊上試件模擬金屬轉(zhuǎn)子，硬度為60HA的丁腈橡膠下試件模擬橡膠定子，選用的試件材料與存在啟動困難問題的液力馬達材料一致。為模擬液力馬達的啟動過程，選用平板往復(fù)運動模塊展開試驗，即上試件進行速度從0 mm/s增大到最大值再逐漸降為0 mm/s的周期性運動，模擬試件在一個運動周期內(nèi)的兩次啟停狀態(tài)。

表2 正交試驗影響因素水平

Tab.2 Influence factor level of orthogonal test

圖4 試驗設(shè)備

本次試驗選用的潤滑介質(zhì)為美孚公司生產(chǎn)的600XP220潤滑油。根據(jù)液力馬達過盈量求得試驗載荷為79.844 N。由于本次研究的目的是提高液力馬達的啟動性能，主要考慮從靜止到運動這種狀態(tài)變化，對速度要求不高，因此本研究選用試驗臺默認的5.0 mm直線往復(fù)行程，最大線速度為10 mm/s，摩擦時間為1200 s，溫度為室溫（24 ℃）。

試驗過程中由計算機自動記錄數(shù)據(jù)，每組試驗進行3次，取3次實驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終的摩擦磨損實驗結(jié)果，取各時間點摩擦力與載荷的比值為摩擦因數(shù)。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 織構(gòu)角度對摩擦因數(shù)的影響

從圖5a—d中可以發(fā)現(xiàn)，各組試樣的摩擦因數(shù)在600 s后趨于穩(wěn)定，求解各組試樣摩擦因數(shù)穩(wěn)定后的算術(shù)平均值得到圖5e。試驗結(jié)果顯示，除織構(gòu)深度為5 μm的試件外，隨著織構(gòu)角度的增大，各組試件的摩擦因數(shù)均表現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象，并在織構(gòu)角度為60°時取得最大值，在0°時取得最小值。然而最大摩擦因數(shù)大多出現(xiàn)在織構(gòu)角度為60°時的實驗組而不是在90°的實驗組，這一現(xiàn)象可能是由織構(gòu)的角度變化引發(fā)的刮切橡膠能力、送油能力變化而導(dǎo)致的。上述結(jié)果還需要對織構(gòu)角度和織構(gòu)深度的協(xié)同影響機理做進一步的研究分析。

圖6是不同織構(gòu)角度下潤滑介質(zhì)通過的區(qū)域示意圖。由于本次試驗設(shè)置的金屬上試件運動方向與長邊方向一致，已知織構(gòu)角度與潤滑介質(zhì)運動方向的夾角越小，潤滑介質(zhì)越容易通過微溝槽流經(jīng)過盈配合條件下的金屬-橡膠配副接觸區(qū)域。當織構(gòu)密度相同（試驗選用的織構(gòu)密度為10%）時，夾角越小，潤滑介質(zhì)越容易進入接觸面，能夠通過的接觸區(qū)域也越大，當織構(gòu)角度為90°時，接觸表面沒有潤滑介質(zhì)，潤滑條件最差，此時摩擦副的摩擦因數(shù)最大；當織構(gòu)角度為0°時，潤滑介質(zhì)能通過整個接觸面，潤滑條件最好，此時摩擦副的摩擦因數(shù)最小。

圖5 織構(gòu)深度相同條件下織構(gòu)角度變化對各實驗組摩擦因數(shù)的影響規(guī)律

圖6 不同織構(gòu)角度下潤滑介質(zhì)通過的區(qū)域

2.2 織構(gòu)深度對摩擦因數(shù)的影響

圖7a—d是織構(gòu)角度相同條件下織構(gòu)深度變化對各試驗組摩擦因數(shù)的影響規(guī)律。觀察4組曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，除織構(gòu)角度為90°的各組試件摩擦因數(shù)表現(xiàn)出在最大靜摩擦力的基礎(chǔ)上先快速增大再逐漸減小最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象以外，其余各組試件的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)出從最大靜摩擦力逐漸減小最后趨于穩(wěn)定這一特征。這是因為當織構(gòu)角度為90°時，微溝槽的送油能力可以忽略，接觸面上的潤滑狀態(tài)為干摩擦，運動初期橡膠發(fā)生彈性變形直接嵌入微溝槽內(nèi)部，橡膠的磨損量很大，在50 s左右，嵌入微溝槽內(nèi)部的橡膠被完全刮除，各試件的摩擦因數(shù)開始逐漸減小。

圖7 織構(gòu)角度相同條件下深度變化對各試驗組摩擦因數(shù)的影響規(guī)律

圖7e是各組試樣穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)平均值柱狀圖。試驗結(jié)果顯示，除90-5號試件外，在織構(gòu)角度一定的條件下，織構(gòu)深度變化時，各組試件的摩擦因數(shù)均表現(xiàn)出隨著織構(gòu)深度的增大而增大的現(xiàn)象。這是因為隨著織構(gòu)深度的增大，嵌入微溝槽內(nèi)部的橡膠量也隨之增多，阻礙接觸對運動的能力越強。

圖8為不考慮織構(gòu)的送油能力時，不同織構(gòu)深度下微溝槽內(nèi)橡膠碎屑的存儲情況?？棙?gòu)角度為90°時，90-5號試件的平均摩擦因數(shù)最大，而0-5、30-5、60-5均是各同織構(gòu)角度實驗組中摩擦因數(shù)最小的試件，這是因為：（1）90-5號試件的送油能力比上述各組試件更差，微溝槽內(nèi)的潤滑介質(zhì)可以忽略不計，嵌入微溝槽內(nèi)部的橡膠越多，刮切產(chǎn)生的橡膠碎屑也越多；（2）產(chǎn)生的碎屑難以隨潤滑介質(zhì)排出接觸區(qū)域；（3）此時的微溝槽深度比織構(gòu)角度為90°時的其余各組試件更淺，無法完全存儲刮切掉落的橡膠碎屑。以上因素協(xié)同影響，導(dǎo)致摩擦副表面接觸狀態(tài)惡化，進而導(dǎo)致摩擦因數(shù)大幅度增加。

圖8 不同織構(gòu)深度下織構(gòu)內(nèi)橡膠碎屑的儲存情況

2.3 織構(gòu)在金屬-橡膠配副中的減摩機理

表3為摩擦因數(shù)的正交試驗結(jié)果。其中，K代表各列水平號為的摩擦因數(shù)之和，t代表各水平所得摩擦因數(shù)的算術(shù)平均值，代表極差，=t(max)?t(min)。的數(shù)值越大，則代表該因素對試驗結(jié)果的影響越大。從極差分析結(jié)果可以看出，織構(gòu)角度>織構(gòu)深度，這說明在金屬-橡膠接觸對中，織構(gòu)角度對摩擦因數(shù)的影響比織構(gòu)深度大。此時0-5號試驗組的摩擦因數(shù)最小，為0.122。

表3 摩擦因數(shù)正交試驗結(jié)果

Tab.3 Friction coefficient orthogonal test results

由現(xiàn)有的研究成果可知，在金屬配副中，織構(gòu)的減摩機理為：（1）干摩擦條件下，存儲磨粒磨屑，改善接觸條件；（2）存儲潤滑油，在潤滑條件惡劣時向接觸面提供潤滑油，改善潤滑條件；（3）在全油潤滑條件下，其彈流潤滑效應(yīng)能給油膜附加升力，提升油膜承載能力[21-23]。

從圖7e可以發(fā)現(xiàn)，在本次研究的金屬-橡膠配副中，無法提供收斂間隙的0°試件比能提供收斂間隙的90°試件具備更小的摩擦因數(shù)，而產(chǎn)生彈流潤滑效應(yīng)的一個必要條件就是需要收斂的楔形空間，因此可以確定織構(gòu)在金屬-橡膠配副和金屬配副中的主要減摩機理不同。結(jié)合圖6織構(gòu)角度對潤滑介質(zhì)通過區(qū)域的影響以及表3的極差分析結(jié)果可知，送油能力是織構(gòu)在金屬-橡膠配副中起到減摩降阻作用的主要因素。

2.4 微溝槽對橡膠磨損程度的影響

由于實際工作中縮減液力馬達使用壽命的主要影響因素是橡膠定子的過早磨損[27]，為避免因為在采油液力馬達螺旋副中引入表面微織構(gòu)而導(dǎo)致采油液力馬達的使用壽命縮減，研究各試驗組中摩擦因數(shù)最小的橡膠試件的磨損形貌。

圖9是各典型試件的表面磨損形貌，其中與0-5號試件對磨的橡膠磨損程度和無織構(gòu)試樣相似。從30-5、60-5和90-10號試件的磨損形貌中可以看出，隨著織構(gòu)角度的增大，試件表面的磨損程度逐漸劇烈。這是因為，增大織構(gòu)角度以后，配副表面的潤滑條件逐漸惡化，導(dǎo)致試件急劇升溫，加劇了配副表面的粘著磨損，可見織構(gòu)角度越大，微溝槽對橡膠的刮切能力越強。這也說明在液力馬達表面引入0-5號試件對應(yīng)的微織構(gòu)，不會縮減采油液力馬達的使用壽命，當織構(gòu)角度不為0時，微溝槽的存在會縮減采油液力馬達的使用壽命。

圖9 橡膠磨損形貌

3 結(jié)論

1）織構(gòu)角度主要影響微溝槽在金屬-橡膠配副中的送油能力，當織構(gòu)方向與運動方向一致時，其送油能力最強，織構(gòu)深度主要影響微溝槽對橡膠的刮切作用，織構(gòu)越深，對橡膠的刮切作用越強。

2）在金屬-橡膠摩擦副中，織構(gòu)角度是摩擦因數(shù)的主要影響因素。摩擦因數(shù)最小的一組試件參數(shù)組合為：織構(gòu)角度0°，織構(gòu)深度5 μm，最小摩擦因數(shù)0.122。與未織構(gòu)化處理的試件相比，其摩擦因數(shù)降低了20.2%。

3）織構(gòu)參數(shù)（角度、深度）合理（如0-5號試樣）時，微溝槽的存在能有效改善試件的摩擦學性能，有助于液力馬達順利啟動。若織構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理（如90-5號試樣），其摩擦學性能反而會惡化，甚至會縮減液力馬達的使用壽命。

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The Effect of Surface Texture Parameters of the Rotor Surface Texture of Oil Production Hydraulic Motor on the Tribological Performance of the Friction Pair

,,,,

(School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

The work aims to study the influence of micro-groove texture on the surface tribological properties of the stator and rotor pairs of oil extraction hydraulic motors, in order to reduce the frictional resistance torque of the screw pair of the hydraulic motor and solve the problem of difficulty in starting the oil production system of a certain type of hydraulic drive screw pump in Daqing Oilfield after shutdown, it provides a design direction. According to the screw pair model of the screw motor, a metal-rubber flat plate reciprocating friction model was established, and rectangular micro grooves with different texture angles and depths were machined on the surface of the metal specimen. Using the orthogonal test method, carry out the research on the influence of different texture parameters on the friction performance of hydraulic motor spiral pair. Finally, the surface morphology of the rubber specimen before and after the friction and wear test is compared and analyzed to grasp the effect of texture on the service life of the rubber stator. When the texture angle is constant, the friction coefficient of each group of specimens was increased with the increase of texture depth except for the 90-5 test piece; when the texture depth is constant, the friction coefficient of each group of specimens was increased first and then decreased with the increase of texture angle; texture angle is the main influencing factor of friction coefficient. Under the same test conditions, the friction coefficient of the 0—5 specimens was reduced by 20.2% compared with the untextured specimens. In the metal-rubber contact centering of the stator and rotor of the hydraulic motor, the texture reduction mechanism is mainly to transport the lubricating medium through the micro groove to improve the lubrication conditions. The sample with reasonable texture parameter design can effectively reduce the friction coefficient of the friction pair without reducing the service life of the hydraulic motor, which is beneficial to the smooth start of the hydraulic drive screw pump oil extraction system.

oil production hydraulic motor; surface texture; orthogonal test; texture parameters; tribological properties

TH117

A

1001-3660(2022)02-0176-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.016

2021-04-14；

2021-06-21

2021-04-14；

2021-06-21

國家自然科學基金（51974272）

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51974272)

黃志強（1968—），男，博士，教授，主要研究方向為油氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

HUANG Zhi-qiang (1968—), Male, Doctor, Professor, Research focus: key technologies for oil and gas development.

黃志強, 熊辰, 錢韋吉, 等.采油液力馬達轉(zhuǎn)子表面織構(gòu)參數(shù)對其摩擦副的摩擦學性能影響研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 176-184.

HUANG Zhi-qiang, XIONG Chen, QIAN Wei-ji, et al. The Effect of Surface Texture Parameters of the Rotor Surface Texture of Oil Production Hydraulic Motor on the Tribological Performance of the Friction Pair[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 176-184.