十字頭和導板摩擦失效原因分析

西安石油大學 劉戰鋒

蘭州蘭石集團有限公司 李 俊

十字頭和導板摩擦失效原因分析

西安石油大學 劉戰鋒

蘭州蘭石集團有限公司 李 俊

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

十字頭和導板摩擦失效；導板變形；新材料；新工藝；去應力退火

1.引言

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

2.十字頭和導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發生瞬間撕裂，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，潤滑狀態對摩擦副產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，避免產生干摩擦或半干摩擦，就會有效防止和控制粘著磨損的產生和發展。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，導致摩擦副失效。根據以上摩擦學理論分析可得出鉆井泵十字頭和導板發生摩擦失效的原因：(1)潤滑不充分；(2)摩擦副承受載荷較大；(3)摩擦副的材質硬度不匹配。

當鉆井泵重負荷運轉時，十字頭和導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板表面，當相對運動時導板瞬間被研傷，導致兩零件摩擦失效。如果摩擦副材料的石墨含量增大時，將有利于潤滑狀態的改善，形成足夠強度的潤滑膜，從而避免導板拉傷的發生。為此，通過采用新材料、新工藝、新技術是改善十字頭和導板摩擦失效問題的有效途徑。

3.國內導板材料現狀分析

國內導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，設計手冊上對材料的成份含量并沒有嚴格規定，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。在國內某個鑄造車間內，對于同樣牌號、壁厚和質量相近的灰鑄鐵件，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。經現場核實，在正常情況下，導板硬度值大致在HB170左右。因此，為了達到設計要求的硬度值HB170—210，生產廠家必然采取以下傳統的工藝手段：(1)加快冷卻速度，在共析轉變溫度以上開箱；(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，通過增加導板材料中的石墨含量，可以改善因導板硬度高造成與十字頭粘著而產生摩擦失效的問題。

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。美國鉆井泵導板所用的原材料牌號為ASTM A48 Gr.40(灰鐵)，國內通常采用化學分析和力學性能與其相當的QT 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，但其彈性模數很高(約為E=170000～180000MN/m2參考)，產生殘余應力的傾向為灰鑄鐵的2～3倍。因此，采用熱處理去應力不能完全消除導板筒在鑄造和加工過程中產生的內應力。兩種應力的疊加以及材料的穩定性較差，使導板筒剖開成四片后導板產生更大的變形，這種變形的趨勢、大小和方向都無法通過檢測驗證，使導板變形問題在前期不易被發現。尤其美國鉆井泵的導板壁厚小于國內3NB鉆井泵導板壁厚，使導板變形問題在美國鉆井泵上表現的更為突出。

4.改善十字頭和導板摩擦失效的工藝措施

在不改變導板零件尺寸和形位公差的前提下解決現有問題，需要對導板在材料、加工工藝和熱處理工藝三個方面進行優化改進，以下是我們針對導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，現將美國鉆井泵導板材料ASTM A48 Gr.40結合國家標準GB/T7216和GB/T9439，制定如下技術要求：

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

(3)在保證導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，降低加工應力對零件的影響；

(4)優化兩次熱處理工藝參數，確保能夠基本消除鑄造和粗加工應力。

采用ASTM A48 Gr.40美國灰鐵材料，按以上新工藝進行導板筒毛坯制作，然后按優化后的工藝流程進行熱處理、加工，發現兩次去應力熱處理的隨爐試樣的力學性能Rm≥276～325Mpa和硬度HB170～210均符合技術要求的規定，檢測數據表明去應力熱處理溫度對該材料的強度和硬度沒有造成影響。加工后的導板筒按照圖樣要求逐件進行檢驗，合格后劃線轉銑床將導板筒剖開成四片、鉆孔、打毛刺；檢驗安裝孔中心距合格后進行安裝。導板安裝時，嚴格按照圖樣要求控制檢驗，檢查螺栓扭矩、導板與導板座之間的間隙。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.結束語

通過采用尺寸穩定性較高、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，提高了導板質量的穩定性和可靠性，加工后導板的變形基本得到有效控制。當然，十字頭和導板摩擦失效問題偶爾還會出現，但主要是由于機架焊接后的噴丸沒有及時清理或組裝環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量意識的不斷上升和各環節的有效控制，問題就會得到徹底改善，既提高了生產效率，又降低了生產成本，最終滿足了使用要求。

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

李俊（1971—），山東章丘人，1995年畢業于甘肅工業大學，蘭州蘭石集團有限公司高級工程師，從事質量管理工作。