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 機械科學與工程學院，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實意義。螺桿-襯套副的力學分析和磨損研究都要以其摩擦因數和磨損量為基礎[3-4]。本工作利用試驗手段模擬螺桿泵的實際工況，測定襯套橡膠的摩擦因數以及磨損量隨載荷和滑動速度的變化規律，為螺桿-襯套副磨損的進一步研究奠定基礎。

1 試驗裝置及參數

采用宣化北倫平衡機制造有限公司生產的MPX-2000型磨損試驗機，并在原磨損機上加裝VFD022M43B型變頻器，使電動機實現無級變頻調速，從而滿足試驗要求。為模擬采油螺桿泵的實際工況，采用環盤對磨形式，盤狀試樣用襯套橡膠制成，厚度取6 mm，直徑為64 mm；圓環試樣采用40Cr鋼，內徑為34.5 mm，外徑為39 mm，且對磨表面進行拋光處理。另外，還設計了特定的夾具，以裝卡襯套橡膠圓盤試樣，并可容納試驗介質。在采油螺桿泵的工作轉速范圍內，利用螺桿泵螺桿-襯套副相對滑動速度的計算公式[5]，以GLB120-27型螺桿泵為例計算出對應的滑動速度，并根據試驗設備的計算直徑換算成試驗設備的主軸轉速：滑動速度為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m·s-1時，主軸轉速分別為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，將壓力換算成試驗機上所加載荷值：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。

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

2 摩擦因數的測定

兩試樣對磨時，摩擦轉矩（M）的表達式為

式中N——法向載荷，N；

μ——摩擦因數；

d——計算直徑，m。

由式（1）得摩擦因數的表達式為

在磨損試驗機上，根據主軸轉速和載荷值，進行磨損試驗，當摩擦轉矩值趨于恒定時，記錄摩擦轉矩值，再利用式（2）即可計算出摩擦因數。

在兩組環境介質中，分別進行對磨試驗，將試驗數據分析處理，得出摩擦因數隨法向載荷和滑動速度的變化規律，如圖1—4所示。

圖1 油水介質中摩擦因數與法向載荷的關系

圖3 油水砂介質中摩擦因數與法向載荷的關系

圖4 油水砂介質中摩擦因數與滑動速度的關系

由圖1和3可知：在兩組環境介質中，當滑動速度一定時，摩擦因數均隨載荷增大而呈線性減小，在油水介質中，速度越大，摩擦因數減小得越快；在油水砂介質中，隨載荷的增大，摩擦因數下降的速度基本一致。滑動速度在0.4～0.8 m·s-1的范圍內，速度越大，摩擦因數的水平越高，但是當滑動速度達到1.0 m·s-1時，摩擦因數的水平下降，這是由于高速下的熱效應所致[7]。

由圖2和4可知，在兩組環境介質中，當法向載荷一定時，摩擦因數隨滑動速度的提高而增大，在油水介質中，當速度超過0.8 m·s-1時，摩擦因數反而略有下降。

圖2 油水介質中摩擦因數與滑動速度的關系

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中的摩擦因數比在油水砂介質中低。

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很多，有磨損量、磨損率、磨損度、耐磨性系數、磨損系數和磨損速率等[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。試驗條件同摩擦因數的測定條件。試驗前將試樣清洗干凈，烘干，電子天平稱量，然后裝卡試樣，設定轉速，加載，開始試驗。當金屬環旋轉達到設定轉數后停機，取下試樣，再清洗，烘干，稱量，計算磨損量。在兩組環境介質中磨損量與法向載荷和滑動速度的關系曲線如圖5—8所示。利用日本日立公司生產的S-3400N型掃描電子顯微鏡對橡膠試樣的磨損表面進行觀察，磨損形貌如圖9所示。

圖5 油水介質中磨損量與法向載荷的關系

圖6 油水介質中磨損量與滑動速度的關系

圖7 油水砂介質中磨損量與法向載荷的關系

圖8 油水砂介質中磨損量與滑動速度的關系

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，當符合Lancaster判據時，將呈現局部流體潤滑或混合潤滑狀態，從而改善摩擦表面的潤滑狀態，使兩表面間的犁削作用減弱。兩組環境介質中，磨損量隨載荷增大而增大的速率基本相同，油水砂介質中磨損量隨滑動速度提高而減小的趨勢比油水介質中平緩。

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，在油水介質的試驗條件下，襯套橡膠試樣的磨損機理主要表現為摩擦機理。在油水砂介質的試驗條件下，襯套橡膠試樣的磨損機理主要表現為摩擦機理和濕磨粒磨損機理。在濕磨粒磨損的過程中，起主導作用的仍然是微切削作用機理和擦傷。

4 磨損速率

磨損速率是指在單位時間內橡膠試樣所產生的磨耗。利用上述在油水介質中的試驗數據，根據速度將磨損量換算成相應的磨損速率，磨損速率與法向載荷和滑動速度的關系曲線分別如圖10和11所示。在油水砂介質中的磨損速率與法向載荷和滑動速度的關系曲線分別如圖12和13所示。

圖10 油水介質中磨損速率與法向載荷的關系

圖11 油水介質中磨損速率與滑動速度的關系

圖12 油水砂介質中磨損速率與法向載荷的關系

圖13 油水砂介質中磨損速率與滑動速度的關系

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

由圖11可知，在油水介質中，隨滑動速度的提高，磨損速率增大，當滑動速度超過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。由圖13可以看出，在油水砂介質中，隨滑動速度的提高，磨損速率一直增大，這是由油水砂介質中的磨損機理決定的。

5 結論

（1）襯套橡膠試樣在油水和油水砂介質中的摩擦因數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。滑動速度和法向載荷都相同時，襯套橡膠試樣在油水介質中的摩擦因數比在油水砂介質中低。

（2）襯套橡膠試樣在油水和油水砂介質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中的磨損主要表現為摩擦機理，而在油水砂介質中則主要表現為摩擦機理和濕磨粒磨損機理。

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