海底渾濁海水環(huán)境下柱塞式水泵運(yùn)動(dòng)副摩擦機(jī)理研究①

羅柏文，王昭文，吳小波

（湖南科技大學(xué) 海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

海洋約占地球表面積的71%，海底蘊(yùn)藏著極豐富的礦產(chǎn)資源［1－3］。在陸地資源日趨枯竭的今天，人類(lèi)越來(lái)越重視海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用。其中深海底巖芯取樣鉆機(jī)是進(jìn)行海底礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)調(diào)查等不可缺少的重要裝備。以湖南科技大學(xué)自主研制的“海牛”號(hào)海底多用途巖芯取樣鉆機(jī)為例，它裝載于較大型的海洋科學(xué)考察船上，作業(yè)時(shí)通過(guò)鎧裝復(fù)合纜下放至預(yù)定海底，由甲板上計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控其工作。鉆桿鉆進(jìn)取樣時(shí)，為了防止鉆桿與海底軟泥抱死（即塌孔現(xiàn)象），導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載而燒壞電機(jī)，以及鉆具過(guò)熱出現(xiàn)“燒鉆”現(xiàn)象，為鉆機(jī)配備了一套柱塞式海水泵，其作用是將海水泵送到動(dòng)力頭，再經(jīng)由鉆桿內(nèi)壁與芯管之間的間隙到達(dá)鉆頭，最后通過(guò)鉆頭端面凹槽注入到鉆桿外壁與孔壁間的縫隙，起到冷卻鉆具和防止塌孔現(xiàn)象。海水泵作為必不可少的裝備，研究其運(yùn)動(dòng)副的摩擦磨損具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

巖芯取樣鉆機(jī)坐底于海底表面，在鉆進(jìn)取樣作業(yè)中會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)周?chē)Ｋ霈F(xiàn)渾濁現(xiàn)象。因此在渾濁海水環(huán)境下海水泵的關(guān)鍵摩擦副必須選用耐磨損和抗腐蝕性好的材料。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)海水介質(zhì)中材料摩擦學(xué)的研究主要集中在耐磨、耐腐蝕的金屬合金材料、陶瓷材料以及工程塑料等的摩擦磨損性能研究［4－7］，針對(duì)渾濁海水環(huán)境下摩擦副材料的摩擦性能研究較少。本文以應(yīng)用廣泛的2種工程塑料與TC4鈦合金配副和2205雙相干不銹鋼與陶瓷配副作為研究對(duì)象，研究了不同渾濁程度海水環(huán)境下工程塑料與TC4摩擦副和2205雙相干不銹鋼與陶瓷摩擦副的摩擦磨損特性，為篩選出適用深海巖芯取樣鉆機(jī)柱塞式海水泵關(guān)鍵摩擦副的最優(yōu)材料提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

分別選用共聚甲醛（POM-C）、改性聚醚醚酮（PEEK-PVX）2種工程塑料與TC4鈦合金、2205雙相不銹鋼與Al2O3陶瓷配副。改性聚醚醚酮是通過(guò)聚醚醚酮添加碳纖維、PTFE及石墨得到的復(fù)合材料，2種工程塑料物理性能見(jiàn)表1，2205雙相不銹鋼和TC4鈦合金力學(xué)性能見(jiàn)表2，TC4鈦合金化學(xué)成分見(jiàn)表3。氧化鋁陶瓷由無(wú)錫孚瑞達(dá)傳動(dòng)設(shè)備有限公司提供，其配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Al2O399.4%，CaO 0.3%，MgO 0.3%。氧化鋁陶瓷材料機(jī)械性能見(jiàn)表4。

表1 試驗(yàn)用工程塑料物理性能

表2 金屬材料物理力學(xué)性能

表3 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

表4 陶瓷材料力學(xué)性能

試驗(yàn)在MM－W1B型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，2種工程塑料與TC4配副采用環(huán)-盤(pán)滑動(dòng)接觸形式模擬摩擦副接觸形式，配副的下試樣為工程塑料大試環(huán)，上試樣為金屬圓盤(pán)。2205雙相不銹鋼與Al2O3陶瓷配副采用銷(xiāo)-環(huán)滑動(dòng)接觸形式模擬摩擦副接觸形式，配副的下試樣為金屬大試環(huán)，上試樣為陶瓷銷(xiāo)。上試樣由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，下試樣由銷(xiāo)固定在摩擦副盤(pán)上，通過(guò)加載軸提供軸向加載力。摩擦磨損試驗(yàn)分別在含4 mg／mL海底沉積物海水、含8 mg／mL海底沉積物海水、含12 mg／mL海底沉積物海水、純海水環(huán)境下進(jìn)行，海水使用原海水。圖1為4個(gè)不同區(qū)域海底沉積物污泥粒度-體積分布圖，表5為粒度分析表，試驗(yàn)過(guò)程中摩擦因數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄并輸出。

圖1 粒度-體積分布圖

表5 粒度分析表

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 TC4-改性PEEK配副摩擦因數(shù)

圖2為T(mén)C4-改性PEEK配副在30 N、500 r／min工況下分別在含4 mg／mL海底沉積物海水、含8 mg／mL海底沉積物海水、含12 mg／mL海底沉積物海水和純海水環(huán)境中摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。從圖2可以看出，純海水環(huán)境下TC4-改性PEEK配副表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，曲線平穩(wěn)，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.14左右。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)壓力作用下添加PTFE改性，PEEK會(huì)在配副表面形成一層薄薄的PTFE滑動(dòng)膜［8］。在含4 mg／mL海底沉積物的海水環(huán)境中，TC4-改性PEEK配副摩擦過(guò)程分為3個(gè)階段，最開(kāi)始的摩擦因數(shù)最大，為0.3左右，不久后降至0.25左右，在穩(wěn)定一段時(shí)間后摩擦因數(shù)逐漸減小，最終穩(wěn)定在0.15左右。在含8 mg／mL海底沉積物的海水環(huán)境中，TC4-改性PEEK配副平均摩擦因數(shù)為0.2，在磨擦過(guò)程中波動(dòng)不大。在含12 mg／mL海底沉積物的海水環(huán)境中，TC4-改性PEEK配副初始摩擦因數(shù)較大，為0.28，在磨合一段時(shí)間后，摩擦因數(shù)逐漸降低，穩(wěn)定在0.2左右，海底沉積物的存在使得TC4-改性PEEK配副的摩擦因數(shù)增大，海底沉積物降低了海水潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑作用，而且在摩擦過(guò)程產(chǎn)生較大波動(dòng)，產(chǎn)生了磨粒磨損。

圖2 不同介質(zhì)中TC4-改性PEEK配副摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化

2.2 TC4-共聚甲醛配副摩擦因數(shù)

圖3為T(mén)C4-共聚甲醛配副在30 N、500 r／min工況下分別在含4 mg／mL海底沉積物海水、含8 mg／mL海底沉積物海水、含12 mg／mL海底沉積物海水和純海水環(huán)境中摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。從圖3可以看出，原海水環(huán)境下TC4-共聚甲醛配副初始摩擦因數(shù)為0.21，在摩擦過(guò)程中逐漸增大，最終其摩擦因數(shù)與含海底沉積物海水環(huán)境下的摩擦因數(shù)相近，平均摩擦因數(shù)為0.27，且摩擦因數(shù)隨時(shí)間波動(dòng)較大。起始階段，TC4合金表面的氧化膜或污染膜起到一定減摩作用，摩擦因數(shù)較小；經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)微動(dòng)循環(huán)，表面膜受剪切和擠壓作用而破壞，新鮮金屬露出，表面凹凸不平，試樣真實(shí)接觸面積小，接觸應(yīng)力較大，使材料發(fā)生局部塑性變形［9］，接觸點(diǎn)處發(fā)生“焊合”，黏著傾向增大，摩擦因數(shù)增大；而在含海底沉積物的海水環(huán)境中，TC4-共聚甲醛配副摩擦因數(shù)變化過(guò)程均為初始摩擦因數(shù)較大、之后稍有減小、最終穩(wěn)定在0.27左右，且均有波動(dòng)，其中存在磨粒磨損。這說(shuō)明海底沉積物的存在會(huì)破壞TC4合金表面的氧化膜或污染膜的減磨作用。

圖3 不同介質(zhì)中TC4-共聚甲醛配副摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化

2.3 2205雙相不銹鋼-陶瓷配副摩擦因數(shù)

圖4為2205雙相不銹鋼-陶瓷配副在15 N、500 r／min工況下分別在含4 mg／mL海底沉積物海水、含8 mg／mL海底沉積物海水、含12 mg／mL海底沉積物海水和純海水環(huán)境中摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。從圖4可以看出，2205雙相不銹鋼-陶瓷配副在純海水環(huán)境和含海底沉積物海水環(huán)境下摩擦因數(shù)波動(dòng)都非常大，且在幾種不同的環(huán)境介質(zhì)下，其摩擦因數(shù)比較相近，平均摩擦因數(shù)為0.5左右，這是因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中出現(xiàn)了磨粒磨損。說(shuō)明海底沉積物含量對(duì)2205雙相不銹鋼-陶瓷配副的影響不大。

圖4 不同介質(zhì)中2205雙相不銹鋼-陶瓷配副摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化

3 結(jié) 論

1）TC4-改性PEEK配副在純海水環(huán)境下摩擦因數(shù)最小，穩(wěn)定在0.15左右；而在含海底沉積物海水環(huán)境下摩擦因數(shù)較大且波動(dòng)較大。說(shuō)明海底沉積物的存在使得TC4-改性PEEK配副摩擦因數(shù)增大，且在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生了磨粒磨損。

2）TC4-共聚甲醛配副在純海水環(huán)境下的初始摩擦因數(shù)較小，而在含海底沉積物海水環(huán)境下的摩擦因數(shù)較大。說(shuō)明海底沉積物的存在會(huì)破壞TC4合金表面的氧化膜或污染膜的減磨作用。

3）海底沉積物含量對(duì)2205雙相不銹鋼-陶瓷配副的摩擦因數(shù)影響較小，其摩擦因數(shù)均在0.5左右波動(dòng)，出現(xiàn)了磨粒磨損。說(shuō)明海底沉積物含量對(duì)2205雙相不銹鋼-陶瓷配副的影響不大。