海底渾濁海水環境下柱塞式水泵運動副摩擦機理研究①

羅柏文，王昭文，吳小波

（湖南科技大學 海洋礦產資源探采裝備與安全技術國家地方聯合工程實驗室，湖南 湘潭 411201）

海洋約占地球表面積的71%，海底蘊藏著極豐富的礦產資源［1－3］。在陸地資源日趨枯竭的今天，人類越來越重視海洋資源的開發和利用。其中深海底巖芯取樣鉆機是進行海底礦產資源勘探和地質調查等不可缺少的重要裝備。以湖南科技大學自主研制的“海牛”號海底多用途巖芯取樣鉆機為例，它裝載于較大型的海洋科學考察船上，作業時通過鎧裝復合纜下放至預定海底，由甲板上計算機遠程監控其工作。鉆桿鉆進取樣時，為了防止鉆桿與海底軟泥抱死（即塌孔現象），導致電機過載而燒壞電機，以及鉆具過熱出現“燒鉆”現象，為鉆機配備了一套柱塞式海水泵，其作用是將海水泵送到動力頭，再經由鉆桿內壁與芯管之間的間隙到達鉆頭，最后通過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象。海水泵作為必不可少的裝備，研究其運動副的摩擦磨損具有重大經濟價值。

巖芯取樣鉆機坐底于海底表面，在鉆進取樣作業中會導致鉆機周圍海水出現渾濁現象。因此在渾濁海水環境下海水泵的關鍵摩擦副必須選用耐磨損和抗腐蝕性好的材料。目前，國內外有關海水介質中材料摩擦學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］，針對渾濁海水環境下摩擦副材料的摩擦性能研究較少。本文以應用廣泛的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象，研究了不同渾濁程度海水環境下工程塑料與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柱塞式海水泵關鍵摩擦副的最優材料提供試驗依據。

1 實驗方案

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聚醚醚酮添加碳纖維、PTFE及石墨得到的復合材料，2種工程塑料物理性能見表1，2205雙相不銹鋼和TC4鈦合金力學性能見表2，TC4鈦合金化學成分見表3。氧化鋁陶瓷由無錫孚瑞達傳動設備有限公司提供，其配比（質量分數）為：Al2O399.4%，CaO 0.3%，MgO 0.3%。氧化鋁陶瓷材料機械性能見表4。

表1 試驗用工程塑料物理性能

表2 金屬材料物理力學性能

表3 TC4鈦合金化學成分（質量分數）／%

表4 陶瓷材料力學性能

試驗在MM－W1B型立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，2種工程塑料與TC4配副采用環-盤滑動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，上試樣為金屬圓盤。2205雙相不銹鋼與Al2O3陶瓷配副采用銷-環滑動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，上試樣為陶瓷銷。上試樣由主軸帶動旋轉，下試樣由銷固定在摩擦副盤上，通過加載軸提供軸向加載力。摩擦磨損試驗分別在含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、純海水環境下進行，海水使用原海水。圖1為4個不同區域海底沉積物污泥粒度-體積分布圖，表5為粒度分析表，試驗過程中摩擦因數由試驗機自動記錄并輸出。

圖1 粒度-體積分布圖

表5 粒度分析表

2 試驗結果與討論

2.1 TC4-改性PEEK配副摩擦因數

圖2為TC4-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境中摩擦因數隨時間變化曲線。從圖2可以看出，純海水環境下TC4-改性PEEK配副表現出良好的摩擦學性能，曲線平穩，摩擦因數穩定在0.14左右。這是因為在試驗壓力作用下添加PTFE改性，PEEK會在配副表面形成一層薄薄的PTFE滑動膜［8］。在含4 mg／mL海底沉積物的海水環境中，TC4-改性PEEK配副摩擦過程分為3個階段，最開始的摩擦因數最大，為0.3左右，不久后降至0.25左右，在穩定一段時間后摩擦因數逐漸減小，最終穩定在0.15左右。在含8 mg／mL海底沉積物的海水環境中，TC4-改性PEEK配副平均摩擦因數為0.2，在磨擦過程中波動不大。在含12 mg／mL海底沉積物的海水環境中，TC4-改性PEEK配副初始摩擦因數較大，為0.28，在磨合一段時間后，摩擦因數逐漸降低，穩定在0.2左右，海底沉積物的存在使得TC4-改性PEEK配副的摩擦因數增大，海底沉積物降低了海水潤滑膜的潤滑作用，而且在摩擦過程產生較大波動，產生了磨粒磨損。

圖2 不同介質中TC4-改性PEEK配副摩擦因數隨時間變化

2.2 TC4-共聚甲醛配副摩擦因數

圖3為TC4-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境中摩擦因數隨時間變化曲線。從圖3可以看出，原海水環境下TC4-共聚甲醛配副初始摩擦因數為0.21，在摩擦過程中逐漸增大，最終其摩擦因數與含海底沉積物海水環境下的摩擦因數相近，平均摩擦因數為0.27，且摩擦因數隨時間波動較大。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，摩擦因數較小；經過數個微動循環，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，試樣真實接觸面積小，接觸應力較大，使材料發生局部塑性變形［9］，接觸點處發生“焊合”，黏著傾向增大，摩擦因數增大；而在含海底沉積物的海水環境中，TC4-共聚甲醛配副摩擦因數變化過程均為初始摩擦因數較大、之后稍有減小、最終穩定在0.27左右，且均有波動，其中存在磨粒磨損。這說明海底沉積物的存在會破壞TC4合金表面的氧化膜或污染膜的減磨作用。

圖3 不同介質中TC4-共聚甲醛配副摩擦因數隨時間變化

2.3 2205雙相不銹鋼-陶瓷配副摩擦因數

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境中摩擦因數隨時間變化曲線。從圖4可以看出，2205雙相不銹鋼-陶瓷配副在純海水環境和含海底沉積物海水環境下摩擦因數波動都非常大，且在幾種不同的環境介質下，其摩擦因數比較相近，平均摩擦因數為0.5左右，這是因為在摩擦過程中出現了磨粒磨損。說明海底沉積物含量對2205雙相不銹鋼-陶瓷配副的影響不大。

圖4 不同介質中2205雙相不銹鋼-陶瓷配副摩擦因數隨時間變化

3 結 論

1）TC4-改性PEEK配副在純海水環境下摩擦因數最小，穩定在0.15左右；而在含海底沉積物海水環境下摩擦因數較大且波動較大。說明海底沉積物的存在使得TC4-改性PEEK配副摩擦因數增大，且在摩擦過程中產生了磨粒磨損。

2）TC4-共聚甲醛配副在純海水環境下的初始摩擦因數較小，而在含海底沉積物海水環境下的摩擦因數較大。說明海底沉積物的存在會破壞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2205雙相不銹鋼-陶瓷配副的摩擦因數影響較小，其摩擦因數均在0.5左右波動，出現了磨粒磨損。說明海底沉積物含量對2205雙相不銹鋼-陶瓷配副的影響不大。